Što su samopodmazujući ležajevi? Vrste, upotreba i odabir

Što su samopodmazujući ležajevi i kako rade

Definirajuća značajka samopodmazujućih ležajeva je njihova sposobnost stvaranja kontinuiranog filma maziva iz samog materijala ležaja, bez ikakvog vanjskog napajanja. To se događa kroz jedan od tri primarna mehanizma:

Jesu li klizni ležajevi samopodmazujući?

Klizni ležajevi (također zvani klizni ležajevi ili klizni ležajevi) mogu biti ili konvencionalno podmazivi ili samopodmazujući, ovisno o materijalu njihove konstrukcije. Razlika je važna pri odabiru aplikacija koje ne zahtijevaju održavanje.

Klizna ležišta od sinterirane bronce su najrašireniji tip samopodmazujućih kliznih ležajeva. ISO 2795 i MPIF standard 35 definiraju zahtjeve za sadržaj ulja za ove komponente — standardna klasa sadrži najmanje 19% ulja po volumenu . Nalaze se u električnim motorima, kućanskim aparatima, uredskoj opremi i pomoćnim automobilskim pogonima gdje je pristup ležajevima zabrtvljen ili otežan.

Klizni ležajevi od čvrstog polimera izrađeni od acetala (POM), najlona (PA6/PA66) ili PEEK-a s unutarnjim aditivima za podmazivanje još su jedan format samopodmazujućih rukava. Oni rade bez ikakvog ulja, što ih čini prikladnima za preradu hrane, medicinske uređaje i podvodne primjene gdje je zabranjena kontaminacija uljem.

Hidrodinamički klizni ležajevi s čeličnom podlogom — kao što su oni koji se koriste u velikim koljenastim vratilima i rukavcima turbina — nisu samopodmazujući. Stalno zahtijevaju dovod ulja pod tlakom kako bi održali hidrodinamički klin koji odvaja osovinu od ležaja. Neuspjeh u opskrbi uljem uzrokuje trenutni kvar ležaja u ovim izvedbama.

Jesu li keramički ležajevi samopodmazujući?

Keramički ležajevi često se reklamiraju s izrazom "rade na suho" — što stvara zabunu o tome jesu li doista samopodmazujući. Precizan odgovor je: ne, keramički ležajevi nisu samopodmazujući , ali njihova svojstva materijala značajno smanjuju zahtjeve za podmazivanjem u usporedbi s čelikom.

Silicijev nitrid (Si3N4), najčešći materijal za keramičke ležajeve, ima nekoliko svojstava koja smanjuju ovisnost o mazivu:

• Površinska tvrdoća od 1.400–1.600 HV u odnosu na 700–800 HV za ležajni čelik — smanjenje adhezivnog trošenja u graničnim uvjetima podmazivanja
• Gustoća od 3,2 g/cm³ naspram 7,8 g/cm³ za čelik — generiranje nižih centrifugalnih sila na trkaćoj stazi pri velikoj brzini, dopuštajući tanjim filmovima maziva da zadrže odvajanje
• Nizak koeficijent toplinske ekspanzije ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) — smanjenje varijacije unutarnjeg zazora s promjenama temperature koje bi istisnule mazivo u čeličnom ležaju
• Nemagnetski i električno nevodljivi — sprječava degradaciju maziva uslijed elektrostatičkog pražnjenja do koje dolazi u čeličnim ležajevima koji se koriste u pogonima s promjenjivom frekvencijom

U praksi, puni keramički ležajevi mogu preživjeti kratka razdoblja bez podmazivanja u čistim uvjetima niskog opterećenja — osobito pri vrlo velikim brzinama gdje je vrijeme kontakta po okretaju izuzetno kratko. Ali za kontinuirani rad, mazivo - čak i minimalni suhi film - još uvijek je potrebno kako bi se spriječio progresivni zamor površine. Hibridni keramički ležajevi (keramičke kuglice, čelični prstenovi) gotovo uvijek zahtijevaju konvencionalno podmazivanje.

Trebaju li konvencionalni ležajevi podmazivati?

Da — svi konvencionalni kotrljajući ležajevi (kuglični ležajevi, cilindrični valjkasti ležajevi, konusni valjkasti ležajevi, igličasti ležajevi) zahtijevaju podmazivanje tijekom cijelog radnog vijeka. Mazivo obavlja četiri funkcije koje sama geometrija ležaja ne može ponoviti:

• Stvaranje elastohidrodinamičkog filma: Film pod pritiskom 0,1 do 1,0 mikrona odvaja kotrljajuće elemente od trkaće staze pod opterećenjem, sprječavajući kontakt metala s metalom
• Rasipanje topline: Cirkulirajuće ulje u velikim ležajevima uklanja toplinu generiranu kotrljajućim kontaktom i otporom kaveza - kritično kada radi iznad 50% nazivnog dinamičkog opterećenja ležaja
• Zaštita od korozije: Mast i ulje istiskuju vlagu s kontaktnih površina; bez podmazivanja, čelik za ležajeve korodira unutar nekoliko sati u vlažnom okruženju
• Isključenje zagađivača: Mast nabijena u šupljinu ležaja stvara fizičku barijeru protiv prašine i abrazivnih čestica koje bi inače uzrokovale trošenje od tri tijela

Posljedice neodgovarajućeg podmazivanja su teške: studije SKF-a i NSK-a to pokazuju preko 36% prijevremenih kvarova kotrljajućih ležajeva mogu se pripisati problemima s podmazivanjem — uključujući nedovoljnu količinu, pogrešnu vrstu maziva, onečišćeno mazivo ili netočne intervale ponovnog podmazivanja. Za usporedbu, kvarovi uslijed zamora pod pravilnim podmazivanjem čine samo 14% kvarova na terenu.

