TECHNICAL INSIGHT PUBLIKACJA NSK EUROPE Trwałość eksploatacyjna łożysk wałeczkowych w wysokich temperaturach W przypadku, gdy temperatura pracy sprzętu jest wysoka lub wzrasta, powszechnie stawiane przez personel konserwacyjny pytanie wobec producentów łożysk brzmi: Jaka jest maksymalna temperatura, którą łożyska toczne mogą tolerować? Lepiej jednak zapytać Jaka jest maksymalna temperatura, którą może tolerować system łożyskowy? Wykres A: Stal łożyskowa AISI 52100. Zależność twardości od temperatury i czasu Czas (h) Twardość HRC Tabela B: Stal łożyskowa AISI 52100 Temperatura, kolor i twardość Kolor stali Temperatura Skala C twardości Rockwella Twardość lśniący < 120 > 60 lśniący 150 > 60 lśniący/żółty > 60 żółty 200 59 niebieski 300 58 ciemnoniebieski 400 53 czarny 540 jak masło czerwony > 815 płynie Prowadząc rozważania na temat łożysk, rzeczą ważną jest myśleć w kategoriach kompletnego systemu łożyskowego. Kompletny system łożyskowy obejmuje łożysko toczne, środek smarny i w najczęstszych przypadkach system smarny. Smarowanie łożysk kulkowych oraz wałeczkowych jest realizowane przy pomocy olejów, smarów lub stałych filmów smarnych [grafit, dwusiarczek molibdenu (MoS 2 ), politetrafluoroetylen (PTFE), polimery impregnowane olejem itp.]. Łożyska toczne mogą przejąć obciążenia ze strony sprzętu toczonego, lecz nie mogą długo funkcjonować bez środków smarnych. Jeżeli środek smarny zawiedzie, wkrótce również zawiedzie łożysko. W przypadku wzrostu temperatury środki smarne często stanowią źródłową przyczynę usterki. Reakcja stali łożyskowej AISI 52100 na temperatury Stal wykorzystywana w łożyskach tocznych, zarówno hartowana na wskroś jak i stal nawęglana jest obrabiana cieplnie, aż do uzyskania minimalnej twardości w skali Rockwella HRC 60. Zgodnie z zaleceniami Amerykańskiego Stowarzyszenia Producentów Łożysk (ABMA), maksymalna temperatura pracy łożysk wykonanych z materiału hartowanego na wskroś, stali AISI 52100 wynosi C, ze stali 440-C wynosi 180 C, a w przypadku stali M50 jest to 320 C. Ogólnie rzecz biorąc, jeżeli temperatura stali przekracza 200 C, jej twardość zaczyna maleć. Dlatego też, jeżeli temperatura pracy wzrasta powyżej 200 C, trwałość eksploatacyjna łożysk tocznych maleje. Patrz wykres A i tabela B przedstawiające właściwości stali AISI 52100 w różnych temperaturach.
