Novinky: Doporučení NKE: Analýza oblasti použití při výběru maziv pro valivá ložiska — pohybové produkty

Pro spolehlivou funkci valivých ložisek je mazání životně důležitou součástí, ale příliš často se této skutečnosti věnuje malá pozornost. Specialisté na aplikace ložisek Daniil Stoeckl a Klaus Grissenberger z NKE Austria GmbH poskytují v tomto článku užitečné rady na toto téma.

Hlavním účelem maziva je oddělit dotykové kovové povrchy částí ložiska tenkým mazacím filmem, aby se zabránilo zvýšenému opotřebení. Mazací film zároveň snižuje tření a tím i rozptýlený výkon, což má za následek snížení spotřeby energie celého systému.

Asi 40 % všech předčasných selhání ložisek souvisí s problémy s mazáním. Důvody mohou být velmi různé a začneme tím, že se na ně podíváme s chybami při montáži ložisek, jako jsou nedostatečně vyčištěná ložisková sedla, nesprávný výběr typu maziva, poškození těsnění a ochranných podložek a také nesprávná údržba, vyjádřená v předčasné výměně maziva nebo jeho použití příliš mnoho nebo příliš málo. Některé potenciální problémy lze odstranit již ve fázi návrhu ložiskové sestavy s pomocí konstruktérů, kteří často věnují systému mazání ložisek příliš malou pozornost.

Níže jsou uvedeny některé důležité body, které je třeba vzít v úvahu při navrhování systému mazání ložisek a výběru maziva.

Typ a velikost ložiska.

Typ použitého ložiska bude mít obecně významný dopad na jeho požadavky na mazání. Kuželíková ložiska a soudečková ložiska například vykazují kromě valivého tření mezi valivými tělesy a oběžnými drahami kluzné tření mezi vodicí přírubou a čely válečků.

Nedostatečné mazání v těchto oblastech rychle vede k nevratnému poškození styčných ploch, což v konečném důsledku způsobí předčasné selhání ložisek.

U válečkových ložisek, která jsou navržena pro axiální zatížení, dochází ke kluznému tření mezi vodicími přírubami kroužků a konci válečků. Ke kluznému tření dochází také mezi separátorem a valivými tělesy a mezi separátorem a povrchem prstence u prstencově centrovaných separátorů.

Zatížení ložiska.

Klíčový je zde vztah mezi zatížením vznikajícím při provozu ložiska a jeho únosností. Ložiska jsou považována za zatížená již při zatížení 15 % jejich dynamické únosnosti. I při této úrovni zatížení je nutné používat maziva s EP přísadami. Rázová zatížení a vibrace mohou také ovlivnit výběr typu maziva.

Provozní teplota ložiska.

Teplota má rozhodující vliv na viskozitu maziva a následně i na vliv tvorby oddělovací třecí plochy olejového filmu. Aby byl zajištěn spolehlivý provoz ložisek, musí mít zvolené mazivo viskozitu odpovídající jejich provozní teplotě. Stárnutí mnoha maziv na bázi minerálních olejů se rychle zvýší, když ložisko zažije delší provozní teploty nad +70 °C. Tomu se lze vyhnout použitím částečně nebo plně syntetických olejů.

Nízké provozní teploty mají také negativní vliv na mazání. To platí zejména pro maziva na ložiska, protože typická maziva této třídy výrazně tuhnou a tvrdnou při nízkých teplotách, čímž se zvyšuje odolnost ložiska vůči otáčení. Na druhé straně olejové mazání (olejová lázeň) obvykle vede ke zvýšeným ztrátám v důsledku rozstřikování oleje.

V rozumných mezích je také třeba vzít v úvahu špičky provozní teploty ložiska. Při zvažování životnosti maziva, domazávání a domazávacích intervalů vedou přehnané předpoklady nebo nadměrná opatrnost často k příliš konzervativním, a proto nehospodárným konfiguracím uložení ložisek.

Okolní teplota.

