Prędkość obrotowa łożyska: dopuszczalne obroty i od czego zależą

Czym jest prędkość obrotowa łożyska

Prędkość obrotowa łożyska to liczba obrotów na minutę, z jaką pierścień wewnętrzny może się kręcić względem zewnętrznego bez przegrzania i bez uszkodzenia koszyka. Każde łożysko ma górną granicę, bo wraz z obrotami rośnie tarcie, a z nim temperatura smaru i pierścieni. Po przekroczeniu granicy smar się starzeje szybciej, luz się zmniejsza, a łożysko może się zatrzeć.

W katalogach ta granica występuje pod kilkoma nazwami: prędkość dopuszczalna (NTN: allowable speed), graniczna albo referencyjna. Nie wszystkie oznaczają dokładnie to samo, bo producenci przyjmują różne warunki odniesienia. Dlatego liczb z katalogów różnych firm nie porównuj bez sprawdzenia, jak je zdefiniowano. W tym poradniku opieramy się na danych NTN i objaśnieniach NSK.

Prędkość nie jest jedyną cechą łożyska. O tym, jak długo wytrzyma, decyduje obciążenie i trwałość zmęczeniowa (opisujemy to w poradniku Trwałość łożyska L10). Prędkość określa natomiast, jak szybko wolno je w ogóle obracać.

Od czego zależy dopuszczalna prędkość

NSK wskazuje, że najważniejsze dla szybkich łożysk jest tarcie poślizgowe między koszykiem a elementami tocznymi oraz na powierzchni prowadzenia koszyka. To ono ostatecznie decyduje o granicy obrotów. Poślizg ten zależy od rozmiaru łożyska i prędkości, a w niewielkim stopniu od obciążenia przy normalnej pracy.

Z tego wynika kilka praktycznych reguł:

• Rozmiar. Im większa średnica łożyska, tym niższa dopuszczalna liczba obrotów. W tej samej serii łożysko o otworze 25 mm dopuszcza mniej obrotów niż łożysko o otworze 15 mm.
• Seria. Łożysko serii 63 ma większe kulki i dopuszcza mniej obrotów niż seria 62, a ta mniej niż seria 60 o tym samym otworze (tabela niżej).
• Zamknięcie. Osłona blaszana nie dotyka pierścienia, a uszczelnienie stykowe tak, więc wytwarza dodatkowe tarcie.
• Smar. Smar plastyczny daje wyższe tarcie niż olej, dlatego smarowanie olejem dopuszcza więcej obrotów (kolumny w tabeli NTN).
• Koszyk i klasa dokładności. Konstrukcja koszyka i dokładność wykonania wpływają na poślizg i bicie, więc łożyska szybkoobrotowe wykonuje się w wyższych klasach dokładności, np. P5 (klasy dokładności łożysk). Dokładne wartości zależą od producenta i typu koszyka, więc czytaj je z katalogu konkretnego łożyska.
• Luz i temperatura. Zbyt mały luz roboczy powoduje wzrost tarcia i grzanie (luz promieniowy C2, CN, C3, C4).

Wskaźnik dmn: prosty sposób porównania

W praktyce prędkość porównuje się często wskaźnikiem dmn, czyli iloczynem średniej średnicy łożyska dm (w milimetrach) i prędkości obrotowej n (w obr/min). Średnia średnica to połowa sumy średnicy otworu i zewnętrznej. NSK opisuje tę wartość jako wskazówkę dotyczącą dopuszczalnej prędkości łożyska, zaznaczając, że odpowiada ona w istocie prędkości poślizgu wewnątrz łożyska. Podaje przykład: łożysko 6210 przy 4 500 obr/min ma Dpw × n równe 31,5 × 10^4, a 6310 przy tej samej prędkości 36,9 × 10^4.

Dla 6205 (25 × 52 mm) średnia średnica wynosi 38,5 mm. Przy 13 000 obr/min wskaźnik dmn to około 500 000 (50 × 10^4), czyli wyższy niż przy wymienionych przykładach NSK. Dla 6205 2RS z uszczelnieniem LLU (8 900 obr/min) to około 343 000.

Wpływ uszczelnienia: 2Z (ZZ), LLB, LLH i 2RS (LLU)

NTN porównuje cztery rodzaje zamknięć w jednym katalogu (łożyska kulkowe zwykłe z osłonami i uszczelnieniami). Wnioski dotyczące prędkości:

Uszczelnienie stykowe lepiej chroni przed pyłem i wodą, ale płaci za to tarciem i niższym limitem obrotów. Osłona ma odwrotny bilans. Szczegóły oznaczeń 2RS, 2Z, 2RZ i 2RSL opisuje poradnik Uszczelnienia 2RS, 2Z, 2RZ i 2RSL.

NTN zaznacza też, że przy łożyskach z jedną osłoną lub jednym uszczelnieniem należy stosować smar plastyczny, a w pracy w wysokiej lub niskiej temperaturze, przy wymaganym niskim momencie, wysokich prędkościach lub przy wymogu braku wycieku smaru zaleca konsultację z producentem.

Przykład: łożysko 6205

Łożysko 6205 ma wymiary 25 × 52 × 15 mm (łożyska 25 × 52 × 15 mm). Poniżej dane z katalogu NTN 3015E dla tego rozmiaru, wraz z sąsiednimi seriami o tym samym otworze. Prędkość podano w obr/min.

Wnioski z tabeli:

1. Zamknięcie ma duży wpływ. 6205 z osłoną ZZ dopuszcza 13 000 obr/min, a z uszczelnieniem LLU 8 900, czyli o około jedną trzecią mniej.
2. Seria ma mniejszy wpływ niż zamknięcie, ale widoczny. Przejście z serii 60 na 63 obniża limit o około 20 procent przy osłonie ZZ.
3. Olej podnosi limit. Przy osłonie ZZ i smarowaniu olejem 6205 dopuszcza 15 000 obr/min zamiast 13 000, ale łożysko z osłoną fabrycznie ma smar plastyczny.

