Drsni ležaji

Drsni ležaji omogočajo vodenje vrtečih strojnih delov preko drsnega trenja med površino vrtečega dela in ležajno pušo, ki je vstavljena v ohišju. Drsne površine morajo biti pravilno mazane, da bo ležaj lahko nemoteno deloval. Ob rednem vzdrževanju in upoštevanju predpisanih obratovalnih pogojev bo ležaj lahko dosegel visoko predpisano življenjsko dobo.

Če obratujejo v področju tekočinskega trenja imajo praktično neomejeno življenjsko dobo. Po drugi strani pa moramo biti pri drsnih ležajih zelo pazljivi pri izbiri materialov tako ležaja kot strojnih delov, ki jih ležaj vodi, ter izbiri vrste maziva za drsni ležaj. Koeficient trenja med drsnimi površinami je namreč odvisen od relativne hitrosti površin, ob nepravilni izbiri materiala, maziva ali ob slabem vzdrževanju se koeficient trenja poviša, slaba lastnost drsnih ležajev pa je tudi, da lahko nenatančno vodijo oz. pozicionirajo vrteč strojni del v primerjavi z mirujočim.

Da bi drsni ležaj, ali radialni drsni ali aksialni drsni ležaj pravilno deloval, moramo zagotoviti, da sta oblika ležaja in dovod maziva v med seboj drseče površine takšna, da med njima nastane tekočinsko trenje. Pri tekočinskem trenju sta površini popolnoma ločeni s slojem maziva. Pogoja za nastanek tekočinskega trenja sta klinasti prostor napolnjen z mazivom in zadosti visoka relativna hitrost u. Da pridemo v območje tekočinskega trenja, kot je vidno na sliki Stribeckove krivulje (Slika 1), mora biti višina mazivnega sloja znotraj ležaja višja od površinske hrapavosti med drsečima površinama. V trenutku, ko se med seboj drsna dela povsem ločita, je koeficient trenja najmanjši. Pri nadaljnjem povečevanju hitrosti vrtenja se trenje nekoliko povečuje, saj se povečuje razlika v hitrosti med drsnima površinama in s tem upor zaradi striga v oljnem filmu. Koeficient trenja pri določeni relativni hitrosti u je odvisen od zunanje sile F_N in dinamične viskoznosti olja η.

Neprimerna izbira materiala ležajne puše ali nepravilno pripravljena površina osi ali gredi imata velik vpliv na zmanjšanje življenjske dobe zveze, ki prenaša gibanje. Pri izbiri materialov upoštevamo naslednje kriterije:

• največjo dopustno obremenitev ležaja,
• prilagodljivost ležaja glede na elastične in plastične deformacije,
• odpornost proti obrabi,
• odpornost proti koroziji drsnih površin,
• odpornost proti vtiskovanju odpadnih delcev v površino ležajne puše,
• sposobnost drsenja kljub slabemu mazanju,
• sposobnost odvajanja odvečne toplote ...

Upoštevati je potrebno, da je površina drsnih tečajev na osi oz. gredi vsaj 3- do 5-krat trša od površine ležajne puše. S tem se obraba omeji predvsem na ležajno pušo, ki jo lahko hitreje in ceneje nadomestimo v primerjavi z zamenjavo osi oz. gredi, izboljšajo se tudi drsne razmere med drsečima površinama. 

Pri izbiri gradiva osi ali gredi, ki je hkrati tečaj drsnega ležaja oz. ena izmed drsnih površin, se pogosto omejimo na:

• konstrukcijska jekla,
• jekla za poboljšanje in
• jekla za cementiranje in kaljenje.

Izbrano jeklo po grobi mehanski obdelavi pogosto tudi toplotno obdelamo:

• cementiramo,
• kalimo,
• poboljšamo ali površinsko kalimo.

Na splošno velja, da so jekla za cementiranje in kaljenje primernejša kot konstrukcijska jekla ter jekla za poboljšanje, čeprav lahko tudi s površinskim kaljenjem poboljšanih jekel dosežemo zadovoljive lastnosti. Na primer, če se odločamo za nekaljeno konstrukcijsko jeklo, je le-to kot tečajna površina primerno le za nizko obremenjene drsne ležaje. Po toplotni obdelavi sledi še fina mehanska obdelava, npr. fino brušenje, ki niža hrapavost površine, kar lahko kasneje, med obratovanjem drsnega ležaja pomeni tanjšo debelino mazivnega filma.

Na drugi strani mora biti gradivo ležajne puše mehkejše, prav tako pa mora imeti dobre mazalne sposobnosti. Problem, ki nastane pri obdelavi mehkejših materialov, so odstružki, ki se vtisnejo v drsno površino in jo s tem poškodujejo. Tako je bolje izbirati zlitine za gnetenje in ne zlitin za litje, ki se sicer lažje obdelujejo, a je tudi verjetnost pojava odstružkov višja. Materiali, ki se uporabljajo za izdelavo ležajnih puš, so različni, uporabljamo lahko tako neželezne kovine, sivo litino, sintrane kovine in ležajne puše iz umetnih mas. V primeru nezadostnega mazanja imajo dobre drsne lastnosti neželezne kovine, kot so kositer, baker, aluminij, cink. Pri uporabi le-teh moramo biti posebno pazljivi, saj je njihova uporaba omejena le na določeno temperaturno območje zaradi spremenljivih trdnostnih lastnosti materiala pri spreminjanju temperature. Kot material lahko uporabimo tudi sivo litino, saj ima zaradi svoje strukture dobre mazalne lastnosti, vendar je pri nezadostnem mazanju neodporna proti robnim tlakom in ima slabo sposobnost vtekanja ležajev. Nasprotno pa dobre mazalne lastnosti dosežemo s sintranimi kovinami, ki so porozne in lahko vase vsrkajo mazivo, in sicer do 30 % svojega volumna. To mazivo se po potrebi med obratovanjem drsnega ležaja pri povišani temperaturi sprošča in maže spoj, ko pa se ohladi, se olje zopet vsrka v sintrano ležajno pušo. Kot material ležajnih puš so lahko uporabljene tudi razne umetne mase, npr. duroplasti, poliamidi, poliuretani. Umetne mase uporabljamo v primerih nevarnosti korozije ali v primeru, ko mazanje z oljem ni dovoljeno.

Po obliki ločimo:

• drsne aksialne in
• drsne radialne ležaje.

Ležajne puše za drsne radialne ležaje so pogosto izdelane v nedeljeni izvedbi in tako, da se na tečaje osi ali gredi vstavijo s čelne strani. Osnovne izvedbe radialnih drsnih ležajev so standardizirane po DIN 1850 (Slika 4).

Tako pri aksialnih kot pri radialnih drsnih ležajih lahko preverimo, ali smo izbrali pravo dimenzijo in material ležaja, tako da kontroliramo površinski tlak na drsnih površinah. Za aksialne drsne ležaje in za radialne drsne ležaje velja, da mora biti preračunan tlak p nižji od dopustnega tlaka p_dop, ki je odvisen od materiala puše in hitrosti drsenja.

Pri aksialnih drsnih ležajih, ob predpostavki, da je površinski tlak po vsej dotikalni površini enak, naredimo kontrolo s pomočjo enačbe spodaj, kjer je d₂ zunanji premer aksialnega ležaja, d₁ pa notranji premer ležajnega tečaja.