Smar wysokotemperaturowy do łożysk

Łożysko pracujące w podwyższonej temperaturze potrzebuje czegoś więcej niż smaru, który „nie topi się” po ogrzaniu. Środek smarny musi przez wymagany czas dostarczać olej do styku bieżni i elementów tocznych, ograniczać tarcie oraz chronić powierzchnie przed zużyciem i korozją. Jednocześnie powinien zachować właściwości mimo utleniania, odparowania i mechanicznego ścinania. O przydatności smaru decyduje więc temperatura rzeczywista łożyska, obciążenie, prędkość i oczekiwana trwałość, a nie sama najwyższa liczba wydrukowana na opakowaniu.

To rozróżnienie ma szczególne znaczenie w piecach, suszarniach, wentylatorach gorącego powietrza, przenośnikach, walcarkach czy maszynach papierniczych. Temperatura komory może wynosić 250°C, podczas gdy łożysko odsunięte od źródła ciepła pracuje przy 140°C. Możliwa jest również sytuacja odwrotna: obudowa pozostaje stosunkowo chłodna, lecz tarcie wewnątrz źle nasmarowanego lub przeciążonego łożyska podnosi temperaturę pierścieni. Dobór należy zatem rozpocząć od pomiaru w ustabilizowanych warunkach pracy, z uwzględnieniem rozruchu, postoju oraz najcięższego cyklu technologicznego.

Jak smar działa w gorącym łożysku

Typowy smar plastyczny składa się z oleju bazowego, zagęszczacza i dodatków. Struktura zagęszczacza zatrzymuje olej w pobliżu węzła tarcia i stopniowo go uwalnia. To właśnie olej tworzy zasadniczą warstwę oddzielającą współpracujące powierzchnie. Zagęszczacz wpływa na retencję smaru, jego konsystencję i sposób oddawania oleju, lecz nie zastępuje właściwego filmu smarnego.

W łożysku tocznym warunki smarowania są złożone. W strefie obciążenia powstaje bardzo cienki film elastohydrodynamiczny. Jego grubość zależy między innymi od lepkości oleju w temperaturze pracy, prędkości, obciążenia i geometrii styku. Gdy temperatura wzrasta, lepkość zwykle maleje, a film staje się cieńszy. Jeżeli dopływ świeżego oleju jest niewystarczający, pojawia się głodzenie smarne. Zbyt obfite podanie smaru także szkodzi: mieszanie jego nadmiaru zwiększa opory ruchu i może dodatkowo ogrzać łożysko. SKF opisuje pracę smaru jako równowagę między dostarczaniem oleju z jego zapasu a utratą środka smarnego w strefie styku.

Wysoka temperatura przyspiesza kilka procesów jednocześnie. Olej może odparowywać i utleniać się; zagęszczacz może zmieniać strukturę; dodatki mogą tracić skuteczność; smar może twardnieć, wydzielać nadmiernie dużo oleju albo tworzyć osady. Dlatego granica zastosowania jest cechą konkretnej receptury, a nie całej rodziny produktów określanych jako smary litowe, silikonowe czy syntetyczne.

Punkt kroplenia nie jest temperaturą pracy

Punkt kroplenia to wynik badania, w którym określa się temperaturę wydzielenia pierwszej kropli ze smaru w ustalonych warunkach. Pomaga ocenić zachowanie jego struktury, ale nie mówi, jak długo smar zapewni prawidłowe smarowanie obracającego się łożyska. Produkt o punkcie kroplenia przekraczającym 250°C może mieć zalecaną temperaturę pracy ciągłej znacznie niższą. Ograniczeniem bywa starzenie oleju, jego odparowanie lub zbyt krótka trwałość smaru w łożysku.

SKF odróżnia wysokotemperaturową granicę wydajnej pracy smaru, oznaczaną HTPL, od jego wysokotemperaturowej granicy HTL. W zakresie poniżej HTPL trwałość można przewidywać na podstawie badań i warunków pracy. Powyżej HTPL degradacja przyspiesza, a zakres między HTPL i HTL nadaje się co najwyżej do bardzo krótkich epizodów. Producent zwraca też uwagę, że sposób wyznaczania tych granic nie jest jednolicie znormalizowany u wszystkich dostawców. Liczb z różnych katalogów nie wolno więc porównywać bez sprawdzenia, co dokładnie oznaczają.

