Jak dobrać łożyska ślizgowe? Przegląd rodzajów, materiałów i zastosowań w przemyśle

Wszędzie tam, gdzie inżynierowie napotykają na ekstremalne obciążenia uderzeniowe, drgania lub dramatyczny brak przestrzeni montażowej, tradycyjne łożyska z kulkami lub wałeczkami muszą ustąpić miejsca łożyskom ślizgowym (najczęściej występującym w formie tulei).

Zasada ich działania jest banalnie prosta: wał obraca się lub przesuwa bezpośrednio wewnątrz otworu łożyska, a tarcie redukowane jest poprzez warstwę smaru, specjalny materiał lub powłokę teflonową. Brak ruchomych elementów tocznych czyni je niemal niewrażliwymi na wstrząsy. Jakie są rodzaje łożysk ślizgowych i z jakiego materiału tuleję wybrać do konkretnej maszyny?

Rodzaje łożysk ślizgowych i ich zastosowanie w przemyśle

Łożyska toczne a ślizgowe – kiedy zrezygnować z kulek?

Wybór między łożyskiem tocznym a ślizgowym to jedna z najczęstszych decyzji konstruktorskich. Łożyska ślizgowe mają ogromną przewagę w trzech specyficznych scenariuszach:

Ekstremalne obciążenia statyczne i uderzeniowe: Kiedy na wał spada potężny ciężar (np. w prasach mimośrodowych, koparkach, kruszarkach), kulki w łożysku tocznym wbiłyby się w bieżnię. Tuleja ślizgowa rozkłada ten nacisk na znacznie większą powierzchnię.
Ograniczona przestrzeń promieniowa: Tuleja ślizgowa ma najczęściej ściankę o grubości zaledwie 1-2 mm. Pozwala to na zastosowanie grubszego (sztywniejszego) wału w tej samej obudowie.
Praca w brudzie i pod wodą: Odpowiednio dobrane polimerowe łożyska ślizgowe mogą pracować w pyle, piasku, a nawet całkowicie zanurzone w wodzie morskiej (woda staje się dla nich chłodziwem i smarem).

3 rodzaje tarcia – fundament doboru łożysk ślizgowych

Aby łożysko ślizgowe nie uległo zatarciu, inżynierowie projektują je do pracy w jednym z trzech reżimów tarcia:

Tarcie suche (Bezobsługowe): Materiał łożyska sam w sobie posiada właściwości smarne. Wykorzystuje się tu wkładki z grafitu, powłoki z PTFE (Teflon) lub specjalne kompozyty polimerowe. Rozwiązanie to wybacza brak konserwacji ze strony służb Utrzymania Ruchu.
Tarcie mieszane: Łożysko wymaga cyklicznego podawania smaru stałego lub oleju. Smar tworzy cienki film, ale w momencie rozruchu i zatrzymania wał przez ułamek sekundy trze o materiał tulei. Powszechne w tulejach z brązu ze smarowniczkami.
Tarcie płynne (Hydrodynamiczne): Wał obraca się z tak dużą prędkością, że samoczynnie "wciąga" olej pod siebie, tworząc klin smarny. Wał dosłownie lewituje na poduszce olejowej, nigdy nie dotykając panewki. Charakteryzuje się nieskończoną żywotnością. Stosowane w potężnych turbinach parowych, generatorach i silnikach spalinowych.

Przegląd materiałów – z czego wykonuje się łożyska ślizgowe?