Tabela C Oznaczenie Temperatura stabilna wymiarowo JIS SUJ 120 AISI 52100 120 Wykres D Stopień zmian wymiarowych, % Stabilność wymiarowa a temperatura Jeżeli metal jest podgrzewany, wówczas pojawiają się zmiany fazowe materiału i wymiary stają się niestabilne. Innymi słowy, elementy łożyska rozszerzają się termicznie. Patrz: poniższa tabela C i wykres D przedstawiające maksymalne temperatury wymiarowo stabilne w odniesieniu do różnych stali wykorzystywanych na łożyska toczne. Ponieważ najpowszechniej spotykane metody pomiaru temperatury łożysk polegają na odczycie temperatury na zewnątrz obudowy, jest rzeczą ważną, aby pamiętać, że temperatura powierzchni łożyska jest o ok. 12 C do 9 C niższa niż temperatura panująca wewnątrz łożyska. HTF i STF 150 Z zastosowaniem obróbki cieplnej (HT) X26 150 HT EA HPS 200 S11 200 HT X28 200 HT TL 200 HT X29 250 HT Stal specjalna TL, łożyska w temperaturze 150 C Stał łożyskowa poddana standardowej obróbce cieplnej Stał łożyskowa poddana obróbce w zakresie stabilizacji wymiarowej Temperatura łożyska Smarowanie w systemach łożyskowych Łożyska toczne nie mogą pracować niezawodnie bez środków smarnych. System łożyskowy obejmuje łożysko toczne, dobry środek smarny oraz system smarny. Smarowanie łożysk kulkowych oraz wałeczkowych jest realizowane za pomocą olejów, smarów lub suchych stałych filmów smarnych. W momencie, gdy temperatura maszyny rośnie, główna troska personelu konserwacyjnego nie powinna być skierowana jedynie na maksymalną dopuszczalną temperaturę, jaką może tolerować łożysko. Troska ta powinna być poświęcona maksymalnej dopuszczalnej temperaturze, jaką może tolerować cały system łożyskowy. Koncentracja uwagi powinna być skierowana na maksymalną temperaturę, jaką może wytrzymać środek smarny oraz/lub system smarny. Jeżeli te elementy zawiodą, zawiedzie całe łożysko. Utrata właściwości przez środek smarny z powodu wysokiej temperatury jest trudna do wykrycia. Dlatego jest rzeczą ważną, aby monitorować temperaturę środka smarnego. Bez dobrego zasilania w olej, ze względu na tarcie oraz zużycie cierne pomiędzy elementami tocznymi a bieżnią, łożysko toczne zawiedzie przed upływem okresu trwałości eksploatacyjnej (żywotność L10). Obecność oleju pomiędzy elementami tocznymi (kulkami, baryłkami, wałeczkami itp.) a bieżnią zmniejsza tarcie i zużycie ścierne i dlatego przyczynia się do redukcji nagrzewania się łożyska. Olej może być podawany do łożyska tocznego w sposób bezpośredni lub za pomocą użycia smaru. Oleje wykorzystywane do smarowania łożysk tocznych zawierają olej bazowy i niekiedy dodatki uszlachetniające. Smary są sporządzone z oleju bazowego (65 95%), zagęszczacza (3 30%) oraz dodatków uszlachetniających (0 15%). Niekiedy do smaru dodaje się do 5% stałych środków smarnych. To zawarty w smarze olej bazowy pracuje w systemie smarnym, a nie zagęszczacz ani dodatki uszlachetniające. Zagęszczacz przytrzymuje olej, natomiast dodatki uszlachetniające poprawiają właściwości zagęszczacza. To olej wykonuje całą pracę w łożysku tocznym, zagęszczacz przytrzymuje olej na miejscu, a dodatki uszlachetniające poprawiają właściwości oleju oraz/lub zagęszczacza. Niezależnie od tego, czy do smarowania łożyska tocznego wykorzystywany jest olej, czy smar stały, oba te środki smarne mogą znieść taką temperaturę, jaka nie spowoduje utraty ich skuteczności w systemie smarnym. Całkowity czas trwania, godz. Zamieszczona na następnej stronie tabela E ukazuje maksymalne dopuszczalne temperatury różnych olejów. Informacja na temat stabilizacji temperaturowej stali NSK: 1) Standardowa stal NSK (JIS SUJ) jest stabilizowana cieplnie w temperaturze 120 C. 2) Standardowa stal nawęglona jest stabilizowana cieplnie w temperaturze 120 C. To, który(e) element(y) jest (są) nawęglone(y), należy wyspecyfikować podając oznaczenie kodowe g. 3) Pierścienie wewnętrzne i zewnętrzne ze stali S11 są stabilizowane cieplnie w temperaturze 200 C. Wałeczki nie są stabilizowane cieplnie. 4) Pierścienie wewnętrzne i zewnętrzne ze stali X28 są stabilizowane cieplnie w temperaturze 200 C. Wałeczki nie są stabilizowane cieplnie. 5) Łożyska ze stali X29 są stabilizowane cieplnie w temperaturze 250 C, lecz nie dotyczy to wszystkich wielkości. 6) Jeżeli nie jest podane oznaczenie kodowe g, wskazujące, że inne elementy również wymagają stabilizacji cieplnej, wówczas oznacza to, że pierścienie wewnętrzne łożysk wykonanych ze stali TL są stabilizowane cieplnie w temperaturze 200 C. Zauważyć należy, że w przypadku stali TL będzie również użyte oznaczenie nr kat. pierścienia wewnętrznego zawierające symbol TL nawet wówczas, gdy użyte zostanie oznaczenie kodowe g. 7) Łożyska ze stali HTF są stabilizowane cieplnie w temperaturze 150 C. To, który(e) element(y) ma(ją) być nawęglony(e), należy wyspecyfikować podając oznaczenie kodowe g.
