W tym artykule porozmawiamy o łożyskach ceramicznych do redukcji tarcia – 6 rzeczy, które warto wiedzieć: łożyska ceramiczne do wysokich prędkości, łożyska ceramiczne do wysokich temperatur; w każdym przypadku można je stosować, aby maksymalnie zwiększyć wydajność i wyniki Twoich maszyn.
W niektórych zastosowaniach ważne jest staranne maksymalizowanie sprawności przekładni mechanicznych. Istotnym źródłem strat energii są łożyska, z powodu występującego w nich tarcia. Dlatego redukcja tarcia do możliwie najniższego poziomu należy w takich przypadkach do najważniejszych priorytetów.
W tym artykule przeanalizujemy 6 przyczyn tarcia występujących w łożysku, omówimy działania ograniczające to tarcie oraz przedstawimy innowacyjne rozwiązanie, które pozwala znacznie przezwyciężyć ograniczenia łożysk stalowych i osiągnąć minimalny poziom strat energii, którego nie da się osiągnąć z użyciem standardowych łożysk: całkowicie ceramiczne łożyska.
Łożyska toczne są elementami mechanicznymi służącymi do prowadzenia i podpierania ruchu obrotowego. W związku z pełnioną funkcją część energii potrzebnej do utrzymania obrotu, choćby niewielka, jest tracona z powodu tarcia powstającego w łożysku. W kontekście zwiększania sprawności przekładni konieczne jest możliwie maksymalne zredukowanie wewnętrznego tarcia łożyska.
Główne przyczyny tarcia
Najpierw postaramy się zrozumieć, jakie są przyczyny tego tarcia, czyli w których miejscach możemy ingerować, aby zmniejszyć energię traconą przez łożysko.
Główne przyczyny tarcia w łożysku, według kolejności ich znaczenia i wpływu, to:
- cechy smarowania: rodzaj i ilość środka smarnego
- tarcie wywołane uszczelnieniami
- luz łożyska
- klasa dokładności łożyska
- chropowatość bieżni tocznych i elementów tocznych
- twardość bieżni tocznych i elementów tocznych
Przeanalizujmy je szczegółowo:
1. Smarowanie
Celem smarowania jest utworzenie warstwy (filmu) między elementem toczącym a bieżnią, która zapobiega ich bezpośredniemu kontaktowi i umożliwia odprowadzenie ciepła powstającego na powierzchni styku. Aby te funkcje mogły się realizować, środek smarny musi mieć odpowiednią lepkość, umożliwiającą wytrzymywanie obciążenia działającego na łożysko, oraz utrzymywanie tej lepkości w zakresie temperatur pracy łożyska. Zbyt wysoka lepkość, choć z jednej strony może być gwarancją odporności na obciążenie, z drugiej może utrudniać ruch elementu toczącego, zwiększając tarcie w łożysku i tym samym traconą energię.
Podobnie istotną rolę może odgrywać ilość środka smarnego wprowadzanego do łożyska. Mimo że lepkość smaru jest odpowiednia dla warunków obciążenia łożyska, zbyt mała ilość uniemożliwia utworzenie odpowiedniej grubości warstwy smarnej. Z kolei zbyt duża ilość środka smarnego staje się przeszkodą w toczeniu, wywołując wzrost tarcia i ilości traconej energii.
Dlatego w celu zminimalizowania tarcia należy:
- dokładnie dobrać stopień lepkości środka smarnego, zależny od obciążenia łożyska, prędkości obrotowej i temperatury pracy; zbyt niska lepkość nie pozwala utworzyć odpowiedniego filmu smarowego między elementem toczącym a bieżnią, zbyt wysoka – znacząco zwiększa tarcie;
- odpowiednio dobrać ilość środka smarnego wprowadzanego do łożyska; zbyt mała ilość nie pozwala utworzyć odpowiedniego filmu smarowego, zbyt duża – zwiększa tarcie.
Warto zauważyć, że stosowanie środków smarnych specjalnych lub zmianę standardowej ilości środka smarnego wprowadzanego do łożysk zwykle klasyfikuje łożysko jako „specjalne”, co może wiązać się z wyższymi kosztami i utrudnieniami w zaopatrzeniu.
2. Uszczelnienia
Uszczelnienia stosowane w łożyskach pełnią dwie podstawowe funkcje: utrzymanie środka smarnego wewnątrz łożyska oraz ochrona łożyska przed wtargnięciem zanieczyszczeń, które mogą utrudnić działanie nie tylko samego łożyska, lecz także środka smarnego. Z punktu widzenia tarcia, zwiększenia tego tarcia mogą ulegać uszczelnienia typu stykowego, czyli typu RS, ponieważ ich sprężyny dociskające stykają się z piercingiem łożyska, powodując tarcie ślizgowe.
W celu zminimalizowania tarcia należy dokładnie ocenić, czy istotne jest stosowanie uszczelnień typu RS, czy lepiej wybrać uszczelnienia bezstykowe (typu Z). Ponadto można zwrócić szczególną uwagę na wykończenie powierzchni styku między pierścieniem łożyska a uszczelnieniem, aby zmniejszyć tarcie. Taka konstrukcja może jednak nie być standardem dostawcy łożysk i wiązać się z wyższymi kosztami oraz utrudnieniami w zaopatrzeniu.