Podobnej ostrożności wymaga zapis „do 300°C”. Może dotyczyć pracy ciągłej, krótkotrwałego piku, smarowania po odparowaniu nośnika albo odporności pozostałej warstwy stałej. Te cztery znaczenia prowadzą do różnych decyzji konstrukcyjnych.

Wymagania wobec smaru wysokotemperaturowego

Stabilność oksydacyjna i mała lotność oleju. Smar powinien starzeć się powoli w obecności tlenu oraz tracić możliwie mało oleju przez odparowanie. W przeciwnym razie w łożysku pozostają suche pozostałości, rosną tarcie i temperatura, a okres między dosmarowaniami szybko się skraca. W urządzeniach pracujących bez przerwy liczy się trwałość potwierdzona badaniem lub doświadczeniem eksploatacyjnym, nie tylko osiągnięcie granicznej temperatury przez kilka godzin.

Odpowiednia lepkość oleju bazowego. Należy oceniać ją w temperaturze zbliżonej do rzeczywistej temperatury łożyska. Olej o zbyt małej lepkości może nie utrzymać wystarczającego filmu przy dużym obciążeniu. Zbyt lepki zwiększa opór ruchu, szczególnie przy wysokiej prędkości lub podczas zimnego rozruchu. Dlatego ciężko obciążone, wolniejsze łożysko walcowe i szybkoobrotowe łożysko kulkowe wentylatora mogą wymagać innych smarów, choć pracują w tej samej temperaturze.

Kontrolowane wydzielanie oleju. Smar musi oddawać go tyle, aby zasilać strefę styku, lecz nie tak dużo, by szybko opróżnić własny zasób. Wysoka temperatura może zaburzyć tę równowagę. Badanie wydzielania oleju warto interpretować razem z wynikami prób trwałości w łożyskach; pojedyncza wartość laboratoryjna nie opisuje całego cyklu pracy maszyny.

Stabilność mechaniczna i właściwa konsystencja. Drgania, obroty oraz przepływ przez układ centralnego smarowania wielokrotnie ścinają smar. Produkt nie powinien nadmiernie mięknąć ani twardnieć. Klasa NLGI mówi o konsystencji, lecz nie określa sama w sobie temperatury dopuszczalnej, nośności ani pompowalności w konkretnej instalacji. Przy wyborze trzeba uwzględnić również przewody, dozowniki, uszczelnienia i temperaturę rozruchu.

Ochrona przed zużyciem i korozją. W ciężko obciążonych łożyskach pomocne mogą być dodatki przeciwzużyciowe lub do pracy pod wysokim naciskiem. Ich skuteczność zależy jednak od składu całego smaru i warunków tarcia. W wilgotnym piecu, suszarni albo myjni znaczenie mają ponadto odporność na wodę, wypłukiwanie i ochrona stali przed korozją. Wymagania dla instalacji spożywczej, próżniowej czy tlenowej należy potwierdzać osobno dla konkretnego produktu i zastosowania.

Zgodność z materiałami łożyska i urządzenia. Temperatura dopuszczalna dla smaru nie znosi ograniczeń koszyka, uszczelnienia, pasowania ani materiału pierścieni. Przy podwyższonej temperaturze zmieniają się wymiary części i luz wewnętrzny. Weryfikacja samego smaru bez weryfikacji kompletnego zespołu łożyskowego jest niepełna.

Rodzaj oleju i zagęszczacza

Smary na oleju mineralnym z odpowiednio dobranym zagęszczaczem nadal znajdują zastosowanie w wielu gorących łożyskach. Przykładem jest SKF LGHP 2: producent opisuje go jako smar na oleju mineralnym, zagęszczony polimocznikiem, przeznaczony między innymi do silników elektrycznych; deklarowany zakres wynosi od −40 do +150°C. Sama nazwa „smar wysokotemperaturowy” nie oznacza więc automatycznie pracy przy 250°C.

Oleje syntetyczne pozwalają projektować produkty do bardziej wymagających warunków. Stosuje się między innymi polialfaolefiny, estry, poliglikole, silikony oraz perfluoropolietery. Różnią się zachowaniem przy starzeniu, lepkością, oddziaływaniem na materiały i ceną. Nie istnieje jedna „syntetyczna baza” odpowiednia dla wszystkich łożysk. DuPont wskazuje te rodziny jako podstawy formulacji środków do szerokiego zakresu temperatur.

