• config

    Smarowanie łożysk tocznych

     

    Nieprawidłowe smarowanie lub jego brak jest przyczyną przeszło połowy przedwczesnych awarii łożysk tocznych stosowanych w maszynach i urządzeniach. Aby zapewnić długotrwałe i niezawodne działanie węzłów łożyskowych, konieczne jest zwrócenie uwagi na takie aspekty, jak dobór odpowiedniego środka smarnego, prawidłowy sposób smarowania, dobór odpowiedniej ilości środka smarnego, a także okresowe badania stanu nasmarowania łożyska i cykliczne aplikowanie środka smarnego.

     

    Dlaczego smarujemy?

    W łożyskach tocznych dominuje tarcie toczne, które występuje podczas obtaczania się elementów tocznych po bieżniach łożyska. Aby zminimalizować ryzyko przyspieszonego zużywania się powierzchni elementów tocznych wywołanego bezpośrednim kontaktem między powierzchniami elementów tocznych, bieżni, koszyków i innych elementów łożyska, konieczne jest zapewnienie odpowiednich warunków smarowania. Smarowanie łożysk pozwala na wytworzenie warstwy środka smarnego na powierzchniach współpracujących, zapobiegając nie tylko zjawisku nadmiernego tarcia tocznego i przegrzewaniu się łożyska, ale również ochronę przed korozją i wnikaniem zanieczyszczeń. Na zagadnienie zapewnienia prawidłowego smarowania łożysk należy zwracać szczególną uwagę, jeśli działają one w ciężkich warunkach, w tym m.in.:

    • w skrajnie wysokich lub niskich temperaturach,
    • przy silnym obciążeniu,
    • przy wysokich prędkościach obrotowych,
    • przy dużym zanieczyszczeniu i zapyleniu otoczenia,
    • przy występowaniu silnych, ciągłych wibracji,
    • w obecności wody lub pary wodnej,
    • w środowisku narażonym na silnie oddziałujące substancje chemiczne.

    Zbyt rzadkie smarowanie lub jego brak i nieodpowiednia jakość i ilość podawanego środka smarnego powodują najczęściej nadmierne zużycie ścierne i/lub zmęczeniowe bieżni pierścieni i elementów tocznych łożyska, co ostatecznie prowadzi do skrócenia czasu życia łożyska.

    Czym smarować?

    Do smarowania łożysk tocznych stosuje się dwa rodzaje środków smarnych – oleje i smary plastyczne. Rodzaj smarowania zdeterminowany jest przez konstrukcję maszyny, a w szczególności jej węzłów łożyskowych, a także przez warunki działania łożysk, takie jak temperatura, przenoszone obciążenia i prędkość obrotowa. Oleje znajdują zastosowanie w przypadku, gdy smary plastyczne nie spełniają wymagań stawianych środkowi smarującemu lub gdy ze względu na smarowanie innych zespołów maszyn (np. kół zębatych) jest on jednocześnie wykorzystywany do smarowania łożysk tocznych. Porównanie rodzajów smarowania w kontekście warunków działania łożyska zaprezentowano w tabeli 1.

    Tab. 1. Porównanie smarowania olejem i smarem (na podstawie [4])


