Łożyska samosmarujące eliminują potrzebę stosowania zewnętrznego smaru lub oleju poprzez uwalnianie środka smarnego z samego materiału łożyska — co czyni je idealnymi do zastosowań w środowiskach bezobsługowych, o wysokiej temperaturze lub wrażliwych na zanieczyszczenia. Są wykonane z materiałów takich jak brąz spiekany, kompozyty PTFE, metale z osadzonym grafitem i polimery konstrukcyjne, każdy dostosowany do różnych warunków obciążenia, prędkości i temperatury.
Z czego wykonane są łożyska samosmarujące?
Działanie łożyska samosmarującego zależy prawie całkowicie od materiału bazowego. Różne receptury służą radykalnie różnym warunkom pracy.
| Materiał | Mechanizm smarujący | Maksymalna temperatura (°C) | Typowa ładowność |
|---|---|---|---|
| Brąz spiekany (impregnowany olejem) | Olej przechowywany w porowatej matrycy; uwalniany pod wpływem ciepła/ciśnienia | 120°C | Średni |
| Kompozyt PTFE | PTFE przenosi cienką warstwę na współpracującą powierzchnię | 280°C | Niski–Średni |
| Brąz/stal z osadzonym grafitem | Stałe korki grafitowe rozmazują się na wale podczas obrotu | 400°C | Wysoka |
| Grafit węglowy | Wewnętrzna krystaliczna struktura grafitu zapewnia smarowanie | 500°C | Niski–Średni |
| Zaprojektowane polimery (PEEK, nylon, acetal) | Matryca polimerowa o niskim współczynniku tarcia; czasami wypełnione PTFE | 250°C (PEEK) | Niski–Średni |
| Bimetal (PTFE na podłożu stalowym/brąz) | Nakładka z PTFE lub brązu ołowiowego na stalowej obudowie | 280°C | Wysoka |
Brąz spiekany (impregnowany olejem)
Łożyska te, zwane także łożyskami „oilite”, są produkowane poprzez zagęszczenie proszku brązu i spiekanie go w wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje porowata struktura, która jest następnie impregnowana próżniowo olejem. Zawartość oleju zazwyczaj stanowi 15–30% objętości łożyska. Podczas obracania się wału pod wpływem ciepła i ciśnienia olej wypływa na powierzchnię, tworząc film smarujący. Kiedy wał się zatrzyma, olej jest wciągany z powrotem do porów w wyniku działania kapilarnego.
Łożyska kompozytowe PTFE
Politetrafluoroetylen (PTFE) ma jeden z najniższych współczynników tarcia ze wszystkich materiałów stałych (μ ≈ 0,04–0,10). W postaci łożyska PTFE zazwyczaj miesza się z wypełniaczami — włóknem szklanym, brązem, węglem lub grafitem — w celu poprawy jego nośności i odporności na zużycie. Gdy wał dotyka łożyska, na powierzchni współpracującej tworzy się cienka warstwa transferu PTFE, zapewniając ciągłe smarowanie.
Łożyska metalowe z osadzonym grafitem
Łożyska te są wykonane z odlewanego lub spiekanego brązu lub stali z cylindrycznymi korkami grafitowymi wciśniętymi w precyzyjnie obrobione otwory. Korki grafitowe stanowią 20–35% powierzchni łożyska. Gdy wał się obraca, grafit rozmazuje się po strefie styku, działając jak stały smar. Dzięki temu szczególnie nadają się do środowisk, w których oleje mogą się spalać, zmywać lub zanieczyszczać produkty – takich jak piekarniki lub linie przetwarzania żywności.
Grafit węglowy
Łożyska z czystego węgla i grafitu opierają się na warstwowej strukturze krystalicznej grafitu, w której warstwy atomowe łatwo przesuwają się po sobie. Są chemicznie obojętne, stabilne wymiarowo i skuteczne w działaniu pary, kwasów i temperatur przekraczających 500°C – czyli warunków, które zniszczyłyby każde nasmarowane łożysko metalowe.
Zaprojektowane łożyska polimerowe
Materiały takie jak PEEK (polieteroeteroketon), acetal (POM) i nylon mają z natury niskie tarcie i można je łączyć z PTFE lub dwusiarczkiem molibdenu (MoS₂), aby uzyskać jeszcze mniejsze zużycie. Są lekkie, odporne na korozję i nieprzewodzące prądu elektrycznego – to kluczowe zalety w urządzeniach medycznych i elektronice.