Tabela E Rodzaj oleju Olej mineralny (PAO) Poliolefiny (rozpuszczalne w wodzie) Poliglikol Estry Olej silikonowy Olej fluoroalkoksylowy Maksymalna temperatura przy smarowaniu za pomocą miski olejowej Maksymalna temperatura smarowania za pomocą oleju obiegowego Lepkość w temperaturze 40ºC (cst, mm 2 /s) 100 150 100 do 150 150 150 do 200 150 do 220 150 200 150 do 200 200 250 240 2 do 4500 15 do 1500 20 do 2000 Predyspozycje do pracy w wysokich temp. (=150ºC, 302ºF) umiarkowane dobre umiarkowane do dobrych* dobre* bardzo dobre bardzo dobre * W zależności od rodzaju oleju. Górną oraz dolną granicę temperatury roboczej wyznacza rodzaj i ilość czynnika zagęszczającego (organicznego, nieorganicznego, mydła zawierającego sole metali lekkich i wyższych kwasów tłuszczowych) oraz rodzaj oleju bazowego (olej mineralny lub syntetyczny), a także ich lepkość. Tabele F, G i H ukazują maksymalne dopuszczalne temperatury smarów ze względu na ich zagęszczacze, oleje bazowe i mydła oraz zawierają porównanie zagęszczaczy. Tabela F: Porównanie smarów stałych Rodzaj zagęszczacza Olej bazowy olej mineralny Mydło aluminiowe sodowe Temperatura maks. 70 50 100 Tabela G: Porównanie zagęszczaczy Normalna PAO 150 Zagęszczacz Temperatura zastosowania Z zastosowaniem obróbki cieplnej (HT) Mydła 120 do 140 175 do 205 Mydła do 80 90 do 110 Mydła aluminiowe 70 do 80 110 do 120 Mydła sodowe 120 do 180 Kompleks aluminiowy do 180 250 Mydła bentonitowe 180 250 Polimocznik 180 220 do 270 Tabela H: Zakresy temperaturowe stałych środków smarnych Stałe środki smarne W powietrzu W próżni min. maks. min. maks. Grafit 50 550 nie dotyczy nie dotyczy Kompleks Bentonity estry olej mineralny PAO estry aluminiowe barowe sodowe aluminiowe barowe barowe 140 140 150 180 180 olej silikonowy 180 olej mineralny 150 PAO 180 olej mineralny Dwusiarczek molibdenu Dwusiarczek wolframu -100 320-100 650-100 410-100 750 Polimocznik PAO 200 olej silikonowy 200 Złoto -100 200-100 200 Srebro -100 100-100 600 Ołów -100 210-100 400 Żywice fluorowe -250 200-250 250 PTFE lub FEP olej fluorowosilikonowy olej fluoroalkoksylowy olej fluorowosilikonowy 200 250 200
Wykres I: Stopień zmiany lepkości oleju w zależności od temperatury Indeks lepkości jest miarą stopnia zmian lepkości w zależności od temperatury Lepkość Indeks lepkości Bardzo wysoki (135) Wysoki (95) Niski (65) Niska Temperatura Wysoka Lepkość oleju a jego temperatura Inną rzeczą, którą należy rozważyć w związku z temperaturami panującymi w systemie łożyskowym jest lepkość oleju. Lepkość jest miarą względnego oporu wewnętrznego, jaki jest stawiany przeciwko płynięciu oleju w danej temperaturze. Im wyższa jest