    Smarowane olejem

    Smarowanie olejem jest najlepszym rozwiązaniem przy łożyskach działających przy dużych prędkościach granicznych, dużych obciążeniach i wysokiej temperaturze. Do smarowania stosuje się wysoko rafinowane oleje mineralne i oleje syntetyczne z dodatkami lub bez, tworzące film olejowy o dużej wytrzymałości oraz charakteryzujące się znakomitą odpornością na utlenianie i korozję. Podstawowym parametrem charakteryzującym oleje stosowane do smarowania łożysk tocznych jest lepkość kinematyczna w temperaturze 40°C, najczęściej określana za pomocą klasy lepkości (VG) według ISO 3448. Przykładowo dla węzłów łożyskowych działających w temperaturze 50–80C, przy lekkim lub umiarkowanym obciążeniu i z prędkością obrotową w zakresie 50–100% prędkości granicznej łożyska zaleca się stosowanie olejów łożyskowych lub turbinowych o klasach lepkości VG 46–100, co odpowiada przedziałowi lepkości od 41,4–110 mm2/s. Lepkość oleju spada wraz ze wzrostem temperatury łożyska, dlatego konieczne jest dokładne oszacowanie zakresu temperatur działania łożyska. Jeżeli lepkość będzie za niska, nie utworzy się odpowiedni film olejowy, co z kolei spowoduje nadmierne zużycie i ścieranie podzespołów łożyska. Jeżeli zaś lepkość będzie zbyt wysoka, środek smarny może powodować nadmierne tarcie prowadzące do zwiększania temperatury łożyska i znaczących strat energii. W maszynach pracujących w szerokim zakresie temperatur poza lepkością nie bez znaczenia jest również temperatura płynięcia oleju, która powinna być niższa od minimalnej temperatury uruchamiania łożyska o ok. 10°C. Szczegółowe zalecenia dotyczące sposobu doboru oleju dla odpowiedniej aplikacji można znaleźć w katalogach i poradnikach producentów środków smarnych [2, 6].

    Smarowanie olejem może być realizowane kilkoma metodami [3]:

    • smarowanie w kąpieli olejowej – stosowane przy niskich i średnich prędkościach. Przy tej metodzie zaleca się, aby poziom oleju sięgał do połowy najniżej położonego elementu tocznego. W tym rodzaju smarowania ważną rolę odgrywa przeziernik lub bagnet w celu kontroli właściwego poziomu oleju,
    • smarowanie rozbryzgowe – polega na rozbryzgiwaniu oleju na łożyska przez dodatkowe elementy konstrukcyjne, jak odrzutniki lub działające na łożyskowanym wale obracające się podzespoły mechaniczne, np. koła zębate,
    • smarowanie z wymuszonym obiegiem oleju – w metodzie tej olej jest dostarczany z jednej strony łożyska, przepływa przez nie i jest odprowadzany z drugiej strony, po czym jest schładzany w zbiorniku, a następnie pompowany przez filtr ponownie do łożyska. Metoda ta stosowana jest głównie w aplikacjach wymagających dużych prędkości, gdzie łożyska wymagają chłodzenia i pracują w wysokich temperaturach,
    • smarowanie z wtryskiem oleju – polega na rozpryskiwaniu oleju pod ciśnieniem z jednej lub kilku dysz bezpośrednio do wnętrza łożyska. Smarowanie to stosuje się w przypadku łożysk obracających się z bardzo dużymi prędkościami (np. łożyska w silnikach odrzutowych),
    • smarowanie mgłą lub rosą olejową – polega na podawaniu małych i stałych ilości oleju do przewodów smarujących, którymi przepływa ze stałą prędkością sprężone powietrze. Mgła tworzona jest przez porywanie i rozdrobnienie oleju na małe kropelki przez powietrze wypływające z dyszy przewodu, natomiast rosa powstaje przez wyrzucanie większych kropelek przez powietrze z przewodu, po którego ściankach pełza pod wpływem płynącego w nim powietrza olej. Ten rodzaj smarowania jest stosowany do łożysk działających z bardzo dużymi prędkościami (np. we wrzecionach obrabiarek).

    Do głównych zalet smarowania olejem należy zaliczyć m.in. dobrą cyrkulację smaru w łożysku, dobrą stabilność parametrów fizykochemicznych środka smarnego w czasie, dobre chłodzenie i łatwą kontrolę objętości i poziomu. Smarowanie olejem ma również pewne wady, wśród których można wymienić konieczność stosowania kompletnych uszczelnień, podatność na korozję i zawilgocenie w przypadku dłuższych postojów, a także nieustalone warunki smarowania przy rozruchu maszyny w przypadku smarowania z wymuszonym obiegiem.