Smary silikonowe bywają użyteczne tam, gdzie liczą się odporność termiczna, mała lotność i długi czas pracy. MOLYKOTE 44 Medium jest smarem silikonowym zagęszczonym litem, o klasie NLGI 2; producent wymienia zastosowania w łożyskach wentylatorów pieców, suszarek i przenośników. Karta produktu podaje górną temperaturę 204°C. Nie należy jednak przenosić tej wartości na każdy smar silikonowy: nośność, prędkość i wymagany okres smarowania nadal trzeba sprawdzić dla wybranego wyrobu.

Przy jeszcze wyższych temperaturach stosuje się specjalistyczne smary fluorowane, często oparte na oleju PFPE i zagęszczaczu PTFE. SKF LGET 2 ma według polskiej karty producenta zakres od −40 do +260°C. Klüber podaje zastosowanie BARRIERTA L 55/2 w łożyskach pieców do wypieku wafli oraz innych gorących węzłach do 260°C. Są to przykłady możliwości konkretnych produktów, a nie gwarancja, że każde łożysko nasmarowane smarem PFPE osiągnie taką temperaturę pracy bez ograniczenia trwałości.

Zakresy temperatur: smar a pasta

Poniższe zestawienie pokazuje deklaracje producentów oraz sposób ich interpretacji. Wartości należy odnosić do wskazanego produktu i jego zastosowania, nie traktować jako uniwersalnych progów dla wszystkich smarów z danej grupy.

Tabela ujawnia częste źródło błędów zakupowych. Smar do łożysk z deklaracją 230–260°C może być właściwszy do obracającego się węzła niż pasta oznaczona „do 1400°C”. Ta druga liczba opisuje zachowanie środka w odmiennym mechanizmie tarcia. Producent past MOLYKOTE wyjaśnia, że po wyciśnięciu lub odparowaniu oleju nośnikowego ochronę mogą przejąć stałe składniki smarne. Taki film jest przydatny na gwintach, połączeniach i w wybranych wolno poruszających się węzłach; nie wolno bez sprawdzenia uznać go za zamiennik stale odnawianego filmu olejowego w szybko obracającym się łożysku.

Kiedy pasta ma zastosowanie przy łożysku?

Pasta wysokotemperaturowa może być użyta na powierzchniach montażowych, śrubach obudowy, połączeniach gwintowych, prowadnicach, tulejach i w wybranych łożyskach ślizgowych. Niektóre formulacje są dopuszczane także do wolnoobrotowych łożysk tocznych. O takiej możliwości musi jednak mówić producent konkretnej pasty, z podaniem warunków pracy.

Przykład MOLYKOTE U-N dobrze pokazuje granicę interpretacji. Producenci środków smarnych  wskazują zastosowanie w łożyskach przy małych prędkościach oraz działanie suchego filmu do 450°C po utracie nośnika. Nie wynika z tego, że tę samą pastę należy wprowadzić do szybkoobrotowego łożyska kulkowego wentylatora pieca. W takim węźle trzeba zapewnić odpowiednią grubość i odnawianie filmu smarnego, odprowadzanie ciepła oraz trwałość przy wymaganej prędkości.

Również dodatki stałe, takie jak grafit czy dwusiarczek molibdenu, nie są uniwersalną odpowiedzią na wysoką temperaturę. Ich przydatność zależy od atmosfery, rodzaju ruchu, prędkości, nacisku i przewidzianego sposobu dostarczania środka smarnego. Samo występowanie proszku smarnego w recepturze nie przesądza o przydatności produktu do łożyska tocznego.

Temperatura zmienia okres dosmarowania

Nawet właściwie dobrany smar nie zachowuje jednakowej trwałości w całym deklarowanym zakresie. Wraz ze wzrostem temperatury jego starzenie przyspiesza, toteż skraca się bezpieczny odstęp między kolejnymi dawkami. SKF podaje jako regułę korekcyjną, że na każde 15°C powyżej 70°C, aż do granicy wysokotemperaturowej, obliczony okres dosmarowania należy zmniejszyć o połowę. Jest to wskazówka do projektowania obsługi konkretnego łożyska, a nie obietnica określonej trwałości dla dowolnego smaru.

