Łożyskowanie toczne i ślizgowe. Taka jest maszyna, jakie są jej łożyska Prof. Vodelpohl

Transkrypt

1 Łożyskowanie toczne i ślizgowe Taka jest maszyna, jakie są jej łożyska Prof. Vodelpohl

2

3 Wybór rodzaju łożyska i sposobu łożyskowania powinien uwzględniać: warunki pracy maszyny, tj. obciążenie, prędkość, temperaturę, ciśnienie, chemiczną agresywność otoczenia, wymagania dotyczące gabarytów, dokładności i precyzji ruchu, luzów, dopuszczalności drgań, hałasu, warunki technologiczne, tj. dostępność materiałów, pracochłonność wykonania, kryteria ekonomiczne, tj. koszt łożyska, jego trwałość, czynności obsługowe, koszt materiałów eksploatacyjnych. Wynika z tego, że wybór właściwego łożyska i łożyskowania, tj. rozmieszczenia, osadzenia, uszczelnienia łożysk, określenia warunków ich użytkowania, jest trudnym etapem projektowania maszyny.

4 Łożyska toczne

5

6

7 Główne typy łożysk tocznych: kulkowe zwykłe, kulkowe skośne, kulkowe dwu rzędowe, nastawne, wałeczkowe, igiełkowe, stożkowe, baryłkowe, wzdłużne kulkowe, igiełkowe, walcowe i baryłkowe.

8

9

10 Nośność dynamiczna C łożyska tocznego wyrażona w dan określa jego zdolność do przeniesienia stałego w czasie obciążenia P dan w założonym okresie czasu wyrażonym w milionach obrotów L [1]. L = C P p L trwałość nominalna łożyska w mln obrotów, C nośność łożyska dan (lub N), P siła obciążająca łożysko dan (lub N), p wykładnik potęgowy wynoszący dla łożysk kulkowych 3, wałeczkowych 10/3. Dla przykładowej maszyny ilość milionów obrotów łożyska można obliczyć mnożąc założoną liczbę lat pracy razy ilość dni w roku razy ilość godzin pracy dziennie razy ilość obrotów w ciągu jednej godziny pracy a ostatecznie dzieląc uzyskany wynik przez jeden milion. L = i lat i dni i godzin ns

11 W wielu przypadkach konieczne jest uwzględnienie wpływu, jaki na trwałość łożyska mają parametry pracy, często znacznie odbiegające od założonych dla trwałości nominalnej, dodatkowo może zaistnieć potrzeba zwiększenia niezawodności maszyny. Dlatego wprowadzono pojęcie trwałości efektywnej Le. L e Ce a a a P = e Wartość współczynnika materiałowego a2 zależy od gatunku i jakości materiału zastosowanego do wykonania pierścieni i elementów tocznych łożysk. Dla typowej stali ŁH15 lub ŁH15SG wynosi on a2=1. W przypadku zastosowania lepszego materiału współczynnik ten może przekroczyć jedność. p

12 Wartość współczynnika warunków pracy a3 zależy przede wszystkim od skuteczności smarowania. Jeżeli środek smarny ma wystarczającą lepkość zapewniającą utworzenie filmu smarnego rozdzielającego powierzchnie styku dodatkowo prawidłowo zmontowany węzeł łożyskowy zabezpieczony jest przed zanieczyszczeniami i wilgocią to współczynnik a3 może być większy od 1. W innym przypadku współczynnik będzie mniejszy od jedności.

13

14 Siłę wzdłużną powstającą w łożysku kulkowym skośnym F lub stożkowym można policzyć ze wzoru: W FA F a = F r 2Y Pojedyncze łożyska kulkowe skośne lub stożkowe nie mogą być obciążone wyłącznie siłą promieniową FR gdyż siła ta dawałaby składową osiową wysuwającą pierścień z łożyska. Z obliczeń teoretycznych wynika, że aby zapobiec wysunięciu pierścienia i równocześnie spowodować, aby połowa obwodu bieżni była obciążona, należy przyłożyć obciążenie osiowe w kierunku przeciwnym do reakcji składowej od obciążenia promieniowego o wartości: r a F A = 1,25 tg α ( ) FR Dla łożyska stożkowego: e = 1, 5 tg( α )