3. Luź łożyska
Zmniejszanie luzu łożyska zwiększa liczbę elementów tocznych pozostających w bezpośrednim kontakcie z bieżnią, co prowadzi do wzrostu tarcia i większej straty energii.
W związku z tym, aby zminimalizować tarcie, należy wybrać możliwie największy luz łożyska, oczywiście zgodny z warunkami jego pracy i wymaganiami konstrukcyjnymi.
4. Klasa precyzji łożyska
Przy wykonywaniu pierścieni łożysk powstają błędy kształtu, które powodują, że powierzchnie bieżni odbiegają od idealnego kształtu teoretycznego. Te odchylenia powodują nieregularne styki między elementami toczącymi a bieżniami, co zwiększa tarcie i straty energii podczas toczenia.
Aby zminimalizować tarcie, należałoby zastosować łożyska o możliwie najwyższej precyzji wykonania. Takie łożyska jednak mogą być znacznie droższe i trudniejsze w zakupie. Biorąc pod uwagę, że wpływu klasy precyzji na całkowitą wartość tarcia jest stosunkowo niewielki, nie zawsze jest konieczne stosowanie łożysk o niedomyślnych klasach dokładności.
5. Chropowatość bieżni tocznych i elementów tocznych
Ponieważ w toczeniu elementów tocznych łożyska po bieżniach występuje także składowa ruchu ślizgowego, chropowatość obu powierzchni odgrywa istotną rolę. Im większa jest chropowatość, tym większe jest tarcie.
Na ten parametr trudno jest w praktyce wpływać w zwykły sposób, ponieważ nie można realistycznie wymagać od producentów łożysk, by przyjmowali inną wartość chropowatości niż standardowa, chyba że akceptuje się kategorię łożyska „specjalnego”. Można natomiast stosować łożyska super‑precyzyjne, które do niższej chropowatości bieżni dodatkowo łączą się z wyższą klasą dokładności. Są to jednak łożyska o wyższej cenie i niezawsze dostępne w każdym typie konstrukcyjnym.
6. Twardość bieżni tocznych i elementów tocznych
Składowa ruchu ślizgowego, o której mowa w punkcie wcześniejszym, zależy od wielkości powierzchni styku między elementem toczącym a bieżnią. Im większa ta powierzchnia, tym większe jest ścinanie i tarcie. Wielkość powierzchni styku zależy od twardości materiału, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne łożyska. Im twardszy materiał, tym mniejsza powierzchnia styku i tym niższe tarcie.
W tym przypadku parametr również nie jest „ustawialny” w trybie zwykłym. Stopień twardości bieżni i elementów tocznych zależy od procesu hartowania, do jakiego są poddawane stali.
Wybór właściwości łożyska w celu zminimalizowania strat energii wymaga oceny wszystkich wyżej wymienionych czynników i nie zawsze jest łatwo ani możliwe do znalezienia optymalnego rozwiązania. Istnieje jednak dzisiaj innowacyjne podejście, które odpowiada bezpośrednio na potrzebę osiągnięcia możliwie najmniejszego tarcia: całkowicie ceramiczne łożyska.
Ottimalne właściwości łożysk ceramicznych
Vediamo quali sono le caratteristiche di questi cuscinetti in relazione ai punti sopra indicati ed i motivi per cui possono essere la soluzione ottimale:
1. Smarowanie
Materiały ceramiczne stosowane przy produkcji tych łożysk – tlenek cyrkonu (ZrO₂) i azotek krzemu (Si₃N₄) – nie wymagają tak starannego smarowania (ani pod względem rodzaju środka smarnego, ani jego ilości) jak łożyska stalowe. Całkowicie ceramiczne łożyska mogą w wielu przypadkach pracować nawet bez smarowania.
Dzięki temu zastosowaniu tego typu łożysk można w razie potrzeby ograniczyć ilość środka smarnego do minimum, utrzymując jednocześnie tarcie na bardzo niskim poziomie.
2. Uszczelnienia
Ponieważ całkowicie ceramiczne łożyska mogą pracować nawet bez smarowania, nie jest konieczne zabezpieczanie ich uszczelnieniami stykowymi. To pozwala znacząco zmniejszyć tarcie.
3. Luź łożyska
W przypadku luzu łożyska obowiązują te same rozważania, które zostały przedstawione w punkcie 3 powyżej.
4. Klasa precyzji łożyska
W przypadku klasy precyzji łożyska, również dla całkowicie ceramicznych łożysk obowiązują te same założenia co w odniesieniu do łożysk stalowych.
5. Chropowatość bieżni tocznych i elementów tocznych
Dzięki właściwościom materiałów ceramicznych chropowatość uzyskiwana na bieżniach i elementach tocznych jest na ogół niższa niż w łożyskach stalowych. To skutkuje zmniejszeniem tarcia.
