用于極端環(huán)境的國(guó)外軸承的設(shè)計(jì)要素

洛陽(yáng)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(guó)內(nèi)外軸承制造商關(guān)注的問(wèn)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(guó)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(rùn)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(rùn)滑、材料和特殊熱處理或涂層。通過(guò)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(lèi)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(rùn)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(kāi)發(fā)不同形狀和不同功能的密封件，配合適用的潤(rùn)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(wú)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(guò)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(rùn)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(lèi)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(lái)越小，功率密度越來(lái)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(rùn)滑

潤(rùn)滑是要計(jì)入的一個(gè)重要因素。油和潤(rùn)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(rùn)滑脂的溫度通常限制在120℃左右，一些傳統(tǒng)高溫潤(rùn)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(rùn)滑脂，達(dá)到超過(guò)250℃的溫度。在無(wú)法進(jìn)行液體潤(rùn)滑的情況下，固體潤(rùn)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(rùn)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(guò)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谛浴G42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(rùn)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(rùn)滑劑失效/不足的情況下，鍍銀起到固體潤(rùn)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(lái)說(shuō)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(rùn)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(rùn)滑油變成蠟狀，導(dǎo)致軸承故障。這種情況下，固體潤(rùn)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(rùn)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?rùn)滑條件下仍然能夠平穩(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(guò)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(lèi)軸承時(shí)主要考慮潤(rùn)滑因素。

在如此高的真空度下，標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑脂會(huì)蒸發(fā)并排出氣體，缺乏有效潤(rùn)滑可能導(dǎo)致軸承故障。因此，需要使用特殊潤(rùn)滑。對(duì)于高真空環(huán)境（低至約10^-7 mbar），可以使用PFPE潤(rùn)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(rùn)滑劑和涂層。

對(duì)于中等真空環(huán)境（約10^-2mbar），通過(guò)精心設(shè)計(jì)和選擇特殊真空潤(rùn)滑脂，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)使用壽命超過(guò)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(jiàn)。特殊的陶瓷球材料，如氧化鋯和碳化硅，也可以用來(lái)進(jìn)一步提高軸承的耐腐蝕性物質(zhì)。

2.6 介質(zhì)潤(rùn)滑

臨末一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境是介質(zhì)充當(dāng)潤(rùn)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(guó)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(guò)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(rùn)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(mǎn)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(lái)源：《軸承工業(yè)》2022年第7期

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