Od jakiej temperatury mówimy o łożyskach do wysokiej temperatury
Łożyska do wysokiej temperatury to takie, które pracują stale powyżej tego, co producent przewiduje dla wykonania podstawowego. NTN podaje, że zwykła stal łożyskowa po standardowej obróbce cieplnej może zmieniać wymiary już przy temperaturach niższych niż 100 °C, które nazywa normalną granicą. Po drodze zawodzi więc nie tylko smar, ale też sama stal, uszczelnienie i klatka.
Typowe źródła ciepła to suszarki, piece i wentylatory gorącego powietrza, rolki w liniach technologicznych, pompy medium gorącego oraz silniki w obudowach bez chłodzenia. W domowych zastosowaniach (grill, piec, suszarka bębnowa) łożysko pracuje zwykle niżej, ale sąsiedztwo źródła ciepła potrafi je wyraźnie rozgrzać.
Łożyska do wysokiej temperatury: cztery elementy z własnymi granicami
Łożysko kulkowe z uszczelnieniami składa się z czterech części o różnej odporności: stali pierścieni i kulek, smaru, uszczelnienia i klatki. Granicę łożyska wyznacza najsłabsza z nich.
| Element | Typowe wykonanie | Granica według NTN |
|---|---|---|
| Uszczelnienie | guma NBR | od -20 do 120 °C |
| Uszczelnienie | guma ACM | od -15 do 150 °C |
| Uszczelnienie | guma FKM | od -20 do 230 °C |
| Klatka | poliamid PA66 | ciągle do około 120 °C |
| Klatka | PEEK | ciągle od 240 do 260 °C |
| Stal | po stabilizacji TS2, TS3, TS4 | 160, 200, 250 °C |
| Smar | zależny od produktu | granica według karty smaru |
Dla łożysk 2RS i 2Z różnice widać w katalogach. NTN podaje dla wykonań z uszczelnieniem LLB i LLH zakres od -20 do 120 °C, dla LLU od -20 do 110 °C, a dla osłon ZZ granicę wyznacza smar. O budowie tych uszczelnień piszemy w poradniku Uszczelnienia 2RS, 2Z, 2RZ i 2RSL.
Stabilizacja cieplna łożysk: S0, S1, S2 i TS
W stali łożyskowej po zwykłej obróbce zostaje nietrwała struktura (austenit szczątkowy). Przy długiej pracy w cieple przechodzi ona w strukturę stabilną, a łożysko zmienia wymiary. NTN opisuje pomiary dla łożysk trzymanych w 120 °C: im dłużej i goręcej, tym większa zmiana. Zmiana wymiaru o kilka mikrometrów zabiera luz, więc łożysko może się zatrzeć.
Stabilizacja cieplna (u NTN: obróbka TS) ogranicza ten efekt. Ma jednak cenę: obniża twardość stali, więc trwałość zmęczeniowa spada. NTN uwzględnia to współczynnikiem a2.
| Oznaczenie NTN | Maks. temperatura pracy | Współczynnik a2 trwałości |
|---|---|---|
| TS2 | 160 °C | 1,00 |
| TS3 | 200 °C | 0,73 |
| TS4 | 250 °C | 0,48 |
Czytaj to tak: łożysko TS4 w temperaturze do 250 °C ma według NTN obliczoną trwałość mnożoną przez 0,48. Im wyższa temperatura, tym krótsze życie, nawet po stabilizacji.
Inni producenci używają własnych symboli. W danych Łożyskowni opisujemy sufiksy S0 (do 150 °C), S1 (do 200 °C) i S2 (do 250 °C) jako stabilizację cieplną; spotyka się też wyższą grupę, ale jej zakresu nie opieramy na własnym źródle, więc sprawdź go w katalogu producenta. Zasada jest taka sama jak u NTN: wyższa stabilizacja pozwala pracować goręcej, ale kosztuje trwałość. Pełny opis oznaczeń znajdziesz w poradniku Jak czytać oznaczenia łożysk.