Okolní teplota je zvláště důležitá pro stroje a mechanismy s automatickými mazacími systémy. Mazivo obvykle dosahuje nejvyšších teplot v ložisku ve srovnání s vedeními, které je do něj přivádějí. Při nízkých teplotách může mazivo zamrznout v hlavních potrubích do té míry, že již nemohou dodávat dostatečné množství maziva do ložiska.

Rozsah otáček ložisek.

Rychlost ložiska kromě teploty výrazně ovlivňuje také schopnost maziva oddělovat třecí plochy, což následně ovlivňuje volbu viskozity maziva. Zpravidla platí, že čím vyšší rychlost, tím lépe jsou styčné plochy od sebe odděleny, v tomto případě je přípustné použití maziva s nižší viskozitou. Na druhé straně vysoké otáčky ložisek (mezní nebo blízké mezním otáčkám) také vedou ke zvýšenému tření a následně ke vzniku vyšších provozních teplot. V tomto případě je lepší použít cirkulační olejový mazací systém, který je schopen olej chladit a filtrovat.

Při velmi nízkých otáčkách ložiska není vždy možné zajistit vytvoření adekvátního olejového filmu pro úplné oddělení styčných ploch. Krátkodobá rotace ložiska při nízkých otáčkách, například při spouštění zařízení, obecně nepředstavuje zásadní problém. V tomto případě je nejvhodnějším mazivem pro ložisko mazivo s vhodnými přísadami proti oděru a zvýšenému opotřebení.

Možné znečištění ložiska.

Znečištění ložisek může mít různé zdroje. Nečistoty a cizí částice se mohou dostat do ložiska přes těsnění a průduchy, stejně jako opotřebené produkty z okolních částí stroje a částice odpadu z výroby jsou obvykle vždy přítomny uvnitř sestavy ložiska. Samotné mazivo může také obsahovat škodlivé nečistoty, které se tvoří při nesprávném skladování. Kromě toho mohou nečistoty vniknout do ložiska během domazávání a výměny oleje. Mezi znečišťující látky patří kromě cizích částic také vlhkost, prach a chemikálie.

Kromě technických faktorů je třeba vzít v úvahu také finanční náklady na mazivo a sadu samostatného mazacího systému. Aby se dosáhlo ideální rovnováhy mezi technickými konfiguracemi ložiskové sestavy a jejími náklady, musí být požadavky na mazací systém formulovány zvláště pečlivě. Zanedbání určitých aspektů často způsobuje později problémy. Naopak, pokud jsou kladeny příliš vysoké požadavky na mazání nebo nerealistické předpoklady o provozních podmínkách, mohou se náklady na maziva a mazací systém rychle zbytečně zvýšit. Protože se dnes vyrábí poměrně široká škála různých maziv, je lepší výběr ložiska a maziva konzultovat s výrobcem maziv.

Níže jsou uvedeny některé typické příklady mazání valivých ložisek, které demonstrují důsledky a vliv mazání na funkci ložisek.

Příklad 1: válečková ložiska ve vývodové převodovce.

V rámci teoretického zkoumání funkce ložisek ve vývodové převodovce byla provedena důkladná studie jejich mazacích poměrů. Bylo zjištěno, že za daných provozních podmínek byla viskozita maziva příliš nízká na vytvoření dostatečně účinného mazacího filmu. Logickým důsledkem toho bylo zvýšené opotřebení a snížená životnost ložisek. Proto bylo doporučeno použít do převodovky viskóznější olej.

Preventivně byly provedeny praktické zkoušky, při kterých byly dvě identické převodovky pro srovnání naplněny mazacími oleji s různými charakteristikami a byly provozovány po dobu 500 hodin. Při následné kontrole bylo zjištěno vizuálně viditelné zabarvení a zřetelné známky opotřebení na kontaktních pracovních plochách ložisek v převodovce s příliš řídkým olejem. Ložiska, která běžela v převodovce s viskóznějším olejem, nevykazovala žádné známky zvýšeného opotřebení.