    Smarowanie smarem plastycznym

    Łożyska toczne najczęściej smarowane są smarami plastycznymi będącymi roztworami oleju bazowego (mineralnego, syntetycznego, roślinnego lub ich mieszanin) i zagęszczacza (mydła metali, polimery, stałe węglowodory, a także substancji nieorganicznych, np. bentonitów, żeli krzemionkowych itp.). Olej bazowy to zwykle 70–90%, a zagęszczacz 10–25% objętości [5, 6]. W niektórych smarach stosowane są również dodatki poprawiające właściwości eksploatacyjne, modyfikatory struktury, wypełniacze, które mogą stanowić 1–5% objętości. Oleje bazowe zapewniają właściwości smarne, zagęszczacze sprawiają, że oleje bazowe uzyskują konsystencję półstałą, zaś dodatki poprawiają różne wymagane charakterystyki. Zastosowanie smarów plastycznych zdecydowanie upraszcza konstrukcję węzłów łożyskowych pod kątem uszczelnień, zapewnia większą czystość maszyn, prostotę montażu łożysk i ich obsługę, szczególnie w przypadku stosowania łożysk nasmarowanych i uszczelnionych fabrycznie przez producenta. Smar plastyczny łatwiej utrzymywany jest w łożyskach przy skośnym lub pionowym układzie wałów, a ponadto smar poprawia uszczelnienie łożyskowania przed przenikaniem zanieczyszczeń, wilgoci lub wody. Do wad stosowania smarów plastycznych należy zaliczyć istnienie większego niż w przypadku oleju współczynnika tarcia, mniejszych zdolności w odprowadzaniu ciepła, trudności w oszacowaniu ilości i jakości samaru w działającym łożysku, a także ryzyka przesmarowania i niedosmarowania łożyska przez niedostatecznie wyszkolony personel utrzymania ruchu.

    Najważniejszymi czynnikami, które należy brać pod uwagę przy doborze smaru, są m.in. :

    • konsystencja,
    • lepkość oleju bazowego,
    • typ łożyska (igiełkowe, kulkowe, baryłkowe itd.),
    • warunki pracy, takie jak:
      • średnie obciążenie łożyska,
      • prędkość obwodowa łożyska,
      • współczynnik prędkości (n*dm) będący iloczynem maksymalnych obrotów n [min-1] i średniej średnicy łożyska dm [mm],
    • czynniki atmosferyczne (wilgotność, czynniki korozyjne),
    • maksymalną i minimalną temperaturę pracy.

    Większość urządzeń może być smarowana smarem w klasie konsystencji NLGI 2. Współczesne smary w tej klasie konsystencji są stabilne w temperaturach 100–130°C, a powszechnie stosowane kompleksowe smary litowe do temperatury 140–180°C. Smar o klasie konsystencji NLGI 2 może również być przetłaczany w większości systemów centralnego smarowania. Własności smarów plastycznych klasyfikowane są według normy ISO 6743/9, która definiuje również sposób oznaczania smarów. Przykładowo oznaczenie ISO-L-XBEGB-2 wskazuje na: klasę środka smarnego (L), rodzinę smarów (X), najniższą temperaturę pracy (B) wynoszącą –20°C, najwyższą temperaturę pracy (E) wynoszącą +160°C, dopuszczalny kontakt smaru z wodą i brak wymogu ochrony przed rdzewieniem (G), przeznaczenie do dużych obciążeń (B), klasę konsystencji według NLGI = 2.

