Dlaczego w większości maszyn górniczych stosuje się łożyska toczne zamiast ślizgowych?

Jako niezbędny i ważny element produktów mechanicznych, łożyska odgrywają istotną rolę w podtrzymywaniu obracających się wałów. Ze względu na różne właściwości tarcia, łożyska dzielą się na łożyska toczne (zwane łożyskami tocznymi) i łożyska ślizgowe (zwane łożyskami ślizgowymi). Te dwa rodzaje łożysk mają swoje własne cechy konstrukcyjne i charakteryzują się własnymi zaletami i wadami w zakresie wydajności.

Porównanie łożysk tocznych i ślizgowych

1. Porównanie konstrukcji i sposobu ruchu

Najbardziej oczywista różnica między łożyskami tocznymi ałożyska ślizgoweobecność lub brak elementów tocznych.

Łożyska toczne posiadają elementy toczne (kulki, wałeczki walcowe, wałeczki stożkowe, wałeczki igiełkowe), które dzięki obrotowi podtrzymują obracający się wał. Dlatego częścią stykową jest punkt, a im więcej elementów tocznych, tym więcej punktów styku.

Łożyska ślizgowenie posiadają elementów tocznych i opierają się na gładkich powierzchniach, które podtrzymują obracający się wał, dzięki czemu częścią stykającą się jest powierzchnia.

 

Różnica w konstrukcji obu łożysk powoduje, że tryb ruchu łożyska tocznego jest toczny, a tryb ruchu łożyska ślizgowego jest ślizgowy, więc sytuacja tarcia jest zupełnie inna.

 

2. Porównanie nośności

Ogólnie rzecz biorąc, ze względu na dużą powierzchnię nośną łożyska ślizgowego, jego nośność jest zazwyczaj wyższa niż łożyska tocznego, a zdolność łożyska tocznego do przenoszenia obciążeń udarowych nie jest wysoka. Łożysko całkowicie smarowane cieczą może jednak przenosić duże obciążenia udarowe dzięki roli amortyzacji i pochłaniania drgań, jaką zapewnia film smarny. Przy wysokiej prędkości obrotowej wzrasta siła odśrodkowa elementów tocznych w łożysku tocznym, co zmniejsza jego nośność (hałas może występować przy dużych prędkościach). W przypadku dynamicznych łożysk ślizgowych, ich nośność rośnie wraz ze wzrostem prędkości.

 

3. Porównanie współczynnika tarcia i początkowego oporu tarcia

W normalnych warunkach pracy współczynnik tarcia łożysk tocznych jest niższy niż łożysk ślizgowych, a jego wartość jest bardziej stabilna. Smarowanie łożysk ślizgowych jest podatne na wpływ czynników zewnętrznych, takich jak prędkość i wibracje, a współczynnik tarcia ulega znacznym wahaniom.

 

Podczas rozruchu opór jest większy niż w przypadku łożyska tocznego, gdyż łożysko ślizgowe nie utworzyło jeszcze stabilnego filmu olejowego, ale początkowy opór tarcia i roboczy współczynnik tarcia hydrostatycznego łożyska ślizgowego są bardzo małe.

 

4. Porównanie obowiązujących prędkości roboczych

Ze względu na ograniczenie siły odśrodkowej elementu tocznego i wzrost temperatury łożyska, prędkość obrotowa łożyska tocznego nie może być zbyt wysoka i jest ono generalnie odpowiednie do pracy ze średnią i niską prędkością. W przypadku łożysk niepełnoobsmarowanych cieczą, ze względu na nagrzewanie się i zużycie łożyska, prędkość robocza nie powinna być zbyt wysoka. Łożyska w pełni smarowane cieczą charakteryzują się bardzo dobrą wydajnością przy dużych prędkościach obrotowych, zwłaszcza gdy hydrostatyczne łożyska ślizgowe są smarowane powietrzem, a ich prędkość obrotowa może sięgać 100 000 obr./min.

 

5. Porównanie strat mocy

Ze względu na niski współczynnik tarcia łożysk tocznych, ich straty mocy są zazwyczaj niewielkie, mniejsze niż w przypadku łożysk niepełnosmarowanych cieczą, ale znacznie wzrosną po prawidłowym nasmarowaniu i montażu. Straty mocy na skutek tarcia w łożyskach całkowicie smarowanych cieczą są niewielkie, ale w przypadku hydrostatycznych łożysk ślizgowych całkowita strata mocy może być wyższa niż w przypadku hydrostatycznych łożysk ślizgowych ze względu na utratę mocy pompy olejowej.

 

6. Porównanie okresu eksploatacji

Ze względu na wpływ wżerów i zmęczenia materiału, łożyska toczne są zazwyczaj projektowane na 5–10 lat lub wymieniane podczas remontu. Podkładki łożysk niekompletnie smarowanych cieczą są mocno zużyte i wymagają regularnej wymiany. Żywotność łożysk w pełni smarowanych cieczą jest teoretycznie nieograniczona, ale w praktyce może dojść do uszkodzenia zmęczeniowego materiału łożyska z powodu cyklicznych naprężeń, szczególnie w przypadku dynamicznych łożysk ślizgowych.

