Jak jest zbudowane łożysko i po czym poznać, że się zużyło

Pracę dyplomową pisałem o łożyskowaniu wałów i od tamtej pory mam do łożysk słabość. W garażu mam szufladę opisaną taśmą malarską „łożyska 6200-6205” i to ją otwieram w warsztacie najczęściej. Koło rozbieraczy w szkole też zwykle zaczyna od łożysk, bo siedzą w każdym zepsutym sprzęcie, jaki przynoszą uczniowie: w wentylatorze, w hulajnodze, w szlifierce po dziadku.

Odkręcamy pokrywę. W zwykłym łożysku kulkowym nie ma nic skomplikowanego, za to stal jest obrobiona bardzo dokładnie i nie ma tu miejsca na fuszerkę.

Z czego się składa

1. Pierścień wewnętrzny - osadzony na wale, obraca się razem z nim.
2. Pierścień zewnętrzny - siedzi w obudowie albo w piaście i zwykle stoi w miejscu.
3. Elementy toczne - kulki, wałeczki, stożki albo igiełki, toczą się między pierścieniami po wyszlifowanych bieżniach.
4. Koszyk - stalowa lub plastikowa klatka, pilnuje, żeby kulki szły w równych odstępach i się nie stykały.
5. Uszczelnienia albo blaszki - zamykają boki łożyska, trzymają smar w środku, a brud na zewnątrz.
6. Smar - cienka warstwa, która oddziela metal od metalu.

Kulka się toczy, tuleja się ślizga

Gdy wał obraca się w zwykłej tulei, metal ślizga się po metalu. Tarcie zjada energię i grzeje. W łożysku tocznym zamiast ślizgania jest toczenie, a toczenie idzie dużo lżej. Kto kiedyś przesuwał szafę na podłożonych kijach od mopa, wie to bez żadnego wzoru.

Kulka dotyka bieżni na bardzo małej powierzchni, w praktyce w maleńkiej plamce, i tam naciski są ogromne. Każde miejsce bieżni jest przy tym ściskane i odpuszczane tysiące razy na minutę. Dlatego bieżnie i kulki robi się z twardej stali łożyskowej i szlifuje bardzo dokładnie.

Kulki dobrze znoszą siły z różnych kierunków, wałeczki więcej udźwigną w jednym kierunku, stożki przenoszą jednocześnie siły poprzeczne i wzdłużne, igiełki mieszczą się tam, gdzie mało miejsca. Konstruktor dobiera łożysko do tego, jak będzie obciążone.

Co mówi numer na pierścieniu

Na boku pierścienia wybity jest numer. Najpopularniejsze w domu i w garażu są łożyska kulkowe jednorzędowe z serii 60, 62 i 63. Weźmy 6204. Szóstka na początku oznacza zwykłe łożysko kulkowe jednorzędowe. Dwójka to seria wymiarowa, czyli jak grube i szerokie jest łożysko przy danym otworze. Ostatnie dwie cyfry, 04, dotyczą średnicy otworu: od 04 w górę mnoży się je przez pięć, więc 04 razy 5 daje 20 milimetrów. Wyjątkiem są tylko cztery najmniejsze rozmiary: 00 to 10 mm, 01 to 12 mm, 02 to 15 mm, 03 to 17 mm.

Litery za numerem oznaczają wykonanie. 2RS to gumowe uszczelnienia z obu stron, 2Z to metalowe blaszki. Guma lepiej zatrzymuje brud, blaszki stawiają mniejszy opór. Czasem jest jeszcze oznaczenie luzu, na przykład C3, ważne tam, gdzie łożysko pracuje w wysokiej temperaturze.

Producenci podają dla łożyska trwałość nominalną, oznaczaną L10. To liczba obrotów, w milionach, którą przy danym obciążeniu przetrwa 90 procent łożysk z dużej partii, zanim pojawią się pierwsze ślady zmęczenia materiału. Pozostałe dziesięć procent może paść wcześniej i tak to się liczy. W praktyce łożyska rzadko kończą się ze zmęczenia materiału. Częściej wykańcza je brud, złe smarowanie, zły montaż albo przeciążenie.

Najpierw szumi, potem buczy

Łożysko nie psuje się po cichu. Najpierw szumi, potem buczy, potem się grzeje. Kto słucha, ten ma czas. Stary brygadzista z mojej pierwszej zmiany w zakładzie przykładał do obudowy długi śrubokręt, a rękojeść do ucha, i słyszał więcej niż niejeden przyrząd. Równy, cichy szum był dobry. Chrobot, rytmiczne stukanie albo wysoki gwizd znaczyły, że trzeba zamawiać nowe.

Po rozebraniu łożyska widać, co mu się stało. Łuszczenie bieżni, czyli odpryski metalu, to zmęczenie albo przeciążenie. Matowe, porysowane bieżnie to brud. Przebarwienia na niebiesko i brązowo to przegrzanie, najczęściej od braku smaru. Wgniecenia w równych odstępach, odciśnięte przez kulki, to zwykle zły montaż: ktoś nabijał łożysko młotkiem przez niewłaściwy pierścień i cała siła poszła przez kulki.

Jest jeszcze jedna przyczyna, o której w garażu mało kto słyszał: prąd. W silnikach zasilanych z przemienników częstotliwości przez łożyska potrafią płynąć prądy, które przeskakują między kulką a bieżnią drobnymi iskrami. Każda iskra wypala maleńki krater. Po miesiącach bieżnia wygląda jak tarka do prania, z gęstymi poprzecznymi prążkami, a łożysko zaczyna wyć. W zakładzie doszliśmy do tego, bo w jednym napędzie łożyska padały regularnie, choć smar był dobry, a obciążenie małe. Pomogły szczotki uziemiające na wale i łożyska z izolacją.

Duże łożyska, które siedzą ciasno na wale, montuje się na ciepło. Podgrzane łożysko rośnie, wchodzi na wał bez siły, a po ostygnięciu samo się zaciska. Grzeje się je nagrzewnicą indukcyjną albo w piecyku do temperatury podanej przez producenta. Palnikiem nie. Palnik grzeje nierówno, a przegrzana stal łożyskowa traci twardość i już jej nie odzyska.

Smar też potrafi zaszkodzić. Za mało to tarcie, za dużo to ciepło, bo kulki mielą nadmiar smaru i ten się grzeje. Producenci łożysk zalecają zwykle wypełnić samo łożysko, a wolną przestrzeń obudowy przy normalnych prędkościach mniej więcej w jednej trzeciej do połowy.