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用于極端環(huán)境的國外軸承的設(shè)計(jì)要素

2024-03-13

洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心 張藝

摘 要:軸承系統(tǒng)故障可能會(huì)造成災(zāi)難性后果和高昂的維修成本。如何制造出高可靠性的軸承產(chǎn)品是國內(nèi)外軸承制造商關(guān)注的問題。而影響軸承可靠性的因素有很多,其中軸承設(shè)計(jì)是重中之重,尤其是在極端操作條件下,包括高污染工況、高溫或低溫、真空和腐蝕性等環(huán)境。為確保設(shè)備的高可靠性和優(yōu)異的長(zhǎng)壽命性能,設(shè)計(jì)軸承時(shí),必須根據(jù)軸承系統(tǒng)的工況設(shè)計(jì)出相應(yīng)的解決方案。本文概述國外軸承公司在研發(fā)用于極端環(huán)境的軸承時(shí)著重考慮的設(shè)計(jì)要素。

1 引言

提高對(duì)整個(gè)行業(yè)可靠性的需求意味著設(shè)計(jì)人員需要考慮設(shè)備的所有部件。軸承系統(tǒng)是機(jī)器中的關(guān)鍵部件,其故障可能會(huì)造成停機(jī)與高維修成本等后果。軸承系統(tǒng)包括滾子、套圈、保持架和潤滑劑。標(biāo)準(zhǔn)軸承通常經(jīng)不起極端環(huán)境的嚴(yán)酷考驗(yàn),因此設(shè)計(jì)軸承時(shí)需要特別考慮單個(gè)零件的影響。影響軸承性能的眾多因素中,重要的是潤滑、材料和特殊熱處理或涂層。通過研究每個(gè)因素,可以針對(duì)應(yīng)用配置適合的軸承。在設(shè)計(jì)軸承時(shí),設(shè)計(jì)人員必須綜合考慮所有因素,才能研發(fā)出高可靠性的軸承產(chǎn)品。本文概述HQW precision和Barden公司在研發(fā)用于極端環(huán)境的軸承時(shí)著重考慮的設(shè)計(jì)要素。本文所述的極端環(huán)境是指高污染、高溫或低溫、真空和腐蝕性環(huán)境。

2 應(yīng)對(duì)極端環(huán)境的解決方案

2.1 高污染下的高可靠性

此處的高污染主要是指兩種類型的污染物:

(1)固體污染物:泥土、沙子、石頭,還有植物殘?jiān)龋?/p>

(2)液體污染物:泥漿、糞肥、化肥,還有用于清洗的清潔水。這些污染物包括許多研磨性材料(廢物)和腐蝕性材料(糞肥、銨肥)。

固體污染物由不同粒度的元素組成,包括:砂礫和石塊(粒度>2mm)、砂(粒度在20μm-0.2 mm之間)、石灰(粒度在2μm-20μm之間)、粒狀粘土(粒度<2μm)。

所有這些粒子都對(duì)軸承構(gòu)成威脅。固體污染物對(duì)軸承的損傷形式主要是磨損。砂礫和石塊會(huì)影響軸承單元的外部(沖擊),但也會(huì)對(duì)密封件的外部部分產(chǎn)生研磨作用。顆粒尺寸越小,物質(zhì)越容易到達(dá)密封件。液體污染物對(duì)軸承的損傷形式主要是腐蝕。液體污染物一旦進(jìn)入軸承,就會(huì)污染潤滑劑,使軸承內(nèi)部產(chǎn)生銹蝕,從而降低軸承性能,極大地影響可靠性。

根據(jù)這些污染物對(duì)軸承的損傷途徑與損傷程度,開發(fā)不同形狀和不同功能的密封件,配合適用的潤滑脂,形成保護(hù)屏障,限度地減少軸承磨損與腐蝕,確保軸承可靠性。例如,用多唇形密封件堵住污染物,對(duì)于密封件外部唇部無法阻擋的細(xì)顆粒,在密封系統(tǒng)內(nèi)使用靜態(tài)油脂屏障,以捕獲通過的任何微小顆粒。如果這還不夠,那么繼續(xù)在密封件上安裝新的唇口,然后安裝潤滑脂屏障。此外,根據(jù)軸承在機(jī)器中的位置,設(shè)計(jì)許多不同的密封類型(從單唇形密封到加強(qiáng)型三唇形密封,至多八唇形密封)。配備了適合密封系統(tǒng)的軸承能夠有效應(yīng)對(duì)高污染環(huán)境,從而保證了較高的可靠性。

