Ćwiczenie 24
(w wersji dla kierunku Inżynieria Materiałowa)
MATERIAŁY ŁOŻYSKOWE*
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z materiałami, głównie metalicznymi, stosowanymi w budowie łożysk ślizgowych i łożysk tocznych. Łożyska z uwagi na ich duże zróżnicowanie konstrukcyjne, a przede wszystkim niekiedy skrajnie różne warunki pracy, wykonywane są z szerokiej gamy materiałów o zróżnicowanym składzie chemicznym, strukturze i własnościach. Te zaś cechy materiałów łożyskowych zależą od wymaganej od nich jakości technologicznej i użytkowej. Dla zrozumienia ww. zależności przyczynowo-skutkowych konieczne jest poprzedzenie zasadniczych dla tego ćwiczenia treści dotyczących samych materiałów, krótkim omówieniem przeznaczenia, konstrukcji, warunków pracy i mechanizmów zużywania łożysk.
Łożysko – element lub zespół elementów konstrukcyjnych, stanowiący część urządzenia technicznego, podtrzymujący (łożyskujący) ruchomy element urządzenia (np. wał, dźwignię, koło) i przenoszący jego obciążenie na podłoże (np. korpus maszyny, oś), w sposób umożliwiający ruch względny obrotowy przy możliwie niskich oporach.
W połączeniach ruchowych, w których zamiast ruchu obrotowego występuje wzajemny przesuw elementów, prosto- lub krzywoliniowy, stosuje się tzw. prowadnice.
Zależnie od konstrukcji rozróżnia się:
· łożyska ślizgowe, tzn. takie, w których obciążenie przenoszone jest bezpośrednio przez element roboczy łożyska, tzw. panew (panewkę), opasującą całkowicie lub częściowo fragment elementu ruchomego urządzenia (tzw. czop wału lub osi), który ślizga się po niej. Panewka to pierścień lub fragment pierścienia ze specjalnego materiału, osadzony - jako odrębny element lub wylany w oprawie łożyska lub w gnieździe wykonanym np. w korpusie maszyny (niekiedy samo gniazdo zapewnia łożyskowanie). Część koła, w której łożyskowany jest czop nazywana jest piastą;
· łożyska toczne, tzn. takie, w których obciążenie przenoszone jest przez elementy robocze łożyska: pierścienie – jeden osadzony na czopie, drugi osadzony w oprawie łożyska lub gnieździe czy piaście, za pośrednictwem przetaczających się między nimi tzw. części tocznych łożyska[1].
O własnościach użytkowych łożysk, a przede wszystkim ich trwałości, przesądzają głównie procesy zużycia towarzyszące ich eksploatacji. Decydujące znaczenie w przypadku łożysk ma zużycie spowodowane procesami tarcia, zwane zużyciem tribologicznym[2] (często określane jako trybologiczne). W sposób oczywisty o trwałości łożyska decydują też materiały zastosowane w jego budowie. Z uwagi na zdecydowanie różną konstrukcję i warunki pracy łożysk ślizgowych i tocznych zagadnienia powyższe muszą być rozpatrywane oddzielnie, zależnie od rodzaju i warunków pracy łożyska.
2.1. ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE
Panewki łożysk ślizgowych wykonywane są zwykle w formie tulei lub pierścieni albo półpierścieni, często z kołnierzem (zdjęcie nr 1). W panewkach wykonywany jest zwykle otwór lub otwory umożliwiające doprowadzenie z zewnątrz środka smarnego do strefy styku pary trącej. Rozprowadzenie smaru mają też ułatwiać, odchodzące od otworu, zagłębienia w wewnętrznej powierzchni panewki, lub nawet szereg rowków rozmieszczonych obwodowo albo po linii śrubowej. Niekiedy w rowkach wykonanych w warstwie stopu łożyskowego o relatywnie dużej twardości, przenoszącego obciążenia, wylany zostaje stop łożyskowy zdecydowanie bardziej miękki, który ma zapewnić lepsze warunki tarcia i pochłaniać twarde cząstki pojawiające się w strefie styku. Łożyska o takiej konstrukcji noszą nazwę łożysk rowkowych.
