Łożyska bezolejowe (tuleje) i ich zastosowanie

1. Wstęp

Rys. 1: Tuleja z osadzonym smarem stałym

Łożyska bezolejowe z zatopionymi smarami stałymi (Rys. 1) są bezobsługowe i stosowane w warunkach, w których łożyska kulkowe nie mogą być stosowane ze względu na duże obciążenia (ciśnienie statyczne, zmienne ciśnienie) lub obciążenia udarowe. Są również często używane w trudnych warunkach, które skracają żywotność łożysk, takich jak:

  • Wysokie temperatury

  • Obszary zapylone

  • Aplikacje morskie

  • Roztwory chemiczne

  • Niska prędkość ruchu

  • W miejscach gdzie wymagana jest oszczędność miejsca

W ostatnich latach wzrosło zapotrzebowanie na solidne łożyska, które można stosować przy wyższych prędkościach lub w trudnych warunkach (brud, wysokie temperatury, ...).

2. Stałe smarowanie

Rys. 2: Struktura kryształu grafitu

Stałym smarem osadzonym w łożyskach jest grafit, który ma strukturę krystaliczną (hcp) i małą wytrzymałość na ścinanie (Rys. 2).

Grafit jest stabilny chemicznie i ma doskonałą stabilność termiczną. Może być używany w zakresie temperatur od 200° do 400°C (bez dodatkowego chłodzenia).

Podczas ślizgu grafit jest uwalniany z kieszeni grafitowych i przenoszony na materiał współpracujący, tworząc smarowaną powierzchnię o niskiej wytrzymałości na ścinanie (Rys. 3).

W niektórych przypadkach łożyska bezolejowe są również stosowane z grafitem nasączonym olejem (tylko na zamówienie) w celu dalszej poprawy właściwości ślizgowych (tarcie, zużycie, właściwości przeciwzatarciowe).

Rys. 3: Uwolnienie i transfer grafitu

3. Łożyska o wysokiej wydajności

Rys. 4: Bearing wear process

Na ogół materiały ślizgowe przechodzą z początkowego okresu docierania (I) do stanu ustalonego o niskim współczynniku tarcia (II) (Rys. 4). Oznacza to, że zdolność do szybkiego osiągnięcia stanu ustalonego i mniejszego tarcia ma kluczowe znaczenie dla łożysk o wysokiej wydajności. Obliczany jest współczynnik tarcia powierzchni ciernej ze smarami stałymi za pomocą poniższego wzoru:

  μ = τ0 / PH    

Należy zauważyć, że τ0 oznacza wytrzymałość filmu smarnego na ścinanie, a PH oznacza twardość powierzchni bazowej.

Opierając się na formule , chcieliśmy stworzyć wysokowydajne łożyska o odporności na zużycie i niskim współczynniku tarcia poprzez rozproszenie twardych cząstek w stopie metalu podstawowego. Twarde cząstki rozproszone w stopie miedzi polerują przylegające metale i występy na materiale współpracującego w obszarze początkowego okresu docierania (I), aby zapewnić gładkie powierzchnie.

W obszarze stanu ustalonego o niskim tarciu (II), osadzony grafit jest rozładowywany, aby stworzyć stały stan smarowania o niskim tarciu. W tym czasie współczynnik tarcia również maleje, ponieważ PH we wzorze jest wyższe niż twardość normalnego stopu, co zapobiega przemieszczaniu się materiału do obszaru zniszczenia zmęczeniowego (III).

Jak już opisano, doskonała odporność na zużycie i niskie tarcie są zapewnione dzięki rozproszeniu twardych cząstek w metalu nieszlachetnym ze stopu miedzi.

4. Łożyska o podwyższonej wydajności

W odpowiedzi na prośbę klientów opracowaliśmy łożyska o podwyższonej wydajności (SO#50SP8 i SO#50SP13) poprzez zwiększenie stopnia twardości stopów miedzi, które zostały użyte jako materiały łożyskowe, oraz rozproszenie w nich twardych cząstek (Tabela 1) .