Dla zakresu od 150 do 200 °C NTN wymienia też standardowe łożyska ze stali z dodatkiem krzemu, a przy jeszcze większych wymaganiach stale szybkotnące. To rozwiązania z oferty specjalnej, które zamawia się wprost u producenta.
Smar, uszczelnienie i klatka w wysokiej temperaturze
Smar
Standardowy smar fabryczny w łożysku 2RS lub 2Z jest dobrany do zwykłego zakresu. W wysokiej temperaturze starzeje się szybciej, wycieka lub twardnieje. Wybieraj smar z kartą potwierdzającą górną granicę temperatury, a przy łożyskach otwartych planuj dosmarowanie. Nie mieszaj smarów o różnej bazie bez sprawdzenia zgodności.
Gdy uszczelnienie jest z FKM, NTN ostrzega przed smarami mocznikowymi: wydzielają w wysokiej temperaturze aminy, które niszczą gumę fluorową. To przykład, że smar i uszczelnienie trzeba dobierać razem.
Uszczelnienie
Guma NBR, standard w 2RS, kończy się około 120 °C. Powyżej stosuje się ACM (do 150 °C) lub FKM (do 230 °C). SKF oznacza w danych Łożyskowni uszczelnienie FKM sufiksem RS2 (2RS2), co jest jednym z przykładów wykonania odpornego na ciepło. Cena takiego łożyska jest wyższa, a dostępność mniejsza niż zwykłego 6205-2RS.
Klatka
Klatki stalowe i mosiężne znoszą więcej niż polimerowe. Poliamid PA66 ma według NTN ciągłą granicę około 120 °C, PPS od 220 do 240 °C, a PEEK od 240 do 260 °C. Jeśli łożysko pracuje blisko 120 °C, klatka z poliamidu jest pierwszym podejrzanym.
Luz C3 i C4 przy wysokiej temperaturze
W pracy pierścień wewnętrzny nagrzewa się bardziej niż zewnętrzny. NTN: zwykle pierścień zewnętrzny jest o 5 do 10 °C chłodniejszy, a gdy wał styka się ze źródłem ciepła, różnica jest większa. Cieplej rozszerzony pierścień wewnętrzny zabiera luz. Wzór NTN to iloczyn współczynnika rozszerzalności stali (12,5 x 10^-6 na °C), różnicy temperatur i średnicy bieżni pierścienia zewnętrznego.
Przykład dla 6205 (przybliżona średnica bieżni zewnętrznej około 47 mm): różnica 10 °C zabiera około 6 µm, a różnica 30 °C około 17 µm. Luz początkowy łożyska 6205 wynosi dla grup (wg NTN):
| Grupa | Luz początkowy 6205 |
|---|---|
| CN | od 5 do 20 µm |
| C3 | od 13 do 28 µm |
| C4 | od 23 do 41 µm |
Przy różnicy 30 °C łożysko CN straciłoby cały luz, a C3 zostałoby z kilkoma mikrometrami. Dlatego do gorących wałów dobiera się C3, a gdy różnica temperatur jest duża lub wcisk ciasny, C4. NTN wymienia C4 m.in. dla nagrzewanego wału w suszarkach. Szczegóły i pełną tabelę znajdziesz w poradniku Luz promieniowy łożyska C2, CN, C3, C4 i CM.
Nie zamawiaj C4 "na zapas": zbyt duży luz w zimnym łożysku powoduje hałas i drgania. Dobór zawsze opiera się na luzie roboczym w temperaturze pracy.
Ograniczenia łożysk 2RS i kiedy wybrać otwarte
Łożysko 2RS ma smar zamknięty na stałe. W wysokiej temperaturze ma on ograniczoną żywotność i nie da się go uzupełnić. NACHI ostrzega dodatkowo, że przy dużych obrotach i wysokiej temperaturze smar może wyciekać z łożysk z uszczelnieniem stykowym.
