Dobór materiałów
na łożyska
ślizgowe
Dobór materiałów
na łożyska
ślizgowe
Praca łożyska ślizgowego zależy w dużym stopniu od własności pary materiałów:
czopa i panwi łożyska. Ponieważ czopy wałów są najczęściej stalowe, o dość
zbliżonych własnościach, zatem w celu uzyskania możliwie najkorzystniejszych
warunków pracy łożyska należy dobierać odpowiednie materiały na panwie łożysk
(materiały łożyskowe). Od materiałów łożyskowych wymaga się wysokiej
wytrzymałości mechanicznej na obciążenia statyczne i dynamiczne,
odporności na zatarcie, odporności na korozję, małego współczynnika
tarcia odpowiedniej rozszerzalności cieplnej, dobrego przewodzenia
ciepła, dobrej odkształcalności, dobrej obrabialności, a także niskiej
ceny. Do najczęściej stosowanych materiałów należą stopy łożyskowe, np. stopy
cynowe, zwane babbitami, o składzie: 89%Sn, 8%Sb i 3%Cu lub zbliżonymi(np.
krajowy stop Ł83 zawiera 83%Sn, 11% Sb i 6%Cu). Stopy te odznaczają się bardzo
dobrymi własnościami ślizgowymi, dobrą odkształcalnością, odpornością na
zatarcie i odpornością na korozję. Stosuje się je w postaci warstwy wylewnej na
podłożu stalowym. Podobne własności mają stopy ołowiowe, np. Ł16 (16%Sb,
2%Cu, 16%Sn, reszta Pb). Są one nieco bardziej miękkie, ale tańsze. Do
materiałów często stosowanych należą brązy odlewnicze cynowe i ołowiowe o
dużej twardości i wytrzymałości. Używane są do pracy w najcięższych warunkach,
m.in. przy obciążeniach zmiennych i uderzeniowych, gdzie własności
wytrzymałościowe są ważniejsze od własności ślizgowych.
Nazwa gatunku
i symbol
Zastosowanie
Dane orientacyjne
warunków pracy
Cynowo-antymonowo-
miedziowy
SnSb8Cu4
SnSb12Cu6Pb
panwie łożysk ślizgowych
pracujących w ruchu ciągłym
przy obciążeniach
statycznych i dynamicznych
oraz bardzo dużych
prędkościach obwodowych
czopa
nacisk do 10MPa,
prędkość obwodowa
v>5 m/s,
(pv)
dop
<50 Mpa m/s,
t
dop
<110
o
C
Ołowiowo-cynowo-
-antymonowo-
-miedziowy
PbSb15SnAs
pawie łożysk ślizgowych
pracujących przy średnim
natężeniu pracy
, obciążeniu statycznym i du-
żych prędkościach
obwodowych czopa.
nacisk do 10MPa,
prędkość obwodowa
v>15 m/s,
(pv)
dop
<15 Mpa m/s,
t
dop
<120
o
C
Ołowiowo-cynowo-
-antymonowo-
-miedziowy
PbSb14Sn9As
panwie łożysk ślizgowych
pracują-
cych przy średnich
obciążeniach
udarowych lub przy dużych
obciąże-
niach statycznych i średnich
prędkościach obwodowych
nacisk do 10MPa,
prędkość obrotowa
v>1,5 m/s,
(pv)
dop
<30 Mpa m/s,
t
dop
<130
o
C
Ołowiowo-cynowo-
-antymonowy
PbSb10Sn6
panwie łożysk
samochodowych
pracujących przy
obciążeniach ude-
żeniowych o dużym
natężeniu pracy
obciążenie udarowe jak
w silnikach gaźnikowych
przemysłu samochodo-
wego, grubość warstwy
stopu poniżej 0.5mm
Tab. 3 Stopy łożyskowe cyny i ołowiu wg PN-ISO 4381:1997
Obliczanie
poprzecznych łożysk
ślizgowych
Przed przystąpieniem do projektowania należy określić, które parametry
należą do założeń konstrukcyjnych, a które są obliczane w trakcie
projektowania. W łożyskach ślizgowych, stałymi parametrami, na które
konstruktor nie ma wpływu są: obciążenie łożyska, prędkość obrotowa
wału i temperatura otoczenia. Czasami ograniczone są również wymiary
łożyska, średnica i długość czopa a także materiał czopa i panwi.