Tabela 1: Materials and applications of Oilless Bearings
Klasyfikacja
Nazwa
Material No.Application
Mosiądz o wysokiej wytrzymałości SO#50SP2
(CuZn25Al or eq)
Zakłady produkcji samochodów
(używany do wielu celów)
SO#50 SP3 Maszyny budowlane
(wysoka trwałość)
SO#50SP8 Wtryskarka
(doskonałe właściwości biegowe i odporność na zużycie)
Brązy aluminiowe SO#50SP5 Żuraw zewnętrzny, turbina wodna, brama wodna
(duże obciążenia)
SO#50SP7 Walec młyna
(bardzo wysoka wytrzymałość na ściskanie)
SO#50SP13 Walec stalowy, rolka rusztowa
(doskonała odporność na ciepło i odporność na zużycie)

5. Charakter łożysk o podwyższonej wydajności

Rys. 5: Odporność na zużycie stopu SO#50SP8

(1) Łożyska bezolejowe o doskonałej odporności na zużycie do zastosowań o dużym obciążeniu

Na rys. 5 przedstawiono odporność na zużycie łożyska wykonanego z wysokowytrzymałego stopu mosiądzu i miedzi (SO#50SP8) z rozproszonymi cząstkami twardymi (wyniki uzyskane w teście ślizgowym).

W porównaniu z SO#50SP2 (odpowiednik CAC304), który jest bardzo wytrzymałym stopem mosiądzu i miedzi, który ma wyższą odporność na zużycie niż inne materiały łożyskowe, stopień zużycia SO#50SP8, który jest rozproszony w twardych cząstkach, wynosi zaledwie 25% zużycia materiału porównywanego.


Rys. 6: Charakterystyka wysokotemperaturowa SO#50SP13

Warunki testowe:

  • Nacisk powierzchniowy: 50N/mm²

  • Prędkość przesuwania: 1m/min

  • Brak smarowania

  • Materiał odpowiednika: C45 + hartowanie indukcyjne (≥ HRC50)

(2) Łożyska bezolejowe do środowisk o wysokiej temperaturze

Oleju i smaru nie można stosować do smarowania, ponieważ ulegają one zniszczeniu w wysokiej temperaturze.
Stopień twardości materiałów z mosiądzu o wysokiej wytrzymałości (SO#50SP2) znacznie spada, gdy temperatura jest wyższa niż 200°C.

Wielkość spadku twardości dla SO#50SP13, który jest bezolejowym łożyskiem wykonanym z brązu aluminiowego z rozprozonymi twardymi cząstkami w zakresie od 200° do 300°C jest bardzo mała. Dlatego też stop może być używany w środowiskach o wysokiej temperaturze (Rys. 6).


SO#50SP2 (eq. to CAC304)
Twardość: ≥ HB 210

SO#50SP13
Twardość: ≥ HB 280

Rys. 7: Stan tulei pokrytych popiołem

(3) Bezolejowe łożyska o doskonałej wytrzymałości

Brąz aluminiowy ma doskonałą odporność na korozję w wysokich temperaturach.
Znajduje zastosowanie w procesach suszenia, spalania i dopalania jako materiał ślizgowy rusztów w spalarniach.
Stosowany jest również na tuleje dźwigni popychacza na urządzeniu wypychającym popiół spalonego spod wody (środowisko, w którym mokry popiół spalenizny dostaje się na tuleję).

Rys. 7 przedstawia porównanie między SO#50SP2 (odpowiednik CAC304) i SO#50SP13.
Obie były używane jako tuleje dźwigni popychacza przez rok. Twardość tulei SO#50SP2 znacznie się zmniejszyła w porównaniu z jej twardością w momencie produkcji (HB 210 i więcej), a na krawędzi występują uszkodzenia spowodowane korozją.

Z kolei SO#50SP13 nie wykazuje korozji ani spadku twardości, a powierzchnia pod klejem jest w dobrym stanie z niewielkim zużyciem. Twarde cząstki o odpowiedniej twardości utrzymują niewielkie zużycie materiału odpowiednika, wykazując doskonałą wytrzymałość.

6. Wnioski

Istnieją dwa rodzaje łożysk bezolejowych z osadzonymi smarami stałymi (grafit).

Jednym z nich są łożyska mosiężne o wysokiej wytrzymałości i doskonałych właściwościach pracy, a drugim łożyska z brązu aluminiowego o doskonałej wytrzymałości.

Łożyska SO#50SP8 i SO#50SP13, które są wykonane z metali nieszlachetnych z rozproszonymi cząstkami twardymi, wykazują doskonałą odporność na zużycie i wytrzymałość w wysokich temperaturach

Mogą być również używane w specjalnych środowiskach, w których nie można zastosować zwykłych łożysk.
Powstają one dzięki synergicznemu działaniu grafitu (stały środek smarny) i wysokowydajnych materiałów bazowych i wykazują wysoką zdolność adaptacji.

Pola oznaczone * są wymagane.