Understanding How Ball Bearings Reduce Friction in Machinery for Better Performance

Inżynier zajmujący się konserwacją opisał niedawno dziwny problem. Silnik o mocy 15 kW na linii przenośnika pracował w temperaturze o 12 K wyższej od temperatury na tabliczce znamionowej. Smar wokół uszczelnienia wału odbarwił się i miesięczne odczyty energii rosły. Silnik był w porządku; łożyska nie były. Kiedy prawidłowo dobrane łożyska kulkowe zwykłe wymieniły zużyte tuleje tulejowe, temperatura silnika wróciła do normy w ciągu kilku godzin. Tak w praktyce wygląda pytanie „jak łożyska kulkowe zmniejszają tarcie w maszynach”.

Krótka odpowiedź jest taka, że ​​łożyska kulkowe zastępują tarcie ślizgowe tarciem tocznym. Ponieważ kontakt toczny pomiędzy kulkami i bieżniami ma współczynnik tarcia w przybliżeniu jedną setną współczynnika tarcia nasmarowanej powierzchni ślizgowej, łożysko kulkowe radykalnie zmniejsza straty tarcia. Przekłada się to na mniej marnowanej energii, mniej ciepła, wolniejsze zużycie i dłuższą żywotność maszyny.

Dlaczego kontakt toczny bije kontakt ślizgowy

Dowolne dwie powierzchnie, które poruszają się względem siebie, powodują tarcie. Kiedy dwie płaskie lub cylindryczne powierzchnie ślizgają się, powierzchnia styku jest stosunkowo duża, a siła potrzebna do utrzymania ich w ruchu zależy od współczynnika tarcia pomiędzy materiałami. Wał gładki obracający się w łożysku ślizgowym, nawet dobrze nasmarowany, ma zazwyczaj współczynnik tarcia w zakresie od 0,08 do 0,15. Jeśli smarowanie ulegnie awarii, wartość ta wzrasta do 0,4 lub więcej.

Łożysko kulkowe całkowicie zmienia obraz. Obciążenie przenoszone jest przez kulki ze stali hartowanej, które toczą się po zakrzywionych bieżniach. Zamiast drapać po dużym obszarze, każda piłka toczy się po małej powierzchni styku. Z tego powodu współczynnik tarcia właściwie nasmarowanego łożyska kulkowego zwykłego wynosi zazwyczaj od 0,001 do 0,005, czyli o jeden do dwóch rzędów wielkości mniej niż styk ślizgowy.

Co właściwie dzieje się wewnątrz łożyska kulkowego

Aby zrozumieć, dlaczego łożyska kulkowe tak skutecznie zmniejszają tarcie, warto przyjrzeć się częściom będącym w ruchu. Łożysko kulkowe ma cztery grupy funkcjonalne: pierścień wewnętrzny, pierścień zewnętrzny, zestaw kulek i koszyk. Pierścień wewnętrzny jest dociskany do wału; pierścień zewnętrzny znajduje się w obudowie. Kiedy wał się obraca, pierścień wewnętrzny obraca się, a kulki toczą się po rowkach bieżni obu pierścieni.

Kontakt pomiędzy każdą kulką a bieżnią nie jest pojedynczym punktem, ale małym eliptycznym obszarem utworzonym w wyniku odkształcenia sprężystego pod obciążeniem, powszechnie zwanego kontaktem hertza. Nawet przy umiarkowanych obciążeniach obszar ten jest niewielki w porównaniu z powierzchnią styku ślizgowego łożyska ślizgowego. Ponieważ kulka toczy się, a nie ślizga, względna prędkość na styku jest znacznie niższa, a energia jest rozpraszana w wyniku gwałtownego spadku tarcia.

Łożysko kulkowe nie jest całkowicie pozbawione tarcia. Opór toczenia wynika z histerezy sprężystości stali, mikropoślizgu pomiędzy kulkami a bieżniami, tarcia w koszyku i ścinania filmu smarnego. Elementy te są małe, ale mają znaczenie w zastosowaniach precyzyjnych. Dlatego geometria, wykończenie powierzchni i jakość materiału łożyska mają bezpośredni wpływ na wytwarzane przez nie tarcie.

