Растущий спрос на повышение надежности в отрасли означает, что инженерам необходимо учитывать все компоненты своего оборудования.Подшипниковые системы являются критически важными частями машины, и их выход из строя может иметь катастрофические и дорогостоящие последствия.Конструкция подшипника оказывает большое влияние на надежность, особенно в экстремальных условиях эксплуатации, включая высокие или низкие температуры, вакуум и коррозионную атмосферу.В этой статье изложены соображения, которые необходимо учитывать при выборе подшипников для сложных условий эксплуатации, чтобы инженеры могли обеспечить высокую надежность и отличные характеристики долговечности своего оборудования.

Подшипниковая система состоит из множества элементов, включая, например, шарики, кольца, сепараторы и смазку.Стандартные подшипники обычно не выдерживают суровых условий окружающей среды, поэтому необходимо уделять особое внимание отдельным деталям.Наиболее важными элементами являются смазка, материалы и специальная термообработка или покрытия, и рассмотрение каждого фактора означает, что подшипники могут быть наилучшим образом настроены для конкретного применения.

Работа при высокой температуре

Применение при высоких температурах, например, в приводных системах аэрокосмической промышленности, может создать проблемы для стандартных подшипников.Кроме того, температура в оборудовании повышается по мере того, как блоки становятся все меньше и имеют повышенную удельную мощность, что создает проблему для среднего подшипника.

Смазка

Смазка здесь играет важную роль.Масла и смазки имеют максимальные рабочие температуры, при которых они начинают разлагаться и быстро испаряться, что приводит к выходу подшипника из строя.Стандартные смазки часто ограничены максимальной температурой около 120°C, а некоторые обычные высокотемпературные смазки способны выдерживать температуры до 180°C.

Тем не менее, для применений, требующих еще более высоких температур, доступны специальные фторсодержащие консистентные смазки, и достижимы температуры выше 250°C.Там, где жидкая смазка невозможна, можно использовать твердую смазку, которая обеспечивает надежную работу на низких скоростях при еще более высоких температурах.В этом случае в качестве твердых смазок рекомендуются дисульфид молибдена (MOS2), дисульфид вольфрама (WS2), графит или политетрафторэтилен (PTFE), поскольку они могут выдерживать очень высокие температуры в течение более длительного периода времени.

Материалы

Когда речь идет о температурах выше 300°C, необходимы специальные материалы для колец и шаров.AISI M50 — это жаропрочная сталь, которую обычно рекомендуют, поскольку она демонстрирует высокую износостойкость и сопротивление усталости при высоких температурах.BG42 — еще одна жаропрочная сталь, обладающая хорошей твердостью в горячем состоянии при температуре 300 °C, и обычно ее выбирают, поскольку она обладает высоким уровнем коррозионной стойкости, а также менее подвержена усталости и износу при экстремальных температурах.

Также требуются высокотемпературные сепараторы, и они могут быть изготовлены из специальных полимерных материалов, включая ПТФЭ, полиимид, полиамидимид (ПАИ) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК).Для высокотемпературных систем с масляной смазкой сепараторы подшипников также могут быть изготовлены из бронзы, латуни или посеребренной стали.

Покрытия и термообработка

На подшипники можно наносить усовершенствованные покрытия и обработку поверхности, чтобы уменьшить трение, предотвратить коррозию и уменьшить износ, тем самым улучшив работу подшипника при высоких температурах.Например, стальные сепараторы могут быть покрыты серебром для повышения производительности и надежности.В случае отказа или голодания смазки серебрение действует как твердая смазка, позволяя подшипнику продолжать работать в течение короткого периода времени или в аварийной ситуации.

Надежность при низких температурах

С другой стороны, низкие температуры могут быть проблематичными для стандартных подшипников.

Смазка

В низкотемпературных применениях, например, в криогенных насосах с температурой около -190°C, масляная смазка становится воскообразной, что приводит к выходу подшипника из строя.Твердые смазки, такие как MOS2 или WS2, идеально подходят для повышения надежности.Кроме того, в этих приложениях перекачиваемая среда может действовать как смазка, поэтому подшипники должны быть специально сконфигурированы для работы при таких низких температурах с использованием материалов, которые хорошо работают со средой.