    Zarówno niedostateczne, jak i nadmierne napełnienie łożyska smarem niekorzystnie wpływa na trwałość łożyska, dlatego bardzo ważnym zagadnieniem jest w miarę dokładne oszacowanie ilości aplikowanego do łożyska smaru. Warto również pamiętać o tym, że niewystarczające napełnienie łożyska smarem jest mniej szkodliwe. Według poradnika firmy Total [5] w przypadku nowego, dotychczas niesmarowanego łożyska, przyjmuje się, że smar powinien zapełniać 30–50% wewnętrznej, swobodnej przestrzeni łożyska, obliczanej według wzoru:

    V = (Π/4) * B * (D2 – d2) * 10–9 – (G/7800) [m3]

    gdzie:

    d – wewnętrzna średnica łożyska [mm],

    D – zewnętrzna średnica łożyska [mm],

    B – szerokość łożyska [mm],

    G – waga łożyska [kg].

    Według firmy SKF podczas rozruchu łożysko powinno być całkowicie wypełnione smarem, a wolną przestrzeń w oprawie należy tylko częściowo wypełnić smarem. Przed rozpoczęciem pracy z maksymalną prędkością należy odczekać, aż nadmiar smaru w łożysku ułoży się w oprawie lub wypłynie. Pod koniec procesu „docierania się” smaru temperatura robocza łożyska zwykle spada, co świadczy o prawidłowym ułożeniu się smaru w łożyskowaniu. Jeżeli jednak łożyska mają pracować z małą prędkością obrotową i wymagana jest dobra ochrona przed zanieczyszczeniami i korozją, to zaleca się wypełnić smarem całą wolną przestrzeń w oprawie.

    W najczęściej występujących przypadkach łożyska podlegają dosmarowywaniu poprzez systematyczne podawanie odpowiedniej dawki smaru. Ilość smaru może być obliczona na podstawie jednego z podanych wzorów [5]:

    • gdy przesmarowanie realizowane jest okresowo, w trakcie eksploatacji:

    m1 = D * B * x [g]

    gdzie:

    – x przyjmuje wartość zależną od okresu powtarzania operacji dosmarowywania:

    • tygodniowo x = 0,002,
    • miesięcznie x = 0,003,
    • rocznie x = 0,004,

    • gdy okresy międzyobsługowe są bardzo krótkie:

    m2 = (0,5…20) * V [kg/h],

    • gdy łożyska są uruchamiana po kilku latach postoju

    m3 = D * B * 0,01 [g].

    Jakość nasmarowania łożyska może być określona na podstawie inspekcji z zastosowaniem mierników ultradźwiękowych, które również są bardzo skutecznym narzędziem podczas przesmarowywania łożysk. Odpowiednio przeszkolony i doświadczony operator takiego zestawu, na podstawie sygnałów ultradźwiękowych transformowanych do pasma akustycznego, jest w stanie rozpoznać stan nasmarowania łożyska, a następnie precyzyjnie dawkować smar do chwili uzyskania optymalnego stanu nasmarowania.

     

    Jak smarować?

    Smarowanie łożysk może odbywać się w sposób ręczny lub zautomatyzowany. Ręczny sposób smarowania jest tradycyjnym i tanim rozwiązaniem. Do smarowania ręcznego wykorzystuje się tradycyjne smarownice mechaniczne, pneumatyczne oraz smarownice elektryczne zapewniające precyzyjne dawkowanie środka smarnego. Smarowanie ręczne wykonywane skrupulatnie i z zastosowaniem wcześniej opisanych narzędzi kontroli stanu nasmarowania bazujących na ultradźwiękach jest rozwiązaniem skutecznym. W praktyce jednak, gdy istnieje duża liczba punktów smarowniczych i/lub znajdują się one w miejscach trudno dostępnych i niebezpiecznych, smarowanie ręczne nie jest rozwiązaniem optymalnym. Ponadto przy stosowaniu smarowania ręcznego istnieje ryzyko pominięcia punktu smarowniczego czy też przesmarowanie lub niedosmarowane łożyska. Ten sposób smarowania warto stosować w przypadku węzłów smarowniczych maszyn pomocniczych, w których awaria łożyska wywołana błędami w smarowaniu nie spowoduje zatrzymania produkcji.