Uspoređeni tipovi samopodmazujućih ležajeva

Odabir odgovarajuće vrste samopodmazujućih ležajeva zahtijeva usklađivanje radnih uvjeta sa specifičnim mogućnostima materijala. Tablica u nastavku sažima ključne parametre izvedbe:

Gdje samopodmazujući ležajevi nadmašuju podmazane alternative

Postoje posebna radna okruženja u koja se prelazi samopodmazujući ležajevi donosi mjerljive prednosti u odnosu na konvencionalno podmazane ležajeve:

• Primjene s osciliranjem i sporom rotacijom: Ležajevi podmazani mašću pri sporom oscilirajućem kretanju (manje od 1 okretaja u minuti) nikad ne stvaraju hidrodinamički film — u najboljem slučaju rade granično podmazani. Ležajevi s krutim mazivom podnose ove uvjete pri koeficijentima trenja od 0,05 do 0,15 bez promjene mehanizma trošenja pri maloj brzini.
• Ispiranje i potopljeno okruženje: Linije za preradu hrane, oprema za pranje automobila i brodski hardver izlažu ležajeve prodoru vode koja razrjeđuje mast. Ležajevi od sinteriranog polimera i bronca s grafitnim čepovima u potpunosti eliminiraju ovaj način kvara.
• Zone visoke temperature: Konvencionalne masti razgrađuju se iznad 180°C; sintetičke masti produžuju to na otprilike 260°C. Brončani ležajevi obloženi grafitom rade neprekidno do 400°C u kotačima peći, pokretnim valjcima i opremi peći za žarenje stakla.
• Okruženje vakuuma i čiste sobe: Masti isparavaju u vakuumu, zagađujući optičke instrumente i poluvodičku opremu. Ležajevi suhog filma na bazi PTFE-a standardni su u satelitskim mehanizmima i stupovima elektronskog mikroskopa gdje je tlak pare ispod 10⁻⁸ Pa je potrebno.
• Smanjenje troškova životnog ciklusa: Studija o programima zamjene ležajeva komunalnih postrojenja za pročišćavanje vode otkrila je da je zamjena čahura zasuna s podmazane bronce na ležajeve impregnirane grafitom smanjila troškove rada za održavanje 62% tijekom razdoblja od 10 godina ukidanjem kvartalnih rundi podmazivanja.

Ključni parametri odabira i uobičajene pogreške veličine

Vrijednost PV — umnožak tlaka u ležaju (P, u MPa) i brzine klizanja (V, u m/s) — primarni je parametar odabira za samopodmazive klizne ležajeve. Svaki materijal ležaja ima maksimalnu PV vrijednost iznad koje se film maziva ne može održati i temperatura površine ležaja raste do destruktivnih razina.

Tri pogreške u dimenzioniranju uzrokuju većinu prijevremenih kvarova samopodmazujućih ležajeva na terenu:

• Ignoriranje PV ograničenja u uvjetima vršnog opterećenja: Ležaj ocijenjen na PV = 0,10 MPa·m/s može biti ispravno dimenzioniran za normalan rad, ali otkazati tijekom pokretanja ili udarnog opterećenja ako se trenutni PV u tim trenucima ne provjeri. Vršne PV vrijednosti mogu biti 3 do 5 puta veće od vrijednosti u stacionarnom stanju kod klipnih strojeva.
• Neispravna specifikacija završne obrade površine osovine: Samopodmazujući ležajevi require a shaft roughness of Ra 0,4 do 0,8 mikrona za optimalno stvaranje prijenosnog filma. Osovine polirane ispod Ra 0,2 mikrona ne daju dovoljno oštre teksture za PTFE ili grafit za učvršćivanje, usporavajući stvaranje filma i povećavajući rano trošenje. Osovine grublje od Ra 1,6 mikrona bruše površinu ležaja prije nego što se film može stvoriti.
• Podcjenjivanje učinaka toplinske ekspanzije na zazor: Polimerni ležajevi imaju koeficijent toplinske ekspanzije 5 do 10 puta veći od čeličnih kućišta. PEEK ležaj s promjerom zazora od 0,05 mm na 20°C može imati nulti zazor — ili smetnje — na 150°C ako omjer promjera kućišta i ležaja i kombinacija materijala nisu ispravno izračunati u fazi projektiranja.