Jak działają łożyska samosmarujące?
Zasada działania różni się w zależności od rodzaju materiału, ale wszystkie łożyska samosmarujące mają wspólny cel: dostarczanie środka smarnego do powierzchni stykowej bez zasilania zewnętrznego.
Uwalnianie filmu płynnego (łożyska porowate/spiekane)
W łożyskach spiekanych smarowanie jest hydrodynamiczne. Kiedy wał zaczyna się obracać, ciepło tarcia i ciśnienie mechaniczne powodują migrację zmagazynowanego oleju z porów na powierzchnię łożyska, tworząc ciągłą warstwę płynu. Wałek skutecznie „unosi się” na tej folii, zapobiegając kontaktowi metalu z metalem. Dobrze zaprojektowane łożysko z brązu spiekanego może pracować od 3 000 do 10 000 godzin bez ponownego smarowania w umiarkowanych warunkach (prędkości poniżej 3 m/s, obciążenia poniżej 7 MPa).
Transfer folii stałej (łożyska z PTFE i grafitu)
Łożyska ze smarem stałym działają poprzez trybologiczne przenoszenie filmu. W ciągu pierwszych kilku cykli pracy na współpracującej powierzchni wału osadza się mikroskopijna warstwa PTFE lub grafitu. Ta folia transferowa — zwykle o grubości 0,1–1 μm — jest bardzo przyczepna i działa jak trwała powierzchnia styku o niskim współczynniku tarcia. Po okresie docierania można osiągnąć współczynniki tarcia już od 0,03–0,08.
Smarowanie graniczne (łożyska bimetaliczne)
Łożyska bimetaliczne typu DU (podłoże stalowe, warstwa pośrednia z brązu spiekanego PTFE/powierzchnia ołowiu) działają na granicy smarowania płynnego i stałego. Warstwa powierzchniowa PTFE wytrzymuje warunki przy niskich prędkościach i dużych obciążeniach, w których nie może utworzyć się pełna warstwa płynu. To sprawia, że są to łożyska samosmarujące o najwyższej nośności na rynku – zdolne do wytrzymywania obciążeń dynamicznych do 250 MPa w niektórych konstrukcjach typu DU.
Który materiał jest najlepszy na łożyska samosmarujące?
Nie ma jednego „najlepszego” materiału — właściwy wybór zależy od obciążenia, prędkości, temperatury, środowiska i materiału wału. Aby zawęzić wybór, użyj następujących kryteriów:
- Wysoka prędkość, umiarkowane obciążenie, czyste środowisko: Brąz spiekany (impregnowany olejem) jest standardowym wyborem. Jest ekonomiczny, szeroko dostępny w rozmiarach zgodnych ze standardami ISO i ANSI i dobrze sprawdza się w silnikach elektrycznych, pompach i sprzęcie biurowym.
- Duże obciążenie, niska prędkość, ruch oscylacyjny lub przerywany: Optymalne są łożyska bimetaliczne typu DU lub brąz z osadzonym grafitem. Ruch oscylacyjny (jak w zawieszeniu pojazdów lub połączeniach sprzętu budowlanego) zapobiega tworzeniu się filmu hydrodynamicznego, dlatego niezbędne są smary stałe.
- Wysoka temperatura (>200°C): Wymagane są łożyska metalowe z osadzonym grafitem lub grafit węglowy. Łożyska olejowe i polimerowe ulegają degradacji w temperaturze powyżej 120–150°C.
- Środowiska chemiczne lub korozyjne: Najlepsze są kompozyty PTFE lub grafit węglowy. Są obojętne na większość kwasów, zasad i rozpuszczalników.
- Zastosowania w żywności, medycynie lub pomieszczeniach czystych: Łożyska polimerowe na bazie PTFE lub zgodne z FDA eliminują ryzyko zanieczyszczenia olejami i smarami.
- Zastosowania lekkie lub nieprzewodzące: Zaprojektowane polimery (PEEK, acetal) zmniejszają masę łożyska nawet o 80% w porównaniu do odpowiedników brązu i zapewniają izolację elektryczną.