W praktyce należy ustalić, czy łożysko można dosmarowywać, czy pracuje jako zamknięte na cały okres użytkowania. Trzeba też sprawdzić drogę dopływu nowej porcji i możliwość odprowadzenia zużytego smaru. Jeżeli wymagana częstotliwość podawania środka staje się niepraktyczna, rozważa się zmianę konstrukcji, chłodzenie, inny sposób smarowania albo specjalne łożysko do wysokiej temperatury. SKF opisuje rozwiązania z suchym smarowaniem grafitowym, przeznaczone do ciągłej pracy nawet do 350°C. Taka wartość odnosi się do określonego zespołu łożyskowego, a nie do zwykłego łożyska wypełnionego smarem plastycznym.

Dawkę smaru trzeba dostosować do konstrukcji i prędkości. Nadmierne wypełnienie powoduje jego intensywne mieszanie oraz wzrost temperatury. SKF zaleca, aby w szybkoobrotowych łożyskach superprecyzyjnych smar zajmował mniej niż 30% wolnej przestrzeni wewnątrz łożyska. Nie jest to jednak uniwersalna instrukcja napełniania wszystkich opraw i łożysk; dla każdej konstrukcji należy korzystać z danych producenta.

Procedura doboru dla konkretnej maszyny

Dobór warto prowadzić od warunków pracy do karty smaru, a nie od najwyższej temperatury widocznej w katalogu. Najpierw należy określić temperaturę pierścieni lub obudowy łożyska po ustabilizowaniu pracy oraz maksymalną temperaturę podczas cyklu technologicznego. Następnie trzeba zebrać typ i wymiary łożyska, prędkość obrotową, obciążenia, orientację wału, czas pracy, częstotliwość rozruchów i dostępność punktu dosmarowania. Istotne są również woda, para, pył, środki myjące i ewentualne wymagania dotyczące kontaktu incydentalnego z żywnością.

Dopiero na tej podstawie porównuje się olej bazowy, jego lepkość, zagęszczacz, klasę NLGI, zakres temperatur, wyniki badań trwałości łożyskowej, odporność na wodę, sposób podawania i zgodność z uszczelnieniami. Granicę z karty trzeba odczytać dosłownie: czy chodzi o pracę ciągłą, krótkotrwały wzrost temperatury, czy o suchy film po utracie nośnika. Jeżeli katalog nie wyjaśnia tego dostatecznie, potrzebna jest karta techniczna albo potwierdzenie producenta dla danego zastosowania.

Przy zmianie smaru należy ustalić zgodność starego i nowego produktu. Różne zagęszczacze oraz oleje bazowe mogą po zmieszaniu zmienić konsystencję i sposób wydzielania oleju. W ważnym węźle bezpieczna procedura obejmuje sprawdzenie zgodności u producenta, usunięcie starego środka w zakresie dopuszczonym przez konstrukcję oraz obserwację temperatury i drgań po uruchomieniu. Samo dosypanie nowego smaru przez smarowniczkę nie potwierdza, że właściwy środek dotarł do strefy tarcia.

Poniżej wykaz smarów i past przeznaczonych do węzłów smarnych wysokotemperaturowych dystrybuowanych przez Sklep Smary:

Smary i pasty od 150 °C z linkami sprzedażowymi do produktów

Wnioski

Wysokotemperaturowy smar do łożysk należy oceniać przez jego zdolność do utrzymania smarowania przez wymagany czas w rzeczywistej temperaturze łożyska. Produkty do pracy w okolicach 150°C, smary silikonowe z deklaracjami przekraczającymi 200°C i specjalistyczne formulacje PFPE/PTFE do około 260°C odpowiadają różnym warunkom eksploatacji. Liczby 450°C, 650°C czy 1400°C spotykane przy pastach opisują inne zastosowania i często działanie warstwy stałej po utracie oleju nośnikowego. Gdy temperatura, prędkość lub wymagany czas pracy przekraczają możliwości smaru plastycznego, rozwiązania trzeba szukać w całej konstrukcji węzła: sposobie dosmarowania, chłodzeniu, smarowaniu olejowym lub łożysku zaprojektowanym do pracy z suchym środkiem smarnym.