Rozmiary 6205 w sklepie: z uszczelnieniem 6205 2RS, z osłoną 6205 2Z.

Prędkość a obciążenie: współczynnik fL

Wartość z tabeli katalogowej dotyczy łagodnego obciążenia. NTN podaje, że przy większym obciążeniu dopuszczalną prędkość no oblicza się, mnożąc wartość z tabeli przez współczynnik fL, który maleje wraz ze spadkiem stosunku Cr/P (nośność dynamiczna do obciążenia równoważnego). Przykład NTN: dla 6206 prędkość z tabeli wynosi 11 000 obr/min, obciążenie 2,0 kN daje Cr/P około 10,8, a fL około 0,96, więc dopuszczalna prędkość to 10 560 obr/min.

Ta sama metoda służy do oszacowania trwałości smaru: im bliżej granicy, tym krócej smar wytrzyma. NTN dla tego przykładu odczytuje z wykresu około 5 500 godzin trwałości smaru przy 3 600 obr/min. Dla własnego łożyska korzystaj z wykresu producenta.

W tabeli podano też nośność 6205: Cr = 15,5 kN, C0r = 7,85 kN (NTN). Są potrzebne do obliczenia stosunku Cr/P.

Jak sprawdzić, czy łożysko poradzi sobie z Twoimi obrotami

1. Ustal obroty robocze w obr/min, także maksymalne, np. przy rozruchu lub w trybie awaryjnym.
2. Znajdź w katalogu dopuszczalną prędkość dla dokładnego oznaczenia łożyska, z uwzględnieniem zamknięcia (ZZ, LLB, LLH, LLU) i smaru.
3. Porównaj z zapasem. Obroty robocze powinny być wyraźnie niższe od wartości katalogowej, zwłaszcza przy obciążeniu i w cieple.
4. Sprawdź obciążenie. Przy dużym obciążeniu zmniejsz limit (współczynnik fL).
5. Zwróć uwagę na temperaturę pracy. Dla uszczelnień NTN podaje zakresy temperatur, np. od −20 do 120 °C dla uszczelnienia LLB, a dla osłony ZZ zakres zależy od smaru.
6. Gdy limit jest blisko, wybierz osłonę zamiast uszczelnienia stykowego, wyższą klasę dokładności albo łożysko o mniejszej średnicy, jeśli konstrukcja na to pozwala.

Najczęstsze pytania

Czy łożysko 2RS może pracować z taką samą prędkością jak 2Z?

Zwykle nie. Uszczelnienie stykowe (2RS, LLU) ma wyższy opór i niższą dopuszczalną prędkość niż osłona. Dla 6205 NTN podaje 8 900 obr/min z uszczelnieniem LLU i 13 000 z osłoną ZZ, przy smarze plastycznym.

Czy wyższa klasa dokładności zwiększa dopuszczalne obroty?

Wyższa dokładność i inna konstrukcja koszyka sprzyjają wysokim obrotom, dlatego łożyska szybkoobrotowe wykonuje się w klasach P5 i wyższych. Konkretną wartość odczytaj z katalogu, bo zależy od producenta.

Co się stanie po przekroczeniu prędkości granicznej?

Rośnie temperatura, smar starzeje się szybciej, a skrajnie dochodzi do zatarcia lub uszkodzenia koszyka. Objawy to grzanie, hałas i zapach przypalonego smaru. Takiego łożyska nie warto dalej używać.

Czy ta sama liczba obrotów jest bezpieczna dla łożysk różnych producentów?

Nie zakładaj tego. Producenci mogą definiować prędkość w innych warunkach i dla różnych smarów. Porównuj dane z jednego katalogu i dla dokładnie tego oznaczenia, jakie kupujesz.

Podsumowanie

• Dopuszczalna prędkość obrotowa łożyska wynika głównie z tarcia i ciepła, w tym poślizgu w koszyku, i jest podana w katalogu dla każdego oznaczenia.
• Osłona ZZ (2Z) i uszczelnienie bezstykowe LLB nie ograniczają prędkości względem łożyska otwartego, a uszczelnienie stykowe (2RS, LLU) ogranicza ją wyraźnie.
• Według NTN 6205 dopuszcza ze smarem plastycznym 13 000 obr/min z osłoną ZZ, 11 000 z uszczelnieniem LLH i 8 900 z uszczelnieniem LLU.
• Przy tym samym otworze wyższa seria (60, 62, 63) oznacza niższy limit obrotów.
• Przy większym obciążeniu limit z tabeli zmniejsza współczynnik fL; w pobliżu granicy skonsultuj dobór z producentem.
• Nie zmieniaj typu zamknięcia w szybkim wale bez sprawdzenia danych.

Źródła

• NTN, Ball Bearings: Shield and Seal Types, CAT.No. 3015-5/E (porównanie osłony ZZ i uszczelnień LLB, LLU, LLH; prędkości dopuszczalne i nośność 6005, 6205, 6305; współczynnik fL i przykład 6206, wykres trwałości smaru).
• NSK, Rolling Bearings (katalog techniczny), rozdz. 12.4 Bearing speed and cage slip speed (poślizg w koszyku jako czynnik ograniczający prędkość, wskaźnik dmn, przykład 6210 i 6310).
• Wymiary łożysk: norma ISO 15, zgodność sprawdzona w tabelach NTN i w tabelach wymiarów Łożyskowni.

Zobacz łożyska serii 62 w sklepie