Materiał, z którego wykonana jest tuleja, w 100% definiuje jej zastosowanie. Poniższa tabela przedstawia najpopularniejsze materiały stosowane w przemyśle:

Materiał tulei	Wymaga smarowania?	Charakterystyka i główne zastosowanie
Brąz / Mosiądz (lite)	TAK	Klasyk w przemyśle ciężkim. Przenosi gigantyczne obciążenia, świetnie odprowadza ciepło. Często posiada rowki smarowe. Zastosowanie: ramiona koparek, prasy, walcarki.
Bimetal / Kompozyt (Stal + PTFE)	NIE (Tarcie suche)	Stalowy korpus zapewnia sztywność, a wewnętrzna warstwa spiekanej warstwy brązu nasączonej teflonem (PTFE) redukuje tarcie do minimum. Bardzo niska cena. Zastosowanie: zawiasy przemysłowe, siłowniki, maszyny rolnicze.
Polimery techniczne	NIE (Tarcie suche)	Tworzywa sztuczne domieszkowane włóknem szklanym i mikrokapsułkami smaru stałego. Całkowicie odporne na korozję, chemikalia i mycie ciśnieniowe. Zastosowanie: przemysł spożywczy (FDA), maszyny pakujące, aplikacje brudne.
Brąz spiekany (Porowaty)	Zwykle NIE	Wykonywane metodą metalurgii proszków. Tuleja jest porowata jak gąbka i w fazie produkcji nasączana olejem (zajmuje on do 30% jej objętości). Podczas pracy olej wypływa na powierzchnię. Zastosowanie: silniki małej mocy, sprzęt AGD, rozruszniki.

Granice możliwości – czym jest parametr $p \cdot v$ ?

Przy doborze łożysk tocznych liczyliśmy żywotność. W przypadku łożysk ślizgowych pracujących na sucho najważniejszym ograniczeniem jest tzw. parametr $p \cdot v$ .

Jest to iloczyn nacisku jednostkowego oraz prędkości poślizgu.

Każdy materiał (np. brąz, teflon, polimer) ma z góry określoną, maksymalną wartość. Wynika to z faktu, że tarcie generuje ciepło. Jeśli obciążenie wału jest bardzo duże, a obraca się on z dużą prędkością, generowane ciepło nie zdąży zostać odprowadzone. Tuleja polimerowa ulegnie stopieniu, a tuleja z brązu zablokuje się na wale (zatarcie).

Zasada jest prosta: Im wyższe obciążenie, z tym mniejszą prędkością może pracować łożysko ślizgowe (i odwrotnie).

3 najczęstsze błędy w montażu i eksploatacji tulei ślizgowych

Smarowanie łożysk bezobsługowych: Tuleje polimerowe lub teflonowe są zaprojektowane do pracy na sucho. Wprowadzenie standardowego smaru litowego często powoduje przyklejanie się brudu i tworzenie "pasty ściernej", która błyskawicznie niszczy plastik.
Niewłaściwa chropowatość wału: Łożyska ślizgowe są niezwykle czułe na jakość powierzchni współpracującej. Wał nie może być zbyt chropowaty (będzie działał jak pilnik i zetrze tuleję), ale nie może być też zbyt gładki (utrudni to osadzanie się filmu smarnego lub teflonu na wale).
Ignorowanie luzu termicznego: Polimery rozszerzają się pod wpływem ciepła znacznie mocniej niż stal. Zastosowanie zbyt ciasnego pasowania wciskowego w obudowie może spowodować zamknięcie się otworu wewnętrznego tulei i zaciśnięcie jej na wale.

Podsumowanie i pomoc w doborze

Łożyska ślizgowe to fundament ciężkiej mechaniki oraz sprytne rozwiązanie dla nowoczesnych, bezobsługowych urządzeń. Prawidłowy dobór pomiędzy litą tuleją z brązu wymagającą centralnego smarowania, a nowoczesną tuleją polimerową potrafi radykalnie zmniejszyć liczbę awarii i obniżyć koszty produkcji.

Masz problem z zacierającymi się sworzniami w ramieniu maszyny? Chcesz wyeliminować kłopotliwe smarowanie i przejść na tuleje suche? Skontaktuj się z naszymi doradcami technicznymi. Zestawimy parametry Twojego węzła tarcia, obliczymy dopuszczalny parametr $p \cdot v$ i zaproponujemy materiał, który sprosta zadaniu.