2.2 高溫下的可靠性

高溫應(yīng)用,如航空航天工業(yè)中用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用,可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸承提出挑戰(zhàn)。此外,隨著機(jī)組越來越小,功率密度越來越高,設(shè)備中的溫度也在升高,這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸承提出了更高的要求。設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)高溫操作的軸承時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾方面:

2.2.1 潤滑

潤滑是要計(jì)入的一個(gè)重要因素。油和潤滑脂具有工作溫度。在該溫度下,它們會(huì)逐漸降解并迅速蒸發(fā),從而導(dǎo)致軸承故障。標(biāo)準(zhǔn)潤滑脂的溫度通常限制在120℃左右,一些傳統(tǒng)高溫潤滑脂能夠耐受高達(dá)180℃的溫度。但是,對(duì)于需要更高溫度的應(yīng)用,可以使用特殊的氟化潤滑脂,達(dá)到超過250℃的溫度。在無法進(jìn)行液體潤滑的情況下,固體潤滑是不錯(cuò)的選擇,它使軸承在更高溫度下進(jìn)行低速可靠操作。在這種情況下,建議將二硫化鉬(MOS2)、二硫化鎢(WS2)、石墨或聚四氟乙烯(PTFE)作為固體潤滑劑,因?yàn)樗鼈兛梢阅褪芨L(zhǎng)時(shí)間的高溫。

2.2.2 材料

當(dāng)溫度超過300℃時(shí),需要特殊的套圈和滾子材料。通常推薦使用高溫鋼AISI M50,因?yàn)樗诟邷叵戮哂懈吣湍バ院湍推谛?。BG42是另一種高溫鋼,在300℃下具有良好的熱硬度。一般情況下,應(yīng)對(duì)高溫操作環(huán)境,通常指定使用BG42,因?yàn)樗哂懈咚降哪透g性,并且在極端溫度下不易疲勞和磨損。

此外,還需要高溫保持架。這些保持架可以用特殊聚合物材料制成,包括PTFE、聚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺(PAI)和聚醚醚酮(PEEK)。對(duì)于高溫油潤滑系統(tǒng),軸承保持架也可以由青銅、黃銅或鍍銀鋼制成。

2.2.3 涂層與熱處理

為了對(duì)抗摩擦、防止腐蝕和減少磨損,改善軸承在高溫下的性能,可對(duì)軸承應(yīng)用先進(jìn)的涂層和表面處理。例如,鋼制保持架可以鍍銀,以提高性能和可靠性。在潤滑劑失效/不足的情況下,鍍銀起到固體潤滑劑的作用,允許軸承在短時(shí)間內(nèi)或緊急情況下繼續(xù)運(yùn)行。

2.3 低溫下的可靠性

相對(duì)于高溫,低溫對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軸承來說也可能是個(gè)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)低溫操作的軸承時(shí)也應(yīng)從以下方面入手:

2.3.1 潤滑

在低溫應(yīng)用中,例如溫度在-190℃范圍內(nèi)的低溫泵送應(yīng)用中,潤滑油變成蠟狀,導(dǎo)致軸承故障。這種情況下,固體潤滑(如MOS2或WS2)是提高可靠性的理想選擇。此外,在這些應(yīng)用中,被泵送的介質(zhì)可以充當(dāng)潤滑劑,因此需要對(duì)軸承進(jìn)行特殊配置,以便使用與介質(zhì)良好配合的材料在這些低溫下運(yùn)行。

2.3.2 材料

一種可用于提高軸承疲勞壽命和耐磨性的材料是SV30®。這是一種馬氏體全硬化、高氮、耐腐蝕鋼。也推薦使用陶瓷球,因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的性能。該材料固有的機(jī)械性能意味著它們?cè)趷毫拥臐櫥瑮l件下仍然能夠平穩(wěn)運(yùn)行,并且更適合在低溫下可靠運(yùn)行。