W przypadku większości ogólnych zastosowań przemysłowych, gdzie głównymi czynnikami są koszt, obciążenie i umiarkowana prędkość, spiekany brąz pozostaje najpowszechniej stosowanym samosmarującym materiałem łożyskowym na świecie. Do wymagających zastosowań wymagających zerowej konserwacji i wysokiej niezawodności, Łożyska bimetaliczne pokryte PTFE (seria DX lub DU) stanowią punkt odniesienia dla inżynierii.
Gdzie stosuje się łożyska samosmarujące?
Ich bezobsługowy charakter i wszechstronność sprawiają, że łożyska samosmarujące są standardowym komponentem w wielu gałęziach przemysłu.
Motoryzacja i transport
Łożyska bimetaliczne i kompozytowe z PTFE są szeroko stosowane w układach zawieszenia pojazdów, drążkach kierowniczych, zawiasach drzwi, regulatorach siedzeń i elementach przekładni. Miejsca te są trudne do ponownego smarowania w trakcie eksploatacji i często są narażone na działanie wody, błota i dużych wahań temperatur (od -40°C do 150°C). Główni dostawcy z branży motoryzacyjnej wybierają łożyska typu DU do przegubów kulowych zawieszenia i mocowań amortyzatorów ze względu na ich zdolność do przenoszenia obciążeń oscylacyjnych bez smarowania.
Lotnictwa i Obrony
W powierzchniach sterowych samolotu, mechanizmach podwozia i osprzęcie silnika zastosowano łożyska z kompozytu PTFE lub grafitu węglowego. Oszczędność masy ma kluczowe znaczenie — polimerowe łożysko w drążku sterującym lotem może zaoszczędzić 60–70% masy odpowiednika ze stali smarowanej. Normy FAA i MIL-SPEC regulują wydajność łożysk w wielu z tych zastosowań.
Przetwarzanie żywności i napojów
Systemy przenośników, maszyny pakujące i linie rozlewnicze wymagają łożysk, które wytrzymują zmywanie wodą lub żrącymi środkami czyszczącymi i nie powodują ryzyka zanieczyszczenia olejem. Łożyska ze stali nierdzewnej z osadzonym grafitem i łożyska z PTFE zatwierdzone przez FDA to dominujący wybór, a temperatury robocze często sięgają 120–180°C w tunelach do pieczenia lub sterylizacji.
Przemysł hydroelektryczny i ciężki
Duże łożyska węglowo-grafitowe są stosowane w turbinach wodnych i pompach głębinowych, gdzie sama woda działa jako dodatkowy smar obok grafitu. Do łożysk prowadzących turbin produkowane są łożyska o średnicy do 500 mm, a okresy międzyobsługowe wynoszą 20 lat.
Sprzęt budowlany i górniczy
Ramiona koparki, sworznie spycharek, wieńce obrotowe dźwigów i punkty obrotowe wiertnicy działają pod ekstremalnymi obciążeniami i powolnym ruchem oscylacyjnym — dokładnie w warunkach, w których łożyska smarowane smarem ulegają najszybciej (smar jest wyrzucany pod dużym naprężeniem kontaktowym). Łożyska z brązu lub bimetalu z osadzonym grafitem są standardem w tych punktach obrotowych, a niektóre konstrukcje są przystosowane do nacisków kontaktowych przekraczających 100 MPa.
Wyroby medyczne i sprzęt laboratoryjny
Maszyny MRI, roboty chirurgiczne i sprzęt diagnostyczny wymagają łożysk, które są niemagnetyczne, nieprzewodzące, nadające się do sterylizacji i całkowicie bezolejowe. Łożyska z kompozytów PEEK i PTFE spełniają wszystkie te wymagania i są stosowane w prowadnicach liniowych, mechanizmach skanujących i głowicach pomp w tym sektorze.
Elektronika użytkowa i sprzęt biurowy
Drukarki, skanery, wentylatory komputerowe i dyski twarde wykorzystują małe łożyska ze spiekanego brązu lub polimeru, które muszą pracować cicho i niezawodnie przez 5 000–15 000 godzin bez żadnej konserwacji ze strony użytkownika. Niski koszt i niewielki rozmiar tych łożysk (często średnica otworu 3–10 mm) sprawiają, że brąz spiekany jest dominującym wyborem przy dużych nakładach produkcyjnych.