Wynikiem projektowania są parametry niezbędne do jego wykonania,
czyli minimalna średnica i długość czopa, luzy (minimalny i
maksymalny) oraz parametry charakteryzujące pracę łożyska:
minimalna grubość warstwy smaru, luz promieniowy, współczynnik
tarcia, średnia temperatura robocza oleju, lepkość oleju w temperaturze
roboczej itp. Większość parametrów możliwa jest do obliczenia tylko i
wyłącznie przy zastosowaniu hydrodynamicznej zasady smarowania.
Aby łożysko spełniało wymagania konstrukcyjne należy w procesie
projektowania sprawdzić warunki wytrzymałościowe i hydrodynamiczne
łożyska.
W pierwszej kolejności obliczane są wymiary łożyska w oparciu o wzór
określający średni obliczeniowy nacisk powierzchniowy:
Gdzie:
P
- siła obciążająca łożysko,
d
- średnica czopa,
l
- długość czopa,
P
dop
- nacisk dopuszczalny uzależniony od rodzaju zastosowanego materiału.
Jest to tzw. warunek nacisku dopuszczalnego dla materiału panwi.
Wielkość nacisku dopuszczalnego nie jest uzależniona od twardości
materiału, lecz od jego zdolności do dotarcia się z czopem.
Warunek sprawdzany jest ponieważ w momencie rozruchu łożyska,
w najbardziej newralgicznym momencie ze względu na
niedostateczne jego smarowanie występuje tarcie graniczne lub
mieszane.
Schemat obciążenia łożyska poprzecznego
Można zatem przyjąć, że siła P działa w środku czopa. W takim
przypadku korzystamy z zależności:
gdzie:
σ
g
- naprężenie gnące w czopie,
M
g
- moment gnący,
W
x
- wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie.
Dopuszczalne naprężenie gnące oznaczone jako k
go
jest zależne
od materiału czopa i współczynnika bezpieczeństwa
(przyjmowany najczęściej 3,5)
gdzie Z
go
- wytrzymałość zmęczeniowa materiału przy
obustronnym zginaniu naprężeń zginających w czopie.
Przyjmując 16/π = 5 ze wzorów (1), (2) z uwzględnieniem warunku
nieprzekraczania naprężeń zginających (3) można wyznaczyć
wymiary łożyska:
Wartość
λ=l/d
powinna bezwzględnie zawierać się przedziale
<0.25...3> najlepiej jednak gdy jest bliska jedności a wręcz równa 1.
W praktyce korzystne jest przyjmowanie kilkakrotnie większych
wymiarów średnicy i długości czopa.
Druga część projektowania skupia się na obliczeniach hydrodynamicznych.
Do obliczeń hydrodynamicznych stosuje się równanie Reynoldsa, które jest w
tym przypadku fundamentalnym równaniem umożliwiającym dokładne
wyznaczenie rozkładu ciśnienia w warstwie smaru. Równanie Reynoldsa jest
równaniem skomplikowanym i nie posiada analitycznego rozwiązania w
związku z tym, wszystkie metody wyznaczania parametrów pracy
hydrodynamicznej łożyska opierają się na obliczeniach przybliżonych
(uproszczonych). W tym przypadku zastosowana została metoda analityczno-
graficzna z użyciem odpowiednich wykresów. Aby obliczenia były poprawne
należy przyjąć następujące złożenia:
• grubość filmu olejowego h jest mała w porównaniu z pozostałymi
wymiarami łożyska,
• ciśnienie hydrodynamiczne wzdłuż grubości filmu olejowego jest stałe,
• cząsteczka cieczy bezpośrednio przylegającą do powierzchni ograniczającej
ma taką samą prędkość jak ta powierzchnia,
• siły masowe są pomijalnie małe w porównaniu z siłami lepkości,
• ciecz smarna (olej) jest cieczą newtonowską i nieściśliwą,
• przepływ przez szczelinę jest laminarny,
• pomija się przepływ oleju w kierunku osiowym,
• lepkość dynamiczna oleju jest stała.
Dla takich założeń uzyskuje się tzw. zredukowaną postać równania Reynoldsa.