W celu wyeliminowania smarowania ciągłego lub wydłużenia okresu pracy pomiędzy przeglądami, w trakcie których uzupełniany jest środek smarny, w warstwach materiałów łożyskowych wykonuje się zagłębienia, zwykle okrągłe, zwane kieszonkami depozytowymi lub smarnymi. Przed montażem są one wypełniane środkiem smarnym, a w trakcie pracy łożyska zwiększają efektywność smarowania.
Do wyrobu łożysk ślizgowych stosuje się zarówno materiały metaliczne jak i niemetale. Wśród tych materiałów dominujące znaczenie posiadają stopy łożyskowe. Stopami łożyskowymi nazywa się stopy metali używane do wyrobu lub wylewania panewek łożysk ślizgowych. Ich zadaniem jest zapewnienie jak najlepszej współpracy pomiędzy panewką a czopem.
Głównym mechanizmem zużywania łożysk ślizgowych jest zużycie ścierne związane z tarciem ślizgowym na styku powierzchni czopa i panewki. Siły tarcia zależą przede wszystkim od obciążenia, tj. nacisku jednostkowego w strefie kontaktu oraz skuteczności rozdzielenia powierzchni kontaktowych za pomocą środka smarnego. Najlepsze warunki eksploatacji uzyskuje się, zapewniając tarcie płynne. Nawet wówczas może jednak dochodzić do przerwania ciągłości warstwy smarnej, szczególnie podczas rozruchu lub w wyniki drgań. Warunki pracy łożyska stają się także coraz trudniejsze wraz ze wzrostem prędkości obwodowej. Ponieważ wpływ obciążenia i prędkości zależny jest nie tylko od poziomu danego czynnika, lecz także od wartości drugiego z nich[3], przy doborze materiału na łożyska ślizgowe określa się zarówno dopuszczalne poziomy obciążenia i prędkości obwodowej jak i wskaźnika stanowiącego iloczyn ich wartości, zwany natężeniem pracy łożyska: pv [MPa*m/s].
Czynnikiem przyspieszającym proces zużycia jest wzrost temperatury, lokalnie nawet bardzo wysoki. Może prowadzić to zmian strukturalnych w warstwie wierzchniej materiału pary trącej, obniżenia twardości, zjawiska tarcia adhezyjnego, a nawet do zniszczenia warstwy smarnej i w konsekwencji pracy łożyska „na sucho”, aż do jego zatarcia. Drastycznym przejawem zbyt wysokiej temperatury może też być częściowe wytopienie stopu łożyskowego. Dopuszcza się taką możliwość, jako sposób zabezpieczenia czopa przed uszkodzeniem, co miałoby znacznie większe konsekwencje niż konieczność wymiany łożyska.
Niekorzystny wpływ na trwałość łożysk tocznych wywierają także zjawiska korozji, intensyfikowane ciągłym odkrywaniem nowych warstw powierzchni w wyniku ścierania, wzrostem temperatury, często także obecnością w środowisku pracy łożyska substancji aktywnych chemicznie (np. kwasów powstających w wyniku rozkładu i utleniania smaru).
Ze względu na specyficzne warunki pracy łożysk ślizgowych materiałom na panewki stawia się szereg wymagań. Wynikają one z trzech głównych właściwości charakteryzujących przydatność stopu jako materiału na panewki. Są to: właściwości ruchowe, które charakteryzują odporność stopów łożyskowych na zużycie oraz zatarcie; właściwości wytrzymałościowe – określające odporność stopu na ciśnienia wywierane na niego przez klin smarny w przypadku tarcia płynnego oraz na naciski wywołane liniowym stykiem między czopem i panwią podczas pracy w warunkach tarcia granicznego lub podczas postoju; odporność na pęknięcia zmęczeniowe będące z reguły skutkiem zmiennych naprężeń rozciągających, powstałych w wyniku ugięć czopa i panwi, odkształceń pod wpływem temperatury oraz odkształceń pod wpływem ciśnienia hydrodynamicznego w warstwie smaru, jak również skłonności do wystąpienia siatki pęknięć typu zmęczeniowego pod wpływem drgań w łożysku obciążonym siłą o stałej wartości; właściwości antykorozyjne – określające podatność stopów na korozyjne działanie kwasów organicznych zawartych w smarze.