 

7. Porównanie dokładności obrotu

Łożyska toczne charakteryzują się zazwyczaj wysoką dokładnością obrotu dzięki małemu luzowi promieniowemu. Łożysko niesmarowane cieczą znajduje się w stanie smarowania granicznego lub mieszanego, co powoduje niestabilną pracę, znaczne zużycie i niską dokładność. Dzięki obecności filmu olejowego, łożysko smarowane cieczą amortyzuje i pochłania drgania z dużą dokładnością. Hydrostatyczne łożyska ślizgowe charakteryzują się wyższą dokładnością obrotu.

 

8. Porównanie innych aspektów

Łożyska toczne wykorzystują olej, smar lub stały środek smarny. Jego ilość jest bardzo mała, a przy dużej prędkości – duża. Wymagana jest wysoka czystość oleju, dlatego konieczne jest jego uszczelnienie. Łożysko jest jednak łatwe do wymiany i zazwyczaj nie wymaga naprawy czopu. W przypadku łożysk ślizgowych, oprócz łożysk z niepełnym smarowaniem cieczowym, środek smarny jest zazwyczaj płynny lub gazowy. Jego ilość jest bardzo duża, a wymagania dotyczące czystości oleju są również bardzo wysokie. Płytki łożyskowe wymagają częstej wymiany, a czasami naprawy czopu.

 

Dobór łożysk tocznych i ślizgowych

Ze względu na złożone i zróżnicowane warunki pracy, nie ma jednolitego standardu doboru łożysk tocznych i ślizgowych. Dzięki niskiemu współczynnikowi tarcia, niskim oporom rozruchu, czułości, wysokiej sprawności i standaryzacji, łożyska toczne charakteryzują się doskonałą wymiennością i wszechstronnością, a także są wygodne w użytkowaniu, smarowaniu i konserwacji. Są one zazwyczaj priorytetem w procesie doboru, dlatego są szeroko stosowane w maszynach ogólnego przeznaczenia. Same łożyska ślizgowe mają pewne unikalne zalety, które są zazwyczaj stosowane w sytuacjach, gdy łożyska toczne nie mogą być stosowane, są niewygodne lub pozbawione zalet, na przykład w następujących sytuacjach:

 

1. Rozmiar przestrzeni promieniowej jest ograniczony lub instalacja musi zostać podzielona

Ze względu na konstrukcję z pierścieniem wewnętrznym, pierścieniem zewnętrznym, elementem tocznym i koszykiem, łożysko toczne ma duży przekrój promieniowy, a jego zastosowanie jest ograniczone do pewnego stopnia. Łożyska igiełkowe są dostępne, gdy wymiary promieniowe są ściśle określone, a w razie potrzeby wymagane są łożyska ślizgowe. W przypadku części, których łożyskowanie jest niewygodne, których montaż w kierunku osiowym jest niemożliwy lub w których konieczne jest dzielenie elementów na części, stosuje się dzielone łożyska ślizgowe.

 

2. Okazje o wysokiej precyzji

W przypadku gdy łożysko ma wysokie wymagania dotyczące precyzji, zazwyczaj wybiera się łożysko ślizgowe, ponieważ warstwa smaru w łożysku ślizgowym może amortyzować drgania, a gdy wymagana jest wyjątkowo wysoka dokładność, można wybrać tylko hydrostatyczne łożysko ślizgowe. W precyzyjnych i wysokoprecyzyjnych szlifierkach, różnego rodzaju precyzyjnych instrumentach itp. łożyska ślizgowe są powszechnie stosowane.

 

3. Okazje dużego obciążenia

Łożyska toczne, zarówno kulkowe, jak i wałeczkowe, są podatne na przegrzanie i zmęczenie w warunkach dużego obciążenia. Dlatego przy dużym obciążeniu najczęściej stosuje się łożyska ślizgowe, np. w walcowniach, turbinach parowych, akcesoriach silników lotniczych i maszynach górniczych.

 

4. Inne okazje

Na przykład, gdy prędkość robocza jest szczególnie wysoka, wstrząsy i wibracje są niezwykle duże, a ponadto zachodzi konieczność pracy w wodzie lub środowisku korozyjnym itp., wówczas można rozsądnie dobrać łożyska ślizgowe.

 

W przypadku pewnego rodzaju maszyn i urządzeń, zastosowanie łożysk tocznych i ślizgowych ma swoje zalety i wady, a ich dobór powinien być uzasadniony w zależności od potrzeb projektu. W przeszłości duże i średnie kruszarki zazwyczaj stosowały łożyska ślizgowe odlewane z babbitu, ponieważ wytrzymywały one duże obciążenia udarowe, były bardziej odporne na zużycie i stabilne. Małe kruszarki szczękowe są najczęściej stosowane z łożyskami tocznymi, które charakteryzują się wysoką sprawnością przekładni, są bardziej czułe i łatwe w konserwacji. Wraz z rozwojem technologii produkcji łożysk tocznych, większość dużych kruszarek szczękowych jest również wykorzystywana do kruszenia łożysk tocznych.