Dla niezawodnej pracy łożysk tocznych ważnym – a w praktyce często niedocenianym czynnikiem – jest ich należyte smarowanie.

Główne zadanie smaru polega na rozdzielaniu metalowych powierzchni poszczególnych elementów łożyska cienką warstwą smaru i zapobieganie w ten sposób ich zużyciu. Jednocześnie następuje zmniejszenie tarcia, a tym samym mniejsza strata mocy, co w sumie prowadzi do mniejszego zapotrzebowania energetycznego w trakcie użytkowania.

Tym samym smarowanie stanowi ważny element całego systemu łożyskowego i musi być odpowiednio starannie zaprojektowane. Około 43% wszystkich przedwczesnych awarii łożysk wynika z problemów ze smarowaniem. Mogą mieć one różnorakie podłoże i obejmują zarówno błędy popełnione podczas montażu łożyska, jak i zaniedbania dopuszczone w trakcie bieżącej eksploatacji, np. niedotrzymanie terminów okresowego smarowania. Oprócz tego istnieją jednak również uszkodzenia, których przyczyn należy szukać w fazie projektowania łożyskowania lub systemu smarowania. W zależności od rodzaju łożyska różne są bowiem wymagania odnośnie smarowania. Inne kryteria dla doboru odpowiedniego systemu smarowania to obciążenie łożysk, temperatura robocza, temperatura otoczenia, prędkość obrotowa łożysk, ich możliwe zanieczyszczenie oraz wreszcie koszty środka smarnego i całego systemu smarowania.

Poniżej, w oparciu o kilka przykładów zastosowań, przedstawiono, jak smarowanie może wpływać na funkcjonowanie łożysk.

Przykład 1: łożysko walcowe w przekładni wału odbioru mocy

W ramach teoretycznych rozważań nad łożyskiem w przekładni wału odbioru mocy postanowiono bliżej zbadać także kwestię smarowania. Okazało się przy tym, że w danych warunkach przeznaczony do tego łożyska olej smarny ma o wiele za niską lepkość, by móc wytworzyć wystarczająco nośną warstwę smarną. Logicznym następstwem tego stanu byłoby zwiększone zużycie i skrócona żywotność. Dlatego firma NKE zaleciła użycie oleju smarnego o wyższej lepkości, czyli gęstszego.

W celu uzyskania pewności przeprowadzono próbę praktyczną. Napełniono dwie przekładnie o takiej samej budowie porównywanymi olejami smarnymi i eksploatowano je przez okres 500 godzin. Podczas dokonywanej po zakończeniu doświadczenia oceny, na powierzchniach funkcyjnych łożysk, w których zastosowano rzadki olej, stwierdzono wyraźnie przebarwienia i pierwsze oznaki zużycia (ilustracja 2). W tych łożyskach, w których zastosowano gęstszy olej, nie stwierdzono natomiast żadnych śladów zużycia ilustracja 3).

Ponadto, wbrew pierwotnym obawom klienta, nie wystąpiła zwiększona utrata mocy. Przeciwnie, przekładnia z gęstszym olejem wykazała niższe ubytki i w związku z tym także niższą temperaturę roboczą. Można to uzasadnić lepszym rozdzieleniem powierzchni metalowych podczas pracy, co rekompensuje nieznacznie wyższe tarcie cieczy.

 Przykład 2: łożysko baryłkowe wzdłużne w pompie wody chłodzącej w elektrowni cieplnej

Podczas eksploatacji próbnej dużej pompy, będącej pompą z betonową obudową spiralną, cz
yli pompą odśrodkową z wałem pionowym i obudową odlaną z betonu (ilustracja 4), dochodziło do ponawiającego się przekraczania dopuszczalnej temperatury roboczej łożyska osiowego napędu, powodującego jego automatyczne wyłączanie. Przy bliższej analizie stwierdzono, że przyczyną tego jest zastosowanie niewłaściwego oleju smarnego. Używano tu czystego oleju hydraulicznego, który zarówno pod względem składu czyli dodatków, jak i swojej lepkości w najmniejszym stopniu nie odpowiadał wymogom tego łożyska.

Stwierdzona wysoka temperatura robocza była bezpośrednim skutkiem silnego kontaktu powierzchni metalowych, zwłaszcza między powierzchniami czołowymi elementów tocznych a obrzeżem prowadzącym pierścienia wewnętrznego łożyska (patrz  łożysko baryłkowe wzdłużne na ilustracji 1). Już po krótkim czasie doprowadziło to do nieodwracalnych uszkodzeń powierzchni funkcyjnych łożyska, co wykluczało jego długotrwałą i bezpieczną eksploatację. Konieczne było wymienienie łożyska i poniesienie związanych z tym wysokich nakładów pracy oraz kosztów.

Zmiana oleju na odpowiadający wymogom łożysk baryłkowych wzdłużnych, o odpowiednio wysokiej lepkości, umożliwiło bezpieczne rozdzielenie powierzchni stycznych i uzyskanie niższej temperatury roboczej. Obecnie całe urządzenie jest bez żadnych zakłóceń eksploatowane od roku 2009.

Przykład 3: łożysko kulkowe zwykłe w pompie śrubowej

W przedstawionym zastosowaniu jest mowa o pompie śrubowej, służącej do zaopatrywania w paliwo okrętowych silników diesla przy użyciu oleju ciężkiego i lekkiego. W celu łatwiejszego transportu oleju i wprowadzenia go do komory spalania, jest on uprzednio silnie podgrzewany. Tym samym łożyska wrzecion tłoczących pompy są narażone na działanie wysokich temperatur.

Aby móc bezpiecznie wdrożyć pożądaną, prostą koncepcję łożyska, a mianowicie łożysko kulkowe zwykłe z uszczelkami, przeprowadzono analizę teoretyczną. Z szacowaną początkowo przez klienta temperaturą łożyska wynoszącą +150°C nie udało się jednak osiągnąć zadowalającego rozwiązania. Obliczony na podstawie takiej temperatury roboczej okres użytkowania smaru i związana z nim żywotność łożyska były znacznie poniżej wymaganych wartości.

Po konsultacji z klientem przeprowadzono pomiar temperatury w jednostce doświadczalnej, w celu ustalenia rzeczywistych warunków eksploatacyjnych. Wynikiem była maksymalna temperatura łożyska wynosząca „zaledwie” +130°C. Wybór odpowiedniego dla tego zakresu temperatur środka smarnego, dokonany wspólnie ze znanym producentów środków smarnych, oraz maksymalizacja zawartej w łożysku ilości smaru pozwoliły na osiągnięcie wymaganego okresu użytkowania.

Podsumowanie

Jak wynika z przytoczonych powyżej przykładów, niewielkie dopasowanie w zakresie smarowania pozwala znacząco poprawić bezpieczeństwo eksploatacji i trwałość łożyska. Oznacza to także redukcję kosztów względnie ewentualnych kosztów następstw przedwczesnej dysfunkcji łożyska. Ogólnie należy przyjąć, że im wcześniej zostanie przeanalizowana kwestia smarowania, tym łatwiej i taniej będzie można zapobiec potencjalnym problemom!

Autorzy:

Daniel Stöckl i Klaus Grissenberger, specjaliści ds. technicznych w NKE Austria GmbH w Steyr.
Więcej informacji; www.nke.at

Internet: www.nke.at