Γράφει ο κ. Χρίστος Καλλίγερος*
Τα έδρανα κύλισης συνδυάζουν χαμηλή τριβή με υψηλή ακρίβεια και μπορούν να επιτυγχάνουν υψηλές ταχύτητες, μειώνοντας παράλληλα τα επίπεδα θορύβου, θερμότητας, φθοράς και ενεργειακών απωλειών. Η μεγάλη διάδοσή τους οφείλεται και στο γεγονός ότι είναι αυστηρά τυποποιημένα στοιχεία σχετικά χαμηλού κόστους, που τοποθετούνται, αλλάζονται και συντηρούνται εύκολα.
Τα έδρανα κύλισης που χρησιμοποιούνται στην έδραση περιστρεφόμενων στοιχείων, όπως είναι οι άξονες και οι άτρακτοι, ονομάζονται «rolling bearings», ενώ αυτά που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορική οδήγηση εξαρτημάτων ονομάζονται «linear bearings». Όλα τα έδρανα κύλισης, ανεξαρτήτως τύπου, αποτελούνται από δύο επιφάνειες οι οποίες κυλινδούν η μία σε σχέση με την άλλη, από στοιχεία κυλίσεως μεταξύ των επιφανειών και από έναν κλωβό για τη συγκράτηση και οδήγηση των στοιχείων κύλισης.
Τα «rolling bearings» κατηγοριοποιούνται σε σφαιρικά έδρανα και κυλινδρικά έδρανα, ανάλογα με το είδος των στοιχείων κύλισης που φέρουν. Στα πρώτα, όπου τα στοιχεία κύλισης έχουν σφαιρικό σχήμα, η επαφή με τους δακτυλίους, σύμφωνα με τη θεωρεία επαφών του Hertz, πραγματοποιείται σε μία μικρή ελλειψοειδή περιοχή. Αντιθέτως, η ορθογωνική επιφάνεια επαφής των κυλινδρικών στοιχείων στα κυλινδρικά έδρανα είναι σαφώς μεγαλύτερη, γεγονός που τους προσδίνει ικανότητα μεγαλύτερης μεταφοράς φορτίου αλλά οδηγεί και στην αύξηση των τριβών. Συνεπώς, η πρώτη κατηγορία εδράνων βρίσκει εφαρμογή σε υψηλές ταχύτητες και χαμηλά φορτία, ενώ η δεύτερη αντίθετα.
Με βάση το είδος των φορτίων που παραλαμβάνουν διακρίνονται σε ακτινικά έδρανα όταν το φορτίο είναι κυρίως κάθετο στον άξονα και σε αξονικά έδρανα όταν το φορτίο είναι κυρίως παράλληλο σε αυτόν. Ανάλογα με το σχεδιασμό τους, ο οποίος καθορίζει την σχετική γωνία επαφής των στοιχείων κύλισης με την κάθετη διεύθυνση στον εδραζόμενο άξονα, υπάρχουν ακτινικά έδρανα ικανά να παραλάβουν μικρά αξονικά φορτία και αξονικά έδρανα που παραλαμβάνουν μικρά ακτινικά φορτία. Έδρανα με γωνία επαφής μικρότερη των 45ο μοιρών θεωρούνται ακτινικά, ενώ τα υπόλοιπα αξονικά. Όσον αφορά τα τελευταία, υπάρχουν αξονικά έδρανα ικανά να παραλαμβάνουν αξονικά φορτία μόνο προς τη μία κατεύθυνση ή και προς τις δύο.
Η επιλογή του κατάλληλου εδράνου συμβάλλει στο να επιτευχθεί η επιθυμητή επίδοση με το ελάχιστο δυνατό κόστος. Η ευρωστία του συστήματος είναι επίσης πολύ σημαντική, καθώς οι συνθήκες λειτουργίας στις οποίες γίνεται η κατασκευή, η συναρμολόγηση και η συντήρηση της διάταξης μπορεί να είναι μεταβαλλόμενες και μη πλήρως γνωστές εκ των προτέρων. Εκτός από τις συνθήκες λειτουργίας, κύριοι παράγοντες που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη είναι ο χρόνος λειτουργίας, το λιπαντικό και ο τρόπος παροχής του, η συναρμογή στη διάταξη, η απαιτούμενη ακρίβεια, η στεγάνωση και ο τρόπος εγκατάστασης και συντήρησης.
ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΑ & ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΕΔΡΑΝΑ
Τα fluid bearings είναι έδρανα στα οποία το ρόλο των κινούμενων στοιχείων κύλισης αναλαμβάνει ένα λεπτό στρώμα ρευστού, είτε υγρού είτε αερίου υπό πίεση, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει επαφή μεταξύ των κινούμενων μερών αλλά να διατηρείται ένα διάκενο μεταξύ τους. Καθώς δεν υπάρχει τριβή ολίσθησης στο έδρανο, η αύξηση της θερμοκρασίας οφείλεται στην διάτμηση του ρευστού. Επομένως, με επίτευξη σωστής λειτουργίας είναι δυνατή η δραστική μείωση της φθοράς, αλλά και χαμηλότερα παραγόμενα επίπεδα δονήσεων.
Τα «fluid bearings» ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο που δημιουργείται το στρώμα του λιπαντικού.
Στα υδροστατικά έδρανα το διάκενο διατηρείται με την παροχή πίεσης. Επομένως, μπορεί να επιτευχθεί ακριβής και ελέγξιμη στιβαρότητα και απόσβεση. Τα έδρανα αυτά βρίσκουν εφαρμογές τόσο σε περιστροφικές όσο και σε μεταφορικές κινήσεις με ακτινικά φορτία.
Αντίθετα, τα υδροδυναμικά έδρανα βρίσκουν χρήση αποκλειστικά σε περιστροφικές εφαρμογές, και ανάλογα με το σχεδιασμό τους μπορούν να παραλάβουν τόσο ακτινικά όσο και αξονικά φορτία. Το διάκενο δημιουργείται δυναμικά από την κίνηση του εδράνου, και ενδέχεται να χρειαστεί εξωτερική πίεση ή ένα δευτερεύον έδρανο για την αποφυγή τριβών κατά την εκκίνηση της περιστροφής.
ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΕΔΡΑΝΑ
Μία ακόμα ξεχωριστή κατηγορία εδράνων, η οποία εξασφαλίζει επίσης απουσία επαφής, είναι αυτή των μαγνητικών εδράνων, όπου το κινούμενο μέρος υποστηρίζεται από κατάλληλο μαγνητικό πεδίο, και συνεπώς είναι κατάλληλα για την υποστήριξη υψηλών ταχυτήτων απουσία τριβών.
Επιπρόσθετο πλεονέκτημά τους είναι η αυτόματη παραλαβή πιθανής αζυγοσταθμίας στην περιστρεφόμενη μάζα, καθώς οι δρομείς τους περιστρέφονται ως προς το δικό τους κέντρο μάζας.
Τα παθητικά μαγνητικά έδρανα που χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες δεν απαιτούν παροχή ισχύος, αλλά έχουν δύσκολο σχεδιασμό και απόδοση που εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των μαγνητικών υλικών.
Ως εκ τούτου, την πλειοψηφία αποτελούν τα ενεργητικά μαγνητικά έδρανα που χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνήτες, τα οποία δίνουν τη δυνατότητα ενεργητικού ελέγχου ώστε να παραμένει σταθερό το φορτίο που παραλαμβάνουν.
*Ο κ. Χρίστος Καλλίγερος είναι διπλωματούχος μηχανικός ΕΜΠ και επιστημονικός συνεργάτης του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών και Δυναμικής του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
