Zwiększone zapotrzebowanie na poprawę niezawodności w całej branży oznacza, że ​​inżynierowie muszą wziąć pod uwagę wszystkie komponenty swojego sprzętu.Systemy łożyskowe są krytycznymi częściami maszyny, a ich awaria może mieć katastrofalne i kosztowne konsekwencje.Konstrukcja łożyska ma duży wpływ na niezawodność, zwłaszcza w ekstremalnych warunkach pracy, w tym w wysokich lub niskich temperaturach, próżni i atmosferze korozyjnej.W tym artykule przedstawiono kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy doborze łożysk do wymagających środowisk, dzięki czemu inżynierowie mogą zapewnić wysoką niezawodność i doskonałą długowieczność swoich urządzeń.

System łożyskowy składa się z wielu elementów, w tym kulek, pierścieni, koszyków i smarowania.Łożyska standardowe zazwyczaj nie wytrzymują rygorów trudnych warunków, dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na poszczególne części.Najważniejszymi elementami są smarowanie, materiały i specjalna obróbka cieplna lub powłoki, a patrząc na każdy czynnik, można najlepiej skonfigurować łożyska do danego zastosowania.

Praca w wysokiej temperaturze

Zastosowania wysokotemperaturowe, takie jak te stosowane w układach napędowych w przemyśle lotniczym, mogą stanowić wyzwanie dla standardowych łożysk.Co więcej, temperatury w sprzęcie rosną, ponieważ jednostki stają się coraz mniejsze i mają zwiększoną gęstość mocy, co stanowi problem dla przeciętnego łożyska.

Smarowanie

Ważną kwestią jest tutaj smarowanie.Oleje i smary mają maksymalne temperatury pracy, w których to momencie zaczną ulegać degradacji i szybko odparowywać, prowadząc do awarii łożysk.Standardowe smary są często ograniczone do maksymalnej temperatury około 120°C, a niektóre konwencjonalne smary wysokotemperaturowe są odporne na temperatury do 180°C.

Jednak do zastosowań, które wymagają jeszcze wyższych temperatur, dostępne są specjalne smary fluorowane, a temperatury przekraczające 250°C są osiągalne.Tam, gdzie smarowanie cieczą nie jest możliwe, smarowanie stałe jest opcją, która pozwala na niezawodną pracę przy niskich prędkościach w jeszcze wyższych temperaturach.W tym przypadku jako smary stałe zalecane są dwusiarczek molibdenu (MOS2), dwusiarczek wolframu (WS2), grafit lub politetrafluoroetylen (PTFE), ponieważ mogą tolerować bardzo wysokie temperatury przez dłuższy czas.

Materiały

W przypadku temperatur przekraczających 300°C konieczne są specjalne materiały pierścieni i kulek.AISI M50 to stal wysokotemperaturowa, która jest zwykle zalecana, ponieważ wykazuje wysoką odporność na zużycie i zmęczenie w wysokich temperaturach.BG42 to kolejna stal wysokotemperaturowa, która ma dobrą twardość na gorąco w 300°C i jest powszechnie specyfikowana, ponieważ ma wysoki poziom odporności na korozję, a także jest mniej podatna na zmęczenie i zużycie w ekstremalnych temperaturach.

Wymagane są również klatki wysokotemperaturowe, które mogą być dostarczane ze specjalnych materiałów polimerowych, w tym PTFE, poliimidu, poliamidoimidu (PAI) i polieteroeteroketonu (PEEK).W przypadku układów smarowanych olejem w wysokich temperaturach koszyki łożyskowe mogą być również wykonane z brązu, mosiądzu lub stali posrebrzanej.

Powłoki i obróbka cieplna

Zaawansowane powłoki i obróbka powierzchni mogą być nakładane na łożyska w celu zwalczania tarcia, zapobiegania korozji i zmniejszania zużycia, poprawiając w ten sposób działanie łożyska w wysokich temperaturach.Na przykład stalowe klatki można pokryć srebrem, aby poprawić wydajność i niezawodność.W przypadku awarii/głodzenia smaru, posrebrzenie działa jak smar stały, pozwalając łożysku na dalszą pracę przez krótki czas lub w sytuacji awaryjnej.

Niezawodność w niskich temperaturach

Na drugim końcu skali niskie temperatury mogą być problematyczne dla standardowych łożysk.

Smarowanie

W zastosowaniach niskotemperaturowych, na przykład zastosowaniach pomp kriogenicznych z temperaturami w zakresie -190°C, smarowanie olejem staje się woskowate, powodując uszkodzenie łożyska.Smarowanie stałe, takie jak MOS2 lub WS2 jest idealne do poprawy niezawodności.Ponadto w tych zastosowaniach pompowane media mogą działać jak smar, więc łożyska muszą być specjalnie skonfigurowane do pracy w tak niskich temperaturach przy użyciu materiałów, które dobrze współpracują z mediami.