Łożysko otwarte warto wybrać, gdy:
- temperatura ciągła przekracza granicę gumy NBR (około 120 °C),
- da się smarować z zewnątrz (smarownica, układ olejowy),
- zależy Ci na chłodzeniu przez przepływ smaru.
Łożysko 2RS lub 2Z zostaje lepsze, gdy temperatura jest umiarkowana, a zanieczyszczenia duże. Tam, gdzie dochodzi woda i para, zamiast otwartego pomyśl o uszczelnieniu FKM i smarze zgodnym z gumą.
Wersje 2Z (osłony metalowe) nie mają gumy, więc ich granicą jest smar. Dla popularnych rozmiarów zobacz grupy 6205-2Z i 6205-2RS oraz serię 62.
Jak wybrać krok po kroku
- Ustal temperaturę ciągłą i szczytową samego łożyska.
- Wybierz stal: do 100 do 120 °C zwykła, wyżej stabilizowana (S0 do S2, TS2 do TS4) lub specjalna.
- Wybierz uszczelnienie: NBR do 120 °C, ACM do 150 °C, FKM do 230 °C, albo łożysko otwarte lub z osłonami 2Z.
- Dobierz smar z odpowiednią kartą temperatury i zgodny z gumą.
- Wybierz luz C3 lub C4 według różnicy temperatur pierścieni.
- Dla nietypowych przypadków (powyżej 150 °C ciągle) skontaktuj się z producentem.
Jeśli łożysko mimo to się grzeje, sprawdź przyczyny w poradniku Dlaczego łożysko szumi. Wersje nierdzewne i hybrydowe omawiamy w poradniku o łożyskach nierdzewnych i ceramicznych.
Podsumowanie
- Granica zwykłego łożyska to około 100 do 120 °C: ogranicza ją stal, smar, guma NBR i klatka z poliamidu.
- Stabilizacja cieplna (S0 do S2, u NTN TS2 do TS4) pozwala pracować do 150 do 250 °C, ale obniża trwałość (u NTN współczynnik a2 od 1,00 do 0,48).
- Uszczelnienie ACM wytrzymuje do 150 °C, FKM do 230 °C, a smar dobierz razem z gumą.
- W gorącym wale rośnie różnica temperatur pierścieni, więc wybiera się luz C3 lub C4 zamiast CN.
- Powyżej granicy NBR najczęściej lepsze jest łożysko otwarte lub z osłonami Z, smarowane z zewnątrz.
Najczęstsze pytania
Czy łożysko 6205-2RS wytrzyma 150 °C?
Standardowe wykonanie z gumą NBR nie. Granica według NTN to 120 °C, więc potrzebne jest uszczelnienie ACM lub FKM albo łożysko otwarte.
Czy C3 wystarczy do pracy w cieple?
Dla umiarkowanej różnicy temperatur tak. Przy dużej różnicy lub ciasnym pasowaniu rozważ C4.
Czy stabilizacja cieplna ma wady?
Tak: obniża twardość, więc trwałość zmęczeniowa maleje. NTN uwzględnia to współczynnikiem a2.
Czy mogę po prostu dosmarować łożysko 2RS?
Zwykle nie. Łożyska z uszczelnieniem mają smar na stałe, a wymianę smaru zaleca się dla wykonań otwartych.
Źródła
- NTN, CAT. 2203/E, Load Rating and Life, tabela 3.3 stabilizacji wymiarowej.
- NTN, CAT. 2203/E, Bearing Materials, stal wysokotemperaturowa, klatki i uszczelnienia.
- NTN, CAT. 2203/E, Bearing Internal Clearance and Preload, tabela 8.8 i wzór 8.5.
- NTN, CAT. 2203/E, łożyska kulkowe zwykłe, zakresy temperatur ZZ, LLB, LLU, LLH.
- NTN, CAT. 2203/E, przedrostki TS2, TS3, TS4.
- NACHI, Deep-groove Ball Bearings, Details, uwagi o wycieku smaru.