Vnitřní kroužek válečkového ložiska po provozu v příliš řídkém oleji.

Vnitřní kroužek válečkového ložiska po provozu ve viskóznějším oleji.

Obavy majitele zařízení, že viskóznější olej v převodovce povede ke zvýšení rozptýleného výkonu, se ukázaly jako neopodstatněné. Naopak převodovka s viskóznějším olejem prokázala nižší energetické ztráty a v důsledku toho i výrazné snížení provozní teploty. To lze přičíst lepšímu oddělení kovových povrchů během provozu, což více než kompenzuje mírně zvýšené tření kapaliny.

Příklad 2: Soudečková ložiska ve vodním čerpadle chladicího systému tepelné elektrárny.

Při zkušebním provozu velkého čerpadla vodního chlazení (odstředivé čerpadlo se svislou hřídelí v monolitickém betonovém plášti) teplota axiálního ložiska hřídele na straně pohonu opakovaně překročila svou přípustnou provozní teplotu, což vedlo k automatickému odstavení čerpadla. Při bližším ohledání byl viník problému identifikován jako mazivo, které nebylo vhodné pro tuto aplikaci. Ložisko bylo mazáno čistým hydraulickým olejem, který svým složením, tedy přítomností potřebných přísad a viskozitou, v žádném případě nesplňuje požadavky na ložisko.

Čerpadlo s betonovou skříní s vertikálním hnacím hřídelem.

Vysoká teplota naměřená v ložisku byla přímým důsledkem kovového kontaktu a důsledkem zvýšeného tření, zejména mezi konci valivých těles a vodicí přírubou ložiskového kroužku v sedle hřídele. To vedlo v krátké době k nevratnému poškození funkčních oblastí ložisek a účinně bránilo jejich spolehlivému dlouhodobému provozu. Ložiska byla často vyměňována za nová se značnými náklady a neproduktivními náklady, které nevyhnutelně vznikají, když je zařízení mimo provoz.

Výměnou mazacího oleje za viskóznější, pro tuto aplikaci po všech stránkách vhodný, bylo u axiálního soudečkového ložiska dosaženo spolehlivějšího oddělení styčných ploch a nižší provozní teploty. V současné době je systém chlazení tepelné elektrárny od roku 2009 v bezporuchovém provozu.

Příklad 3: radiální kuličková ložiska ve šroubovém čerpadle.

Šnekové čerpadlo v tomto příkladu dodává palivo, těžké i lehké frakce oleje, do lodních dieselových motorů. Pro snazší čerpání a vstřikování paliva do spalovacího prostoru motoru se nejprve zahřeje. Proto jsou nosná ložiska šnekového hřídele čerpadla vystavena poměrně vysokým teplotám ohřátého paliva.

Aby bylo možné implementovat nejjednodušší koncepci ložisek požadovanou zákazníkem, tj. radiální kuličkové ložisko s integrovanými těsněními, provedli inženýři teoretickou analýzu instalace. O uspokojivém řešení pro ložisko s provozní teplotou +150°C nemohla být podle předběžných odhadů zákazníka řeč: životnost maziva byla vypočtena na základě této provozní teploty a ve výsledku byla životnost ložiska jednoznačně nižší než požadované hodnoty.

Po dalších jednáních se zákazníkem bylo provedeno měření provozní teploty ložiska ve speciální zkušební sestavě pro zjištění skutečných provozních podmínek. Na základě testů byla stanovena maximální teplota ložiska pouze +130°C. Při výběru maziva pro tento teplotní rozsah bylo ve spolupráci s výrobcem maziva doporučeno zvýšit množství maziva v ložisku, čímž bylo dosaženo požadované životnosti.

Jak je patrné z výše uvedených příkladů, provozní spolehlivost valivých ložisek lze výrazně zvýšit správným posouzením specifik jejich použití a úpravou typu použitého maziva. Obecně platí, že čím dříve se problém s mazivem ložisek vyřeší, tím snazší a méně nákladné je vyhnout se potenciálním problémům se zařízením v budoucnu.