15 Rodzaj łożyska Łożyska kulkowe zwykłe* Łożyska j jednorzędowe Łożyska dwurzędowe F a F a / F r /C o < e F a / F r > e F a / F r < e F a / F r > e e X Y X Y X Y X Y 0,01 4 2,3 2,3 0,19 0,02 8 1,99 1,99 0,22 0,05 6 1,71 1,71 0,26 0,08 4 1,55 1,55 0,28 0, ,56 1, ,5 6 1,45 0,3 0,17 1,31 1,31 0,34 0,28 1,15 1,15 0,38 0,42 1,04 1,04 0,42 0, ,44 Kulkowe wahliwe α ,4 0,4 ctg α 1 Stożkow e; α ,4 0,4 ctg α 1 0,42 ctg α 0,45 ctg α 0,6 5 0,6 7 0,65 ctg α 0,67 ctg α 1,5 tg α 1,5 tg α

16 Układ O zapewnia bardzo sztywne łożyskowanie. Obciążenie osiowe jest przenoszone w obu kierunkach a dodatkowo układ może przenosić moment w płaszczyźnie przechodzącej przez oś łożyska. Układ X również przenosi obciążenia osiowe w obu kierunkach jednak gorzej moment, dlatego stosowany jest gdy wymagana jest większa podatność układu.

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36 Łożyska ślizgowe

37 W praktyce spotyka się dużą różnorodność łożysk ślizgowych wynikającą z wielkości (średnice czopa od ułamka milimetra do kilku tysięcy milimetrów), obciążenia (co do kierunku, wartości i zmienności w czasie), prędkości obrotowej, ogólniej - ruchu (może być obrotowy lub wahadłowy), a przede wszystkim rodzaju tarcia. Ta różnorodność konstrukcji łożysk zmusza do dokonania optymalnego, przemyślanego wyboru.

38 Cechy geometryczne łożysk dc średnica wału czopa dp średnica wewnętrzna panwi Λ stosunek długości L panwi do jej średnicy wewnętrznej dp δ promieniowy luz łożyskowy g grubość ścianki panwi Ra i Rz chropowatości powierzchni

39 Cechy idealnego materiału łożyskowego Niska wartość współczynnika tarcia. Podatność. Odporność na zatarcie. Wytrzymałość na naciski. Wysoka wytrzymałość zmęczeniową. Odporność na korozję. Dobra przewodność cieplna. Odpowiednia rozszerzalność cieplną. Wysoka trwałość. Dobra obrabialność. Niska cena.

40 Zakres stosowalności i podstawowe parametry materiałów łożyskowych P nacisk w panwi [MPa], v prędkość poślizgu w łożysku ślizgowym [m/s], Pv dopuszczalna wartość iloczynu prędkości i nacisków dla danego materiału, T maksymalna dopuszczalna temperatura pracy dla danego łożyska [C]. Zakresy obciążeń w funkcji prędkości łożysk; l - tworzywa termoplastyczne, 2 - teflon, 3 - teflon z wypełniaczem, 4 - brąz porowaty z teflonem i ołowiem 0,01 0,1 1 [m/s]

41 Podział łożysk 1. Podział łożysk ze względu na rodzaj smarowania: 1.1. łożyska bezsmarowe (samosmarne), 1.2. łożyska smarowane cieczami lub smarami plastycznymi, 1.3. Łożyska o smarowaniu hydrostatycznym lub hydrodynamicznym, 1.4. Łożyska magnetyczne. 2. Podział łożysk poprzecznych ze względu na rodzaj panwi: 2.1. panew metalowa (jednorodna, wielowarstwowa, porowata ew. spiekana), 2.2. panew polimerowa (jednorodna lub kopozytowa ew. wielowarstwowa), 2.3. panew ceramiczna

42 Łożyska bezsmarowe Najczęściej panew wykonana jest z polimerów lub nasączanych olejem spieków. Panwie porowate wytwarzane są z prasowanych proszków a następnie spiekanych w stanie stałym. Tak wytworzony materiał zawiera w swoim wnętrzu pory w ilości około 25% objętości. Tą objętość wypełnia się olejem który zapewnia właściwe smarowanie przez cały okres eksploatacji. Panew z proszków żelaza 1 dodatkowe smarowanie 2 bez smarowania 1 drobno ziarnisty, 3 grubo ziarnisty

43 Wytwarzanie panwi z proszków

44 Do wytwarzania polimerowych panwi stosuje się bardzo różne tworzywa np. poliamidy, polietyleny, poliimidy oraz ich różne mieszaniny także z ciałami stałymi ( powstają wtedy materiały kompozytowe). Ich własności zależą od nie tylko od ich składu ale także najczęściej tajnego lub zastrzeżonego sposobu wytwarzania (np.. TEFLON produkt firmy DuPont).

