Jak zapobiegać niewspółosiowości łożysk tocznych?

Niewspółosiowość to jedna z przyczyn powstawania uszkodzeń łożysk. Ich niewłaściwy montaż lub uszkodzenia podczas montażu, a także inne opisane poniżej powody mogą skutkować brakiem współosiowości, a przez to powstawaniem uszkodzeń na bieżni łożyska. Warto dodać, że innymi powodami występowania uszkodzeń są m.in. błędy konstrukcyjne łożyska, jego korozja, zanieczyszczenia, a także przegrzanie podczas pracy.

ŹRÓDŁA NIEWSPÓŁOSIOWOŚCI I JEJ DIAGNOZOWANIE

Rys. 1. Przekrój przez przykładową pompę odśrodkową - zaznaczono miejsca łożyskowania

Typowe narzędzia do obliczania trwałości łożysk zakładają, że wewnętrzny i zewnętrzny pierścień łożyska jest prawidłowo ustalony osiowo. Akceptowane ustalenie osiowe musi zazwyczaj być dokładniejsze niż 0,003 radiana (10 minut kątowych) w przypadku łożysk kulkowych oraz 0,0012 radiana (4 minuty kątowe) w przypadku łożysk walcowych. Źródłami niewspółosiowości są:

• niewspółśrodkowe otwory obudowy,
• nieprostopadłe odsadzenia na współpracujących elementach,
• ugięcie wału,
• błędy podczas montażu,
• nieregularności podstawy,
• brak płaskości powierzchni montażowej,
• niewystarczająca sztywność powierzchni montażowej.

Niewspółosiowość w uszkodzonym łożysku można zazwyczaj wykryć, badając ślad pracy pozostawiany przez wewnętrzne elementy toczne. Gdy łożysko obraca się, elementy toczne zostawiają ścieżkę zużycia na bieżni wewnętrznej i zewnętrznej.

Dobrze ustalone osiowo łożysko będzie miało ścieżkę pracy elementów tocznych na środku bieżni pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego, podczas gdy łożysko niewspółosiowe charakteryzować się będzie nierównymi ścieżkami pracy elementów (patrz rys. 2).

PROCES POPRAWNEGO MONTAŻU ŁOŻYSK

Rys. 2. Ścieżki pracy łożyska kulkowego poprzecznego (wewnętrzny pierścień)

Niewspółosiowości można uniknąć, zachowując należytą dokładność podczas procesu montażu łożyska. Pierwszym krokiem jest właściwe zaprojektowanie i obrobienie współpracujących elementów obudowy i wału. Obudowy powinny być sztywne, tak aby zapewnić oparcie dla łożyska. W przypadku, gdy w jednej obudowie montowane są dwa łożyska, powierzchnie styku otworu obudowy należy zaprojektować w taki sposób, by obydwa gniazda łożysk zostały wykończone w trakcie jednej operacji wytaczania otworów. Powierzchnie odsadzeń wału lub obudowy stykające się z czołem łożyska muszą być prostopadłe do linii środkowej wału.

Zaokrąglenia wału i obudowy nie powinny stykać się ze ścięciami łożyska, podczas gdy średnica odsadzenia, na którym opiera się łożysko, musi w dalszym ciągu być na tyle duża, aby dać oparcie całemu czołu łożyska. W czasie montażu wszystkie współpracujące powierzchnie muszą być oczyszczone, zaś krawędzie wszystkich sąsiadujących powierzchni wału i odsadzenia muszą zostać pozbawione zadziorów. Metody montażu łożysk mogą się różnić, w zależności od typu łożyska i rodzaju pasowania. Łożyska są zazwyczaj stosowane z obracającymi się wałami, dlatego pierścienie wewnętrzne wymagają ciasnego pasowania.

Łożyska z otworami walcowymi są zazwyczaj montowane poprzez wciśnięcie pierścienia wewnętrznego na wał (pasowanie wciskowe) lub podgrzanie tak, aby zwiększyła się ich średnica otworu (pasowanie skurczowe). Łożyska z otworami stożkowymi mogą być mocowane bezpośrednio na wałach stożkowych lub walcowych z użyciem tulei stożkowych. Łożyska są zwykle montowane w obudowach z pasowaniem luźnym.

Jednakże jeżeli pierścień zewnętrzny jest pasowany z wciskiem, możliwe jest wykorzystanie prasy. Użytkownicy powinni zawsze nałożyć najpierw cienką warstwę oleju na powierzchnie współpracujące, aby zapobiec ich zarysowaniu. Podczas wciskania łożyska do obudowy nacisk należy wywierać na pierścień zewnętrzny łożyska. Z kolei podczas wciskania łożyska na wał nacisk należy wywierać na pierścień wewnętrzny.

OGRANICZANIE WPŁYWU NIEWSPÓŁOSIOWOŚCI NA TRWAŁOŚĆ ŁOŻYSK

Rys. 3. Współczynnik trwałości dla łożyska kulkowego poprzecznego NSK 6200 (F_r=510 N; F_a= 51 N)

Niekorzystne efekty niewspółosiowości można ograniczać na kilka sposobów, w szczególności stosując odpowiednie rozwiązania w samych łożyskach. Jednym z nich jest użycie koszyków nylonowych, które są bardziej elastyczne niż koszyki stalowe i mogą kompensować niewspółosiowość lepiej niż te ostatnie. Zwiększenie luzu wewnętrznego łożyska zwiększa odporność łożyska na niewspółosiowość.