Czynniki zwiększające lub zmniejszające tarcie łożyska

Różnica między płynnie pracującym łożyskiem a łożyskiem, które się przegrzewa, często sprowadza się do kilku czynników roboczych. Zrozumienie ich pomaga inżynierom wybrać właściwe łożysko i uniknąć przedwczesnych awarii.

Obciążenie i prędkość

Wraz ze wzrostem obciążenia zwiększa się odkształcona powierzchnia styku i wzrasta opór toczenia. Szczególnie wpływowe jest obciążenie osiowe: zmuszanie łożyska zwykłego do wytrzymywania ciągłego obciążenia wzdłużnego zauważalnie zwiększa tarcie. Przy wyższych prędkościach siła odśrodkowa wypycha kulki na zewnątrz, zwiększając obciążenie wewnętrzne i zwiększając moment tarcia.

Smarowanie

Właściwy smar utrzymuje cienką warstwę pomiędzy kulkami i bieżniami, oddzielając powierzchnie i redukując zarówno tarcie, jak i zużycie. Nadmierne smarowanie jest częstym błędem: napełnienie komory łożyska powyżej poziomu około 30 procent przy niskiej prędkości lub 20 procent przy dużej prędkości powoduje ubijanie i podnosi temperaturę roboczą.

Pieczęcie i tarcze

Bezdotykowe osłony metalowe, oznaczone jako ZZ, zatrzymują duże cząstki i prawie nie powodują tarcia. Gumowe uszczelki kontaktowe, oznaczone jako 2RS, zapewniają lepszą ochronę przed wilgocią i drobnym pyłem, ale ocierają się o pierścień wewnętrzny i zwiększają opór. W wilgotnym lub wilgotnym środowisku dodatkowe tarcie jest zwykle uczciwą ceną za ochronę.

Montaż i wstępne obciążenie

Niewspółosiowość pomiędzy otworem oprawy a wałem lub odkształcenie pierścienia zewnętrznego podczas montażu na wcisk zwiększa naprężenia wewnętrzne i tarcie. Łożyska naprężone wstępnie są celowo dokręcane, aby usunąć luz, co poprawia sztywność, ale zwiększa tarcie. Stosuj wstępne ładowanie tylko wtedy, gdy aplikacja naprawdę tego wymaga.

Wybór odpowiedniego projektu łożyska

W przypadku większości przemysłowych urządzeń obrotowych pierwszym wyborem jest łożysko kulkowe zwykłe, ponieważ zapewnia najniższe tarcie spośród wszystkich popularnych łożysk tocznych przy przenoszeniu zarówno obciążeń promieniowych, jak i umiarkowanych osiowych. Jest to również najbardziej ekonomiczna opcja, a seria obejmuje szeroki zakres rozmiarów otworów i obciążeń znamionowych dla silników, pomp, skrzyń biegów i rolek przenośników. W typowej konstrukcji maszyny, Łożyska kulkowe zwykłe serii 6200 służyć jako niezawodny punkt odniesienia.

Łożyska kulkowe poprzeczne 6200 ZZ/2RS Producenci, dostawcy Ningbo Aosen Bearing Co., Ltd. to chińscy producenci łożysk kulkowych zwykłych serii 6200 i dostawcy łożysk 6200zz, prowadzimy sprzedaż hurtową 62... Zobacz produkt →

Zastosowania, w których występuje ciągłe obciążenie osiowe lub połączone obciążenie wzdłużne i promieniowe, wymagają łożyska skośnego. Wewnętrzny kąt działania poprawia nośność osiową w jednym kierunku, ale ustawiona pod kątem geometria zwiększa również tarcie w porównaniu z łożyskiem zwykłym. Projektanci akceptują ten kompromis, ponieważ prawidłowo obciążone łożysko wytwarza mniejsze tarcie niż łożysko przeciążone. Łożyska kulkowe skośne serii 7000 są standardowym wyborem w takich warunkach.