lepkość, tym wyższy jest opór wewnętrzny przeciwko płynięciu. Lepkość jest mierzona w centystokesach (cst) lub w SUS (Sekundach Uniwersalnych Saybolta). W przypadku smarów stałych klasa lepkościowa oznacza prędkość płynięcia oleju bazowego, a nie zagęszczacza. Wykres J Sekundy Saybolta Lepkość cst Klasy lepkości ISO Założony indeks lepkości wynosi 80 Lepkość środka smarnego powinna być na tyle odpowiednia, aby umożliwiała oddzielenie elementów w warunkach roboczych, ale nie na tyle duża, aby mógł się wytworzyć dodatkowy opór. Wraz ze wzrostem temperatury lepkość olejów maleje. Im wyższa temperatura, tym wyższa lepkość jest wymagana w systemie łożyskowym. Indeks wiskozowy jest miarą stopnia zmian lepkości w zależności od temperatury. Im wyższy jest indeks wiskozowy, tym wyższa jest intensywność zmian. Patrz: wykres I. Wykres K C Wykres L Temperatura Współczynnik okresu przydatności oleju w temperaturach > 60 C Współczynnik trwałości temperaturowej Okres przydatności oleju w zależności od temperatury < 100 C Ogólnie rzecz biorąc, jeżeli w zastosowaniach o wyższej temperaturze pracy używany olej lub smar ma niższą lepkość, wówczas uszkodzenie systemu łożyskowego nastąpi przedwcześnie. Jak można oczekiwać, ogólnie w zastosowaniach charakteryzujących się wysoką temperaturą, powinien być stosowany olej lub smar o wyższej lepkości. Patrz wykres J, przedstawiający zależność pomiędzy lepkością oleju, a jego temperaturą w odniesieniu do różnych olejów. Wpływ temperatury na długość okresu przydatności oleju Najważniejszą właściwością oleju z punktu widzenia jakości jest jego stabilność chemiczna lub odporność na utlenianie. Wysoka temperatura jest podstawowym czynnikiem przyspieszającym utlenianie oleju. Intensywność zachodzenia każdej reakcji chemicznej, włączając w to utlenianie węglowodorów, podwaja się na każde 10 C wzrostu temperatury. Ocenia się, że długość okresu przydatności oleju do użycia zmniejsza się o 50% na każde 10 C wzrostu temperatury powyżej 60 C. W temperaturach powyżej 120 C utlenianie w znacznym stopniu wpływa na długość okresu trwałości smaru. Można to opisać następującą formułą: Lt = _ * L C Okres przydatności (miesiące) gdzie: Lt = Długość okresu przydatności oleju ze względu na temperatury wyższe niż 60 C _ = Współczynnik trwałości temperaturowej L = Oczekiwana długość okresu przydatności oleju w temperaturze poniżej 60 C
