Přesnější a úspornější hydrostatická ložiska vyvíjená na FS VUT v Brně skýtají zajímavý potenciál pro obráběcí stroje, divadelní točny i špičkové teleskopy.
První ložiska, tedy součásti, které snižují tření, lidstvo využívalo už v antice. A vývoj stále pokračuje. Na moderních hydrostatických ložiscích pracují odborníci na tribologii z Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. Přišli na to, jak udělat ložiska energeticky až o pětinu úspornější.
„Hydrostatické ložisko si můžeme laicky představit jako dva kusy železa nebo ocele, v nichž jsou vyfrézované drážky, do kterých pod tlakem vháníme olej. Mazivo povrchy odděluje, takže na kapalině jakoby levitují,“ vysvětluje výzkumník Michal Michalec z Ústavu konstruování FSI.
Dnes se hydrostatická ložiska používají všude tam, kde je potřeba přesný a plynulý pohyb. „Může jít o malý soustruh i obrovské konstrukce, například divadelní točny nebo astronomické teleskopy. Hydrostatická ložiska mají velmi nízké tření, a to i v malých rychlostech, a při správné funkci téměř žádné nebo nulové opotřebení. Díky tomu je pohyb zařízení velmi plynulý, což je například u teleskopů zásadní, protože obsahují velmi přesná optická zařízení, kterým otřesy a vibrace nesvědčí. U obráběcích center zase oceňujeme vysokou tuhost, díky které máme přesnější obrábění,“ vysvět luje Michalec.
Až tisícinásobné snížení součinitele tření
V laboratoři na strojní fakultě stojí 2m experimentální ložisko, které výzkumníci zkonstruovali jako zmenšeninu mnohem většího, 20m ložiska. „Kdybyste chtěli takové zařízení na valivém uložení roztočit, jsou potřeba obrovské síly. Při využití hydrostatického ložiska stačí síly výrazně menší, protože zde je odpor generovaný pouze v kapalném filmu a u nízkých rychlostí může být součinitel tření až tisícinásobně nižší,“ dodává Michalec.
Na této technologii se pak staví největší hydrostatická ložiska na světě, jaká byste našli na Evropské jižní observatoři v Chile. Tato soustava teleskopů a dalších zařízení v odlehlých částech jihoamerické pouště Atacama zahrnuje i čtveřici dalekohledů VLT (Very Large Telescopes — velmi velké dalekohledy), určených pro pozorování nejvzdálenějších objektů ve vesmíru. Nedaleko odtud, na hoře Cerro Armazones, roste největší dalekohled světa ELT (Extremely Large Telescope).
VLT se při pozorování vesmíru otáčejí právě na hydrostatických ložiscích o 20m průměru. Na observatoř se nyní na půl roku chystá i doktorský student tribologie Jan Foltýn. „Zapojím se do inženýrského týmu, který je zodpovědný za provoz hydrostatického ložiska teleskopu. Jsem na tu zkušenost upřímně zvědavý, protože to jsou největší ložiska, která se v tuto chvíli na světě nachází. Problémy, které se jich mohou týkat, známe jen z modelových situací. Teď se s nimi přímo setkám,“ říká Foltýn, kterého ke studiu oboru dovedla touha konstruovat velké stroje. „Vždycky mě to lákalo: těžební zařízení, stroje, teleskopy. VLT váží řádově stovky tun, takže ložisko je opravdu velice zatížené,“ dodává.
Hydrostatické ložisko musí reagovat
Problematiku takto velkých ložisek komplikuje i fakt, že už prakticky nejdou vyrobit a sestavit z jednoho kusu. „Musíme tedy řešit nejen přesnost výroby, ale i ustavování. Musí být v dokonalé rovině, odchylka se pohybuje jen v řádech několika setin. Další výzvou je, aby ložiska pracovala stále stejně dobře, tedy i v okamžiku, kdy se změní jejich zatížení. Hydrostatické ložisko na to musí být schopné reagovat, což ta běžná neumějí. Proto se snažíme jej navrhnout tak, aby se dokázalo přizpůsobovat právě třeba změnám zatížení. Jedná se o senzory a úpravy hydrauliky, které dokážou na takovou situaci reagovat změnou průtoku maziva, respektive úpravou tloušťky mazacího filmu,“ říká Foltýn. Jen pro představu: u budovaného největšího teleskopu světa ELT, jehož ložisko bude mít průměr 50 m, se bavíme o tloušťce mazacího filmu kolem 50 μm.
Teleskopy jsou pomyslnou „třešničkou na dortu“. Vývoj inženýrů z VUT nabízí využití i v klasických průmyslových firmách. „Obecně se zabýváme zlepšováním těchto ložisek z hlediska efektivity, bezpečnosti a přesnosti. Už se nám podařilo na základě parametrické studie zjistit, jak ložisko navrhnout, aby bylo ještě efektivnější. Zjistili jsme, že když změníme tvar, dokážeme snížit energetickou náročnost zhruba o 20 %. Což už není malá úspora,“ říká Michalec a dodává, že ve výzkumu chtějí dále pokračovat, ideálně i ve spolupráci s firmami z oboru. „Nechceme si bádat do šupl íku, rádi bychom viděl i naše technologie využité v praxi,“ uzavírá.