Материалы

Одним из материалов, который можно использовать для повышения усталостной долговечности и износостойкости подшипника, является SV30® — мартенситная коррозионно-стойкая сталь с высоким содержанием азота и сквозной закалкой.Также рекомендуются керамические шарики, поскольку они обеспечивают превосходную производительность.Присущие материалу механические свойства означают, что он обеспечивает превосходную работу в условиях плохой смазки и гораздо лучше подходит для надежной работы при низких температурах.

Материал сепаратора также должен быть максимально износостойким, и хорошими вариантами здесь являются PEEK, полихлортрифторэтилен (PCTFE) и пластмассы PAI.

Термическая обработка

Кольца должны быть подвергнуты специальной термообработке для улучшения стабильности размеров при низких температурах.

Внутренний дизайн

Еще одним важным фактором для работы при низких температурах является внутренняя конструкция подшипника.Подшипники спроектированы с учетом уровня радиального зазора, но при понижении температуры компоненты подшипника подвергаются тепловому сжатию, и поэтому величина радиального зазора уменьшается.Если уровень радиального люфта уменьшится до нуля во время работы, это приведет к выходу из строя подшипника.Подшипники, предназначенные для применения при низких температурах, должны проектироваться с большим радиальным зазором при комнатной температуре, чтобы обеспечить приемлемый уровень рабочего радиального зазора при низких температурах.

Работа с давлением вакуума

В средах сверхвысокого вакуума, таких как те, которые присутствуют в производстве электроники, полупроводников и ЖК-дисплеев, давление может быть ниже 10-7 мбар.Подшипники сверхвысокого вакуума обычно используются в приводном оборудовании в производственной среде.Еще одним типичным применением вакуума являются турбомолекулярные насосы (ТМН), которые создают вакуум для производственных сред.В этом последнем случае подшипники часто должны работать на высокой скорости.

Смазка

Смазка в этих условиях имеет ключевое значение.При таком высоком вакууме стандартные консистентные смазки испаряются, а также выделяют газы, а отсутствие эффективной смазки может привести к выходу из строя подшипника.Поэтому необходимо использовать специальную смазку.В условиях высокого вакуума (примерно до 10-7 мбар) можно использовать смазки на основе ПФПЭ, поскольку они обладают гораздо более высокой устойчивостью к испарению.В условиях сверхвысокого вакуума (10–9 мбар и ниже) необходимо использовать твердые смазки и покрытия.

Для среды со средним вакуумом (около 10–2 мбар), при тщательном проектировании и выборе специальной вакуумной смазки, подшипниковые системы, обеспечивающие длительный срок службы более 40 000 часов (приблизительно 5 лет) непрерывной эксплуатации и работающие на высоких скоростях, могут быть достигнуто.

Устойчивость к коррозии

Подшипники, предназначенные для использования в агрессивной среде, должны иметь специальную конфигурацию, поскольку они потенциально могут подвергаться воздействию кислот, щелочей и соленой воды, а также других агрессивных химических веществ.

Материалы

Материалы являются жизненно важным фактором для агрессивных сред.Стандартные подшипниковые стали легко подвергаются коррозии, что приводит к преждевременному выходу подшипника из строя.В этом случае следует рассмотреть материал кольца SV30 с керамическими шариками, так как они обладают высокой коррозионной стойкостью.На самом деле, исследования показали, что материал SV30 может служить во много раз дольше, чем другие коррозионно-стойкие стали, в среде с солевым туманом.В контролируемых испытаниях в солевом тумане сталь SV30 демонстрирует лишь незначительные признаки коррозии после 1000 часов испытаний в солевом тумане (см. график 1), а высокая коррозионная стойкость стали SV30 отчетливо видна на испытательных кольцах.Специальные керамические материалы для шариков, такие как диоксид циркония и карбид кремния, также могут использоваться для дальнейшего повышения устойчивости подшипника к коррозионным веществам.

Получение большего от смазывания сред

Последняя сложная среда — это приложения, в которых среда действует как смазка, например, хладагенты, вода или гидравлические жидкости.Во всех этих случаях материал является наиболее важным фактором, и керамические гибридные подшипники SV30 часто оказываются наиболее практичным и надежным решением.

Заключение

Экстремальные условия эксплуатации создают множество эксплуатационных проблем для стандартных подшипников, что приводит к их преждевременному выходу из строя.В этих приложениях подшипники должны быть тщательно сконфигурированы, чтобы они соответствовали своему назначению и обеспечивали отличные характеристики в течение длительного времени.Для обеспечения высокой надежности подшипников особое внимание следует уделять смазке, материалам, поверхностным покрытиям и термообработке.