Hurtownia łożysk kulkowych skośnych serii 7000 Eksporter, dostawcy, fabryka Ningbo Aosen Bearing Co., Ltd. to hurtownia łożysk kulkowych skośnych serii 7000 w Chinach, dostawcy, eksporterzy i fabryka łożysk, ... Zobacz produkt →

Wybór materiału dodaje kolejną warstwę do historii tarcia. Korozja powoduje szorstkość standardowych bieżni ze stali chromowanej w ciągu kilku tygodni, gdy maszyna jest narażona na działanie oparów chemicznych, czyszczenia przez zmywanie, wody morskiej lub wysokiej wilgotności. Chropowata powierzchnia oznacza większe tarcie, więc wybór materiału może zdominować długoterminową wydajność łożyska.

Co oznacza mniejsze tarcie w praktyce

Niskie tarcie w łożysku objawia się w wymierny sposób: mniejsze zużycie energii, niższa temperatura pracy, wolniejsza degradacja smaru i dłuższa żywotność łożyska. Praktyczna zasada stosowana przez wiele zespołów konserwacyjnych jest taka, że ​​każde obniżenie temperatury łożyska o 10 K podwaja trwałość smaru i znacznie wydłuża trwałość zmęczeniową łożyska. Oszczędność energii jest skromniejsza, ale nadal realna. W maszynie z sześcioma lub ośmioma łożyskami różnica między łożyskiem ślizgowym o dużych stratach a wysokiej jakości łożyskiem kulkowym może odpowiadać za kilka procent całkowitego poboru mocy silnika.

Właśnie dlatego dobór łożysk jest decyzją w równym stopniu ekonomiczną, jak i mechaniczną. Łożyska o złej geometrii, nierównych bieżniach lub zbyt małych kulkach zwiększają tarcie, generują ciepło i przedwcześnie ulegają awariom. W przypadku awarii łożyska część zamienna stanowi jedynie ułamek całkowitego kosztu przestojów, robocizny i uszkodzeń podłączonego sprzętu.

Środowisko zastosowania jest jednym z najsilniejszych sygnałów przy wyborze właściwej rodziny łożysk. Na liniach przetwórstwa spożywczego, zakładach farmaceutycznych, stacjach uzdatniania wody i zakładach chemicznych płyny do płukania i żrące opary w ciągu kilku tygodni zniszczą standardowe łożysko ze stali węglowej. Bieżnie wbijają się i stają się szorstkie, tarcie wzrasta, a silnik pobiera więcej prądu. W takich warunkach praktyczną odpowiedzią jest łożysko ze stali nierdzewnej z uszczelnieniami kontaktowymi. Warunki, jakie planujemy w tych branżach, opisano w naszym dokumencie uwagi dotyczące zastosowań chemicznych i galwanicznych . Tam, gdzie decydujące znaczenie mają standardy dotyczące mycia i higieny, Łożyska kulkowe zwykłe ze stali nierdzewnej serii SS 6200 utrzymują gładkie bieżnie znacznie dłużej niż stal chromowana pod wpływem korozji.

Producenci łożysk kulkowych poprzecznych ze stali nierdzewnej 6200 ZZ/2RS Ponieważ producenci i dostawcy łożysk kulkowych zwykłych SS 6200 ZZ / 2RS ze stali nierdzewnej w Chinach, niestandardowe łożyska kulkowe Ningbo Aosen z serii 6200 ... Zobacz produkt →

Aby uzyskać szersze spojrzenie na to, jak kontakt toczny zmniejsza tarcie w różnych rodzinach łożysk, zapoznaj się z naszym artykułem przewodnik po łożyskach kulkowych zwykłych i skośnych szczegółowo wyjaśnia różnice.

Wniosek

Tarcie w maszynach nie jest tajemnicą, a łożyska kulkowe zmniejszają je z prostego powodu: kontakt toczny rozprasza znacznie mniej energii niż kontakt ślizgowy. Aby uzyskać pełne korzyści, należy wybrać odpowiedni typ łożyska, materiał, uszczelnienie i smarowanie, a następnie zamontować je bez niewspółosiowości. Kiedy wszystkie te elementy łączą się, łożysko kulkowe wykonuje swoją pracę niemal niezauważalnie, a właśnie tak powinna działać dobrze zaprojektowana maszyna.