Możliwe jest także zastosowanie łożysk wahliwych. Łożyska takie mają sferyczną bieżnię, której środek krzywizny odpowiada środkowi łożyska. Pozwala to na pewne przesunięcia osi pierścienia wewnętrznego, kulek i koszyka w stosunku do środka łożyska. Konstrukcja taka jednakże powoduje powstawanie mniejszego kąta działania pomiędzy kulkami i bieżnią, czego skutkiem jest niższa nośność w porównaniu do łożysk kulkowych poprzecznych o podobnych wymiarach. Dopuszczalna statyczna niewspółosiowość w łożyskach tego typu wynosi w przybliżeniu 0,07 do 0,12 radiana (4 do 7 stopni) pod normalnym obciążeniem.

W zależności od struktury otaczającej, kąt taki nie zawsze jest możliwy. Standardowe obliczenia wartości parametru L₁₀ zakładają, że łożysko jest prawidłowo ustalone osiowo, dlatego konieczne są dodatkowe obliczenia określające wpływ niewspółosiowości na trwałość zmęczeniową łożyska.

Maksymalna dopuszczalna niewspółosiowość łożysk jest różna w zależności od rozmiaru i typu łożyska, luzu wewnętrznego podczas pracy oraz obciążenia. Przyjmijmy, że trwałość zmęczeniowa bez niewspółosiowości to L_θ=0, zaś trwałość zmęczeniowa z niewspółosiowością to L_θ. Wpływ niewspółosiowości na trwałość zmęczeniową można określić, obliczając stosunek L_θ/L_θ=0.

PRZYKŁADY PRAKTYCZNE

Rys. 4. Współczynnik trwałości dla łożyska walcowego NSK NU315 (F_r=17950 N; 0,1 C_r)

Na rysunkach 3 i 4 pokazano wpływ niewspółosiowości na współczynnik trwałości dla przykładowego łożyska kulkowego poprzecznego oraz walcowego. Na rysunkach tych oś pozioma pokazuje niewspółosiowość pierścieni wewnętrznych / zewnętrznych (w radianach), zaś oś pionowa pokazuje współczynnik trwałości L_θ/L_θ=0. Jako przykładowe normalne warunki pracy dla obu rysunków przyjęto obciążenie promieniowe Fr wynoszące około 10% dynamicznej nośności nominalnej C_r oraz pasowanie wału poprzez jego obrobienie do zalecanej wartości.

Na rysunkach zostało uwzględnione także zmniejszenie luzu wewnętrznego na skutek rozszerzenia się pierścienia wewnętrznego. Rysunek 3 opracowany został w oparciu o normalny luz promieniowy w łożysku kulkowym poprzecznym. Trzy krzywe reprezentują maksymalny, minimalny i średni efektywny luz.

Zmniejszenie trwałości zmęczeniowej ogranicza się do 5~10% dla niewspółosiowości wynoszącej do 0,004 radiana, czyli nieznacznie zmniejsza trwałość łożyska. Jednakże gdy niewspółosiowość przekroczy ten limit, trwałość ulega znaczącemu zmniejszeniu. W owym scenariuszu zwiększenie luzu wewnętrznego o 11 µm przekłada się na zwiększenie możliwości kompensacji niewspółosiowości o mniej więcej 0,0015 radiana.

Rysunek 4 pokazuje trzy różne klasy luzu dla łożyska walcowego: luz normalny, C3 i C4. W porównaniu do rysunku 3, współczynnik trwałości został zmniejszony o ponad 10% przy niewspółosiowości wynoszącej tylko 0,001 radiana. Odchylenie pomiędzy różnymi klasami luzu jest bardzo małe, niezależnie od tego, że całkowita różnica wynosi 50 µm.

PODSUMOWANIE

Oczywiste jest, że łożysko walcowe jest bardziej wrażliwe na efekty niewspółosiowości niż kulkowe i należy to wziąć pod uwagę - m.in. przy wyborze typu łożyska do nowej konstrukcji pompy. Przedstawione wartości zostały określone dla typowych warunków pracy, ale nie mogą być odnoszone do wszystkich zastosowań związanych z pompami. Redukcja lub eliminacja niewspółosiowości ma istotne znaczenie dla zapewnienia długiej żywotności łożyska i urządzenia.

Warto dodać, że aby zapobiec niewspółosiowości łożysk, należy stosować tolerancje montażowe i procesy instalacyjne zalecane w katalogach. Jeżeli nie ma możliwości całkowitego wyeliminowania niewspółosiowości, trzeba przeprowadzić dodatkowe obliczenia, aby określić jej wpływ na trwałość łożyska. Należy skontaktować się z producentem łożysk w celu uzyskania pomocy w tych obliczeniach i dodatkowych analizach zastosowania.

Artykuł powstał na bazie informacji od specjalistów z firmy NSK.