Tabela M: Interwały smarowania łożysk kulkowych smarem stałym (tygodnie) Średnica otworu wewnętrznego łożyska (mm) Tabela P: Interwały smarowania smarem stałym (w tygodniach) łożysk baryłkowych w zależności od temp. i warunków Warunki robocze Obroty robocze (obr./min.) 250 500 1000 2000 3000 25 * * 70 40 50 * 70 35 20 75 * 150 65 23 9 100 * 100 40 13 4 Tabela N: Interwały smarowania smarem stałym silników z łożyskami kulkowymi (tygodnie) Obciążenie silnika 24 h/d, 7 d/tydz. Warunki czyste, maks. temp. zewn. = 40ºC 24 h/d, 7 d/tydz. Warunki uciążliwe: gorące, suche lub wilgotne 16 h/d, 5 d/tydz. Warunki czyste, maks. temp. zewn. = 40ºC 16 h/d, 5 d/tydz. Warunki uciążliwe: gorące, suche lub wilgotne Liczba godzin pracy na dobę Temperatury łożysk ºC Moc silnika (kw) 0.4 do 6.0 7.5 do 30 35 do 110 72 48 36 36 16 16 144 96 72 72 52 36 Tabela O: Interwały smarowania łożysk baryłkowych smarem stałym (tygodnie) Obroty łożyska (obr/min) 250 500 750 1000 1500 2000 3000 8 12 12 10 7 5 4 3 16 12 7 5 4 2 2 1 24 10 5 3 2 1 1 1 Interwał smarowania Czysto 0 do 50 50 do 65 65 do 95 24 do 40 4 do 12 1 do 4 Brudno 0 do 65 1 do 4 65 do 95 < 1 Wilgoć 0 do 95 < 1 Rozważania dotyczące systemów smarowania Bez względu na to, jaki środek jest używany do smarowania łożysk tocznych w zastosowaniach i w środowiskach wysokotemperaturowych, system smarowania może albo wydłużyć okres trwałości eksploatacyjnej łożysk tocznych, albo skrócić go. System łożyskowy musi być tak zaprojektowany, aby pomagać łożyskom w dotrzymaniu okresu swojej potencjalnej trwałości eksploatacyjnej. Nigdy nie wolno przeoczyć lub zignorować wagi systemu smarnego. Niektóre systemy olejowe mogą być wykorzystywane do odprowadzenia ciepła z łożysk. Systemy oparte o smary lub stałe filmy smarne nie pomagają w odprowadzaniu ciepła z łożysk. Podstawowe rozważania dotyczące smarów dotyczą metod oraz interwałów wymian środków smarnych. W wyższych zakresach obrotów, zbyt duża ilość smaru powoduje przegrzanie. Ilość smaru, która jest właściwa ze względu na poszczególne zastosowania wysokoobrotowe może być wyznaczona wyłącznie na drodze doświadczalnej. Ogólnie rzecz biorąc, w chwili rozpoczęcia eksploatacji, otwarta przestrzeń łożyska powinna być wypełniona smarem w ilości od jednej trzeciej do połowy objętości. Jeżeli przyczyną przegrzewania się jest nadmiar smaru w łożysku, niezbędne będzie usunięcie z niego pewnej ilości smaru. Nieznaczna obecność wyrzuconego smaru na uszczelnieniach łożyska jest objawem normalnym i pomaga również utrzymać zanieczyszczenia z dala od łożyska. Większa ilość smaru może być tolerowana i ogólnie rzecz biorąc w zastosowaniach niskoobrotowych jest pożądana. Podczas opracowywania harmonogramów wymian smaru, stosowanie mniejszych ilości smaru lecz częstszych wymian jest praktyką preferowaną w stosunku do rzadkich wymian dużych ilości smaru. Tabele M, N, O i P mogą stanowić podstawę opracowania interwałów smarowania.