45 Smarowanie smarami stałymi Łożyska, w których smarem jest ciało stałe, są tanie, niezawodne w użyciu i wygodne w eksploatacji. Charakteryzują je jednak stosunkowo duże opory ruchu i stosunkowo duża intensywność zużycia. Można przyjąć ogólną zasadę, że należy unikać łożysk smarowanych smarami stałymi, jeśli tylko względy ekonomiczne lub inne nie zmuszają do ich stosowania. Są one jednak niezastąpione w warunkach próżni, np. w kosmosie, gdy łożysko musi pracować w szerokim zakresie temperatur od ujemnych do wysokich dodat-nich (np C), lub gdy wypływ smaru z łożyska jest niedopuszczalny, np. w urządzeniach przemysłu spożywczego. Smarami stałymi mogą być: tworzywa sztuczne takie jak teflon (2,3), polimery termoplastyczne(1), węgiel i grafit, dwusiarczek molibdenu, brąz spiekany z dodatkami(4)

46 Łożyska smarowane cieczami lub smarami plastycznymi Większość obecnie produkowanych łożysk smaosmarnych może pracować w warunkach ciągłego smarowania olejem (lub innymi cieczami jak woda). Smarowanie powoduje,że wydłuża się trwałość węzła ciernego, maleją opory ruchu oraz rośnie wartość obciążeń jakie może przenieść łożysko. temp. max. poślizg max. Naciski dop. PV wsp. Tarcia nazwa materiału C m/s na sucho dry oil smar dry oil smar water 0,09 LB9 - bronz 140 2, ,8 0,15 DM ,6 0,14 Devaglide 250 0, ,5 0,07 0,18 Deva Metal (bronz) 350 0, ,4 0,11 spiek bronzu (nasączony olejem) Deva ,08 0,12 Deva Metal (iron) 600 0, ,8 0,3 0,45 Devatex 160 0, ,8 0,02 0,12 GAR-MAX 160 0, ,8 0,05 0,3 v.good good fair poor

47 Podstawowe obliczenia łożysk (tarcie mieszane) Obliczanie nacisków w łożysku pdop wartość maksymalnych nacisków charakterystyczna dla danego materiału, p nacisk w łożysku [MPa] dc średnica czopa F obciążenie promieniowe panwi [N] p = F L d c p dop n prędkość obrotowa wału [obr/s] Obliczanie mocy tarcia w łożysku poprzecznym µ - współczynnik tarcia N = πd n t c µ F Odbieranie ciepła ze strefy tarcia Q - strumień ciepła dostarczany lub odbierany od czynnika [W] cw - ciepło właściwe cieczy [kj/kgk] mw - masowe natężenie przepływu czynnika [kg/s] t przyrost temperatury [K] Q& = c w m w t

48 Łożyskowanie hydrostatyczne i hydrodynamiczne W obydwu przypadkach smarowaniu hydrostatycznym i hydrodynamicznym powierzchnie współpracujące są rozdzielone cienką warstwą cieczy smarnej. Mechanizm powstawania filmu smarnego jest jednak zupełnie inny. Łożyska hydrostatyczne Rozdzielenie współpracujących powierzchni odbywa się poprzez wtłaczanie cieczy pod ciśnieniem.

49 Łożyska hydrodynamiczne Warunki konieczne do powstania tarcia płynnego: zbieżność szczeliny w kierunku ruchu, prędkość poślizgu większa od pewnej wielkości minimalnej, dostarczona musi być dostateczna ilość czynnika aby zapewnić ciągłość procesu.

50 Rozkład ciśnienia w łożysku poprzecznym hydrodynamicznym

51

52 Łożyska korbowodowe

53 Turbosprężarka, widać dwa łożyska ślizgowe oraz kanały doprowadzające olej (kolor brązowy),