    Bardzo skuteczną i chętnie stosowaną alternatywą dla tradycyjnego smarowania ręcznego jest smarowanie automatyczne. Smarowanie automatyczne redukuje czas potrzebny na konserwacje oraz koszty eksploatacyjne, zwiększając jednocześnie bezpieczeństwo personelu i maszyn. Smarowanie automatyczne może być realizowane przez stosowanie lokalnych jedno- i wielopunktowych smarownic rozproszonych lub układów centralnego smarowania.

     

    Automatyczne lokalne smarowanie jedno- i wielopunktowe

    Lokalne smarowanie polega na montażu bezpośrednio lub w pobliżu punktu smarowniczego smarownicy automatycznej, która dostarcza z zadanym interwałem czasowym stałą, dokładnie odmierzoną dawkę smaru. Ze względu na niskie koszty powszechnie stosowanymi rozwiązaniami są smarownice automatyczne jednopunktowe oferowane zarówno przez producentów łożysk tocznych, jak również producentów smarów. Przy doborze smarownicy automatycznej podstawowym kryterium jest rodzaj smaru znajdującego się w zasobniku, jednak nie bez znaczenia jest również istota działania smarownicy, szybkości działania oraz pojemności zasobnika urządzenia determinującego czas działania. Ze względu na istotę działania można spotkać smarownice mechaniczne sprężynowe, gazowe aktywowane chemicznie lub elektrochemicznie, a także smarownice elektromechaniczne. Większość ze smarownic można stosować wielokrotnie, aczkolwiek są również urządzenia jednorazowego działania. Każde rozwiązanie ma swoje wady i zalety, jednak wszystkie zapewniają systematyczne i ciągłe podawanie smaru do węzła łożyskowego w trakcie swojego działania, a do obowiązków służb utrzymania ruchu należy systematyczne uzupełnianie środka smarnego i materiałów eksploatacyjnych (baterii, aktywatorów chemicznych itp.).

    W przypadku smarowania wielopunktowego wykorzystywane są smarownice elektromechaniczne z blokiem podzielnika progresywnego, pozwalającego jednocześnie zasilać w smar 6–8 punktów smarowniczych znajdujących się w niewielkiej odległości od siebie. Smarownice układów wielopunktowych wytwarzają większe ciśnienie robocze w celu doprowadzenia smaru do wszystkich punktów. Układy wielopunktowe są proste w instalacji i stanowią namiastkę małych układów centralnego smarowania. Doskonale nadają się do zastosowań w małych i średnich halach maszyn.

    Układy centralnego smarowania

    Układy centralnego smarowania są instalacjami dystrybucji i podawania środka smarnego w sposób ciągły do wszystkich objętych smarowaniem punktów, których liczba w zależności od typu układu może dochodzić nawet do 800. Środek smarny podawany jest do każdego punktu w ilości precyzyjne odmierzonej bez względu na umiejscowienie i środowisko pracy węzła łożyskowego. Wiele nowoczesnych maszyn (np. obrabiarki) posiada zabudowane nowoczesne układy centralnego smarowania. Na polskim rynku istnieje wiele firm oferujących usługi projektowania i dostawy układów centralnego smarowania pod kątem smarowania nowych maszyn i zastępowania tradycyjnego podejścia do smarowania. Prawidłowo zaprojektowany i skonfigurowany układ centralnego smarowania gwarantuje optymalne warunki działania węzłów łożyskowych oraz innych par kinematycznych wymagających smarowania, a jego obsługa ogranicza się do uzupełniania zbiornika środka smarnego i monitorowania prawidłowość działania układu. Dodatkowo, na podstawie obserwacji lub inspekcji punktów smarowania, wprowadza się korekty wydajności pompy smarowej w celu dostosowania ilości podawanego środka smarnego do potrzeb maszyny i uniknięcia jego wycieków. Układy centralnego smarowania budowane są w kilku odmianach, a mianowicie jako układy:

    • jedno-, dwu- i wieloliniowe,
    • progresywne,
    • mieszane dwu- lub wieloliniowe z układem progresywnym,
    • obiegowe,
    • natryskowe,
    • impulsowe.