保持架材料也應(yīng)盡可能選擇耐磨性高的,PEEK、聚三氟氯乙烯(PCTFE)和PAI塑料都是不錯(cuò)的選擇。

2.3.3 熱處理

套圈應(yīng)經(jīng)過特殊熱處理,以提高低溫下的尺寸穩(wěn)定性。

2.3.4 內(nèi)部設(shè)計(jì)

針對(duì)在低溫下工作的軸承,另一個(gè)考慮因素是軸承的內(nèi)部設(shè)計(jì)。軸承具有一定的徑向游隙,但隨著溫度的降低,軸承部件會(huì)發(fā)生熱收縮,因此徑向游隙量會(huì)減少。如果在運(yùn)行期間徑向游隙水平降至零,會(huì)導(dǎo)致軸承故障。用于低溫應(yīng)用的軸承應(yīng)設(shè)計(jì)為在室溫下具有更多的徑向游隙,以允許在低溫下具有可接受的工作徑向游隙水平。

2.4 真空壓力下的可靠性

在超高真空環(huán)境(如制造電子、半導(dǎo)體和LCD的環(huán)境)中,壓力可能低于10-7mbar。超高真空軸承通常用于制造環(huán)境中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。另一個(gè)典型的真空應(yīng)用是渦輪分子泵(TMP),它為制造環(huán)境產(chǎn)生真空。在后一種應(yīng)用中,軸承通常需要高速工作。設(shè)計(jì)此類軸承時(shí)主要考慮潤滑因素。

在如此高的真空度下,標(biāo)準(zhǔn)潤滑脂會(huì)蒸發(fā)并排出氣體,缺乏有效潤滑可能導(dǎo)致軸承故障。因此,需要使用特殊潤滑。對(duì)于高真空環(huán)境(低至約10-7 mbar),可以使用PFPE潤滑脂,因?yàn)樗鼈兙哂懈叩哪驼舭l(fā)性。對(duì)于超高真空環(huán)境(10-9mbar及以下),需要使用固體潤滑劑和涂層。

對(duì)于中等真空環(huán)境(約10-2mbar),通過精心設(shè)計(jì)和選擇特殊真空潤滑脂,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)使用壽命超過40000小時(shí)(約5年)且高速運(yùn)行的軸承系統(tǒng)。

2.5 耐腐蝕

用于腐蝕性環(huán)境的軸承需要特殊配置,因?yàn)樗鼈兛赡鼙┞队谒?、堿和鹽水以及其他腐蝕性化學(xué)品中。需要考慮的設(shè)計(jì)要素主要是材料。

標(biāo)準(zhǔn)軸承鋼容易被腐蝕,導(dǎo)致軸承早期失效。在這種情況下,應(yīng)考慮使用帶有陶瓷球的SV30環(huán)材料,因?yàn)樗鼈兙哂懈叨鹊哪透g性。事實(shí)上,研究表明,SV30材料在鹽霧環(huán)境中的使用壽命是其他耐腐蝕鋼的數(shù)倍。在受控鹽霧試驗(yàn)中,SV30鋼在1000小時(shí)鹽霧試驗(yàn)后僅顯示輕微的腐蝕跡象,并且SV30的高耐腐蝕性在試驗(yàn)套圈上清晰可見。特殊的陶瓷球材料,如氧化鋯和碳化硅,也可以用來進(jìn)一步提高軸承的耐腐蝕性物質(zhì)。

2.6 介質(zhì)潤滑

臨末一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境是介質(zhì)充當(dāng)潤滑劑的應(yīng)用,例如制冷劑、水或液壓油。在所有這些應(yīng)用中,材料是重要的考慮因素,通常SV30-陶瓷混合軸承是實(shí)用和可靠的解決方案。

3 小結(jié)

本文介紹了國外軸承公司在研發(fā)極端環(huán)境用軸承時(shí)著重考慮的要素。極端操作環(huán)境對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸承提出了許多操作挑戰(zhàn),從而導(dǎo)致其過早失效。對(duì)于這些應(yīng)用,設(shè)計(jì)軸承時(shí),應(yīng)特別注意潤滑、材料、表面涂層和熱處理等要素。將每一個(gè)零件的設(shè)計(jì)要素整合進(jìn)軸承中,使其滿足極端工況要求,提供優(yōu)異的長(zhǎng)期性能,從而確保軸承的高可靠性。

來源:《軸承工業(yè)》2022年第7期

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