Materiały

Jednym z materiałów, który można zastosować do poprawy trwałości zmęczeniowej i odporności na zużycie łożyska, jest SV30® – martenzytyczna stal hartowana skrośnie, wysokoazotowa i odporna na korozję.Zalecane są również kulki ceramiczne, ponieważ zapewniają doskonałą wydajność.Nieodłączne właściwości mechaniczne materiału oznaczają, że zapewniają doskonałą pracę w trudnych warunkach smarowania i znacznie lepiej nadają się do niezawodnej pracy w niskich temperaturach.

Należy również wybrać materiał klatki, aby był jak najbardziej odporny na zużycie, a dobrymi opcjami są tutaj PEEK, polichlorotrifluoroetylen (PCTFE) i tworzywa sztuczne PAI.

Obróbka cieplna

Pierścienie należy poddać specjalnej obróbce cieplnej, aby poprawić stabilność wymiarową w niskich temperaturach.

Projekt wewnętrzny

Kolejną kwestią do rozważenia przy pracy w niskich temperaturach jest konstrukcja wewnętrzna łożyska.Łożyska projektuje się z pewnym luzem promieniowym, ale wraz ze spadkiem temperatury elementy łożyska ulegają skurczowi termicznemu, co powoduje zmniejszenie luzu promieniowego.Jeśli poziom luzu promieniowego zmniejszy się do zera podczas pracy, spowoduje to uszkodzenie łożyska.Łożyska przeznaczone do zastosowań w niskich temperaturach powinny być projektowane z większym luzem promieniowym w temperaturze pokojowej, aby zapewnić akceptowalny poziom roboczego luzu promieniowego w niskich temperaturach.

Radzenie sobie z ciśnieniem próżni

W środowiskach o bardzo wysokiej próżni, takich jak te, które występują w produkcji elektroniki, półprzewodników i wyświetlaczy LCD, ciśnienie może być niższe niż 10-7 mbar.Łożyska o ultrawysokiej próżni są zwykle używane w urządzeniach uruchamiających w środowisku produkcyjnym.Innym typowym zastosowaniem próżni są pompy turbomolekularne (TMP), które wytwarzają próżnię w środowiskach produkcyjnych.W tym ostatnim zastosowaniu łożyska często muszą pracować z dużą prędkością.

Smarowanie

Smarowanie w takich warunkach ma kluczowe znaczenie.Przy tak wysokich próżniach standardowe smary odparowują, a także odgazowują, a brak skutecznego smarowania może skutkować uszkodzeniem łożyska.Dlatego konieczne jest zastosowanie specjalnego smarowania.W środowiskach o wysokiej próżni (do około 10-7 mbar) można stosować smary PFPE, ponieważ mają znacznie wyższą odporność na parowanie.W środowiskach o ultrawysokiej próżni (10-9 mbar i poniżej) należy stosować stałe smary i powłoki.

W środowiskach o średniej próżni (około 10-2 mbar), przy starannym zaprojektowaniu i doborze specjalnego smaru próżniowego, systemy łożysk, które zapewniają długą żywotność ponad 40 000 godzin (około 5 lat) ciągłego użytkowania i działają z dużymi prędkościami, mogą być osiągnięty.

Odporność na korozję

Łożyska przeznaczone do użytku w środowisku korozyjnym muszą być specjalnie skonfigurowane, ponieważ mogą być potencjalnie narażone na działanie kwasów, zasad i słonej wody oraz innych żrących chemikaliów.

Materiały

Materiały mają kluczowe znaczenie dla środowisk korozyjnych.Standardowe stale łożyskowe łatwo korodują, co prowadzi do wczesnych uszkodzeń łożysk.W takim przypadku należy rozważyć materiał pierścieni SV30 z kulkami ceramicznymi, ponieważ są one wysoce odporne na korozję.W rzeczywistości badania wykazały, że materiał SV30 może wytrzymać wielokrotnie dłużej niż inna stal odporna na korozję w środowisku mgły solnej.W kontrolowanych testach w komorze solnej stal SV30 wykazuje jedynie niewielkie oznaki korozji po 1000 godzinach testów w komorze solnej (patrz wykres 1), a wysoka odporność SV30 na korozję jest wyraźnie widoczna na pierścieniach testowych.Specjalne ceramiczne materiały kulkowe, takie jak Zirconia i Silicon Carbide, mogą być również stosowane w celu dalszego zwiększenia odporności łożyska na substancje korozyjne.

Więcej korzyści ze smarowania mediów

Ostatnim trudnym środowiskiem są zastosowania, w których media pełnią rolę środka smarnego, na przykład czynniki chłodnicze, woda lub płyny hydrauliczne.We wszystkich tych zastosowaniach materiał jest najważniejszy, a SV30 – ceramiczne łożyska hybrydowe często okazują się być najbardziej praktycznym i niezawodnym rozwiązaniem.

Wniosek

Ekstremalne środowiska stwarzają wiele wyzwań operacyjnych dla standardowych łożysk, powodując ich przedwczesną awarię.W tych zastosowaniach łożyska powinny być starannie skonfigurowane, aby były dopasowane do celu i zapewniały doskonałą, długotrwałą wydajność.Aby zapewnić wysoką niezawodność łożysk szczególną uwagę należy zwrócić na smarowanie, materiały, powłoki powierzchniowe i obróbkę cieplną.