Tabela Q: Smarowanie łożysk w suszarni maszyny papierniczej Średnica otworu wewnętrznego łożyska (mm) Natężenie przepływu oleju (w półkwartach/min) 50-100 psi (345-690 kpa) Ciśnienie pary nasyconej psl kg/m 2 101-125 psi (600-862 kpa) Ciśnienie pary 126-150 psi (862-1034 kpa) Temperatura odpowiadająca ciśnieniu pary nasyconej 50 35 150 138 60 42 200 145 75 52 750 153 100 70 300 164 125 87 900 173 150 150 500 181 ºC Over 150 psi (powyżej 1034 kpa) < 190 3 4 6 8 191-260 3-4 4-6 6-8 8-10 261-349 4-5 6-7 8-9 10-11 350-500 16 24 26 28 > 500 24-32 40 48 56 Natężenia przepływu oleju podawane są ze względu na poszczególne łożyska po stronie napędowej maszyny. Za wyjątkiem takich warunków, gdzie kondensat oraz para przedmuchowa są usuwane przez czop po stronie pracującej (obsługiwanej), natężenie przepływu w łożysku przednim wynosi 60 75% tych wartości. Tabela R Informacje zamieszczone w niniejszym artykule nie mają na celu pomocy w doborze łożysk oraz/lub środków smarnych w maszynie. Artykuł ten jest przeznaczony, aby dopomóc personelowi konserwacyjnemu w tym, aby pod uwagę brać raczej maksymalne dopuszczalne temperatury, które system łożyskowy może znosić w sposób trwały, aniżeli rozważać temperatury panujące wyłącznie w samym łożysku, w samym środku smarnym lub tylko w samym systemie smarnym. Istnieje wiele smarnych systemów olejowych obejmujących smarowanie: za pomocą miski olejowej (kąpielowe), z wykorzystaniem cyrkulacji poprzez miskę olejową, z wykorzystaniem cyrkulacji poprzez miskę olejową z chłodzeniem, wstrzykiwanie strumienia oleju do łożyska, kombinację cyrkulacji bocznikowej z chłodzeniem i wstrzykiwaniem strumienia oraz smarowanie za pomocą mgły olejowej (punktowo). System smarowania kąpielowego może być wykorzystywany do smarowania łożyska, lecz ogólnie rzecz biorąc nie pomaga on w odprowadzeniu ciepła z systemu łożyskowego. Poziom oleju w łożysku smarowanym za pomocą miski olejowej powinien sięgać połowy wysokości elementów tocznych w momencie, gdy znajdują się one w najniższej pozycji. Natężenie przepływu oleju przez system obiegowy może zostać wyznaczone wyłącznie w sposób doświadczalny. W przypadku maszyny do odlewania ciągłego stali, pracującej w stalowni może zostać wykorzystana następująca formuła: Fccm = 0.00003 (OD) (W) gdzie: Fccm = Natężenie przepływu oleju w maszynie do odlewania ciągłego stali (cm sześc./godz./łożysko) OD = Średnica zewnętrzna łożyska (mm) W = Szerokość łożyska (mm) (Uwaga: Jeżeli wynik będzie wynosił mniej niż 1, należy przyjąć 1.) W przypadku sekcji suszarniczej maszyny papierniczej mogą zostać wykorzystane tabele Q i R. (Uwaga: Natężenie przepływu oleju jest liczone w odniesieniu do łożyska po stronie napędowej maszyny. Za wyjątkiem takich warunków, gdzie kondensat oraz para przedmuchowa są usuwane przez czop po stronie pracującej (obsługiwanej), natężenie przepływu w łożysku przednim wynosi 60 75% tych wartości. Wniosek Kompletny system łożyskowy obejmuje łożysko toczne, środek smarny i w najczęstszych przypadkach system smarny. Smarowanie łożysk kulkowych oraz wałeczkowych jest realizowane za pomocą olejów, smarów lub suchych stałych filmów smarnych. Łożyska toczne mogą przejąć obciążenia ze strony sprzętu toczonego, lecz nie mogą długo funkcjonować bez środków smarnych. Jeżeli środek smarny zawiedzie, wkrótce również zawiedzie łożysko. W przypadku wzrostu temperatury środki smarne często stanowią przyczynę źródłową usterki. Dlatego też, jeżeli temperatura Państwa sprzętu jest zbyt wysoka lub wzrasta, należy rozważyć, co stanie się w odniesieniu do całego systemu łożyskowego, a nie tylko wyłącznie w stosunku do samego łożyska. W celu uzyskania większej ilości informacji, zapraszamy na naszą stronę internetową www.nskeurope.pl