    Układy jednoliniowe często wykorzystane są w przemyśle spożywczym i maszynowym do smarowania łożysk i ślizgów. W układach tych środek smarny dostarczany jest przewodem głównym do umieszczonych w układzie szeregowym rozdzielaczy, gdzie mierzy się ilość środka smarnego, a następnie jest on dostarczany do punktów smarowania. W zależności od typu zastosowanych rozdzielaczy operacja ta następuje podczas lub po zakończeniu cyklu pompowania.

    Dwuliniowe układy smarowania sprawdzają się idealnie przy obsłudze maszyn posiadających dużą liczbę punktów smarowania (ponad 200). Układy tego typu znajdują zastosowanie zwłaszcza przy smarowaniu ciągów technologicznych. Układy dwuliniowe zostały zaprojektowane z myślą o stosowaniu na dużą skalę, na maszynach pracujących w trudnych warunkach środowiskowych. Systemy dwuliniowe oparte są na dwóch głównych liniach uruchamianych na przemian za pomocą zaworu. Cykl smarowania zakończony jest w momencie, gdy w obu liniach nastąpi wzrost ciśnienia. W systemie każdy rozdzielacz sterowany jest niezależnie od innych, dzięki czemu w przypadku zablokowania jednego z punktów nie ma to wpływu na funkcjonowanie pozostałych elementów.

    Układy progresywne umożliwiają pełną kontrolę procesu smarowania i najlepiej funkcjonują w małej i średniej wielkości maszynach, posiadających do 200 punktów smarowania. Długość linii nie powinna przekraczać 15 m. Tego rodzaju układy bardzo dobrze sprawdzają się w smarowaniu maszyn budowlanych, prasach, maszynach pakujących oraz pojazdach i maszynach rolniczych. Podstawą systemu są rozdzielacze progresywne obsługujące wyjścia, do których podawany jest pod ciśnieniem uprzednio precyzyjnie odmierzony środek smarny.

    Układ obiegowy, natryskowy i impulsowy realizują wcześniej opisane w artykule sposoby smarowania olejem. Porównanie wybranych właściwości układów centralnego smarowania przedstawiono w tabeli 2.

    Tab. 2. Własności różnych rozwiązań układów centralnego sterowania

     

    Podsumowanie

    Przedstawione w artykule zagadnienia nie wyczerpują tematyki smarowania łożysk tocznych. Szczegółowe informacje odnoszące się do smarowania konkretnych łożysk działających w określonych warunkach eksploatacyjnych można znaleźć w katalogach liczących się producentów łożysk i środków smarnych. Ciągłe badania w zakresie optymalizacji smarowania i doskonalenia własności środków smarnych pozwalają na tworzenie coraz lepszych rozwiązań technicznych, które na bieżąco znajdują zastosowanie w praktyce przemysłowej. Przykładem mogą być wypełnienia SolidOil czy też niewymagające smarowania łożyska z nowoczesnych materiałów (syntetyczne, ceramiczne).

    Literatura

    Brammer S.A. Układy centralnego smarowania – jeden system – wiele korzyści. http://www.brammer.com.pl.

    Dudek A. Oleje Smarowe Rafinerii Gdańskiej. GMET-PRESS, Gdańsk 1997.

    Krzemiński-Freda H. Łożyska toczne. PWN, Warszawa 1989.

    NSK Technical Insight. Smarowanie – zmniejszenie tarcia i zużycia łożyska. Publikacje NSK Europe.

    Podniało A. Paliwa, oleje i smary w ekologicznej eksploatacji. WNT, Warszawa 2002.

    TOTAL. Przemysłowe środki smarne. Katalog, edycja 2002.


    dr hab. inż. prof. ndzw. Marek Fidali, Politechnika Śląska, AdEnSo

    Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

    Background Image

    Header Color

    :

    Content Color

    :