Z właściwości tych wynikają wymagania szczegółowe, spełnienia których oczekujemy od stopu łożyskowego. Można wśród nich wymienić:
• mały współczynnik tarcia pomiędzy materiałem panewki a powierzchnią wału;
• dobrą odporność na ścieranie;
• dobrą odporność na zatarcie; podczas pracy łożyska występuje szereg dodatkowych czynników (niedostateczna gładź czopu i panwi, niedokładność ustawienia, zanieczyszczenia smaru itp.), które przyczyniają się do kontaktu powierzchni ślizgowych, nagrzania, lokalnego wytopienia czy punktowego spojenia z czopem. Zdolność łożyska do przeciwdziałania temu zjawisku określamy jako niewrażliwość na zacieranie się;
• dobrą smarowalność pozwalającą na szybkie odnowienie przerwanej błonki smaru pomiędzy powierzchniami ślizgowymi czopu i panewki, przez co nie dopuszcza się do bezpośredniego kontaktu powierzchni trących;
• zdolność do wchłaniania przez stop twardych zanieczyszczeń smaru; łożysko powinno mieć zdolność wtłaczania zanieczyszczeń smaru w swoją powierzchnię. Jeżeli obce elementy zostaną wchłonięte przez stop, to przestają być groźne. O ile stop tej cechy nie posiada, łatwo dochodzi do zatarcia. Niska twardość stopu łożyskowego zwiększa zdolność wtłaczania;
• dużą wytrzymałość mechaniczną zapewniającą przenoszenie znacznych ciśnień filmu smarnego;
• dużą odporność na korozję chemiczną pod wpływem działania kwasowych produktów rozkładu smaru. Wał nigdy nie jest idealnie gładki i styka się z panewką w szeregu punktów, dlatego w miejscach styku może lokalnie podnieść się temperatura. W wyższej temperaturze tlen ze smaru reaguje z metalem, powodując powstawanie ognisk korozyjnych. Powstałe tlenki zanieczyszczają smar, zwiększają tarcie i ścieralność łożyska. W wyższej temperaturze (ponad l00°C) składniki smarów ulegają również częściowemu rozkładowi i utlenieniu na organiczne kwasy, które atakują powierzchnię stopu;
• dobrą plastyczność umożliwiającą dopasowanie się łożyska przy drobnych niedokładnościach wymiarów wykonawczych lub montażowych. Niebezpieczne dla łożysk zbyt wysokie obciążenie miejscowe są rozprowadzane na większą powierzchnię, gdy stop jest odpowiednio plastyczny;
• dostatecznie wysoką twardość zabezpieczającą przed zużyciem i erozją kawitacyjną[4];
• dobre przewodzenie ciepła zapewniające likwidację lokalnych ognisk ciepła i równomierny rozkład temperatury w stopie;
• odpowiednią rozszerzalność cieplną; współczynnik rozszerzalności liniowej stopu łożyskowego powinien być zbliżony do wartości współczynnika materiału oprawy łożyska, gdyż w innym przypadku spowoduje to powstanie dużych naprężeń w łożysku;
• dobre własności ślizgowe podczas tarcia mieszanego, zabezpieczające przed zatarciem wysokoobciążonych łożysk przy niskiej prędkości obrotowej podczas rozruchu i zatrzymywania maszyny;
• wytrzymałość na zmęczenie, czyli zdolność wytrzymywania częstych obciążeń przemiennych;
• odpowiednią twardość łożyska, która z uwagi na potrzebę zapewnienia wysokiej odporności na ścieranie oraz wytrzymałości zmęczeniowej powinna być stosunkowo wysoka, lecz z drugiej strony mniejsza od twardości czopu, by ten nie zużywał się szybciej niż panewka (wymiana panewki jest znacznie łatwiejsza i tańsza niż regeneracja lub wymiana wału czy osi). Niezbyt wysoka twardość stopu łożyskowego wskazana jest także po to, by umożliwiać dopasowanie się panewki do czopa, czyli skompensowanie niewielkich wad jego kształtu i ustawienia oraz „wchłanianie” twardych cząstek pojawiających się w strefie styku w wyniku zanieczyszczeń lub wykruszeń. Dla różnych warunków pracy ustala się zatem zakres twardości stopów;
• odpowiednią wytrzymałość na ściskanie. Zmniejszenie grubości warstwy stopu łożyskowego powoduje wzrost wytrzymałości na ściskanie;
• ...
raciu68