用于极端环境的国外轴承的设计要素

发布时间：2024-03-13

洛阳LYC轴承有限公司技术中心　张艺

摘　要：轴承系统故障可能会造成灾难性后果和高昂的维修成本。如何制造出高可靠性的轴承产品是国内外轴承制造商关注的问题。而影响轴承可靠性的因素有很多，其中轴承设计是重中之重，尤其是在极端操作条件下，包括高污染工况、高温或低温、真空和腐蚀性等环境。为确保设备的高可靠性和优异的长寿命性能，设计轴承时，必须根据轴承系统的工况设计出相应的解决方案。本文概述国外轴承公司在研发用于极端环境的轴承时着重考虑的设计要素。

1　引言

提高对整个行业可靠性的需求意味着设计人员需要考虑设备的所有部件。轴承系统是机器中的关键部件，其故障可能会造成停机与高维修成本等后果。轴承系统包括滚子、套圈、保持架和润滑剂。标准轴承通常经不起极端环境的严酷考验，因此设计轴承时需要特别考虑单个零件的影响。影响轴承性能的众多因素中，重要的是润滑、材料和特殊热处理或涂层。通过研究每个因素，可以针对应用配置适合的轴承。在设计轴承时，设计人员必须综合考虑所有因素，才能研发出高可靠性的轴承产品。本文概述HQW precision和Barden公司在研发用于极端环境的轴承时着重考虑的设计要素。本文所述的极端环境是指高污染、高温或低温、真空和腐蚀性环境。

2　应对极端环境的解决方案

2.1 高污染下的高可靠性

此处的高污染主要是指两种类型的污染物：

（1）固体污染物：泥土、沙子、石头，还有植物残渣等；

（2）液体污染物：泥浆、粪肥、化肥，还有用于清洗的清洁水。这些污染物包括许多研磨性材料（废物）和腐蚀性材料（粪肥、铵肥）。

固体污染物由不同粒度的元素组成，包括：砂砾和石块（粒度>2mm）、砂（粒度在20μm-0.2 mm之间）、石灰（粒度在2μm-20μm之间）、粒状粘土（粒度<2μm）。

所有这些粒子都对轴承构成威胁。固体污染物对轴承的损伤形式主要是磨损。砂砾和石块会影响轴承单元的外部（冲击），但也会对密封件的外部部分产生研磨作用。颗粒尺寸越小，物质越容易到达密封件。液体污染物对轴承的损伤形式主要是腐蚀。液体污染物一旦进入轴承，就会污染润滑剂，使轴承内部产生锈蚀，从而降低轴承性能，极大地影响可靠性。

根据这些污染物对轴承的损伤途径与损伤程度，开发不同形状和不同功能的密封件，配合适用的润滑脂，形成保护屏障，限度地减少轴承磨损与腐蚀，确保轴承可靠性。例如，用多唇形密封件堵住污染物，对于密封件外部唇部无法阻挡的细颗粒，在密封系统内使用静态油脂屏障，以捕获通过的任何微小颗粒。如果这还不够，那么继续在密封件上安装新的唇口，然后安装润滑脂屏障。此外，根据轴承在机器中的位置，设计许多不同的密封类型（从单唇形密封到加强型三唇形密封，至多八唇形密封）。配备了适合密封系统的轴承能够有效应对高污染环境，从而保证了较高的可靠性。

2.2 高温下的可靠性

高温应用，如航空航天工业中用于驱动系统的应用，可能对标准轴承提出挑战。此外，随着机组越来越小，功率密度越来越高，设备中的温度也在升高，这对标准轴承提出了更高的要求。设计应对高温操作的轴承时应着重考虑以下几方面：

2.2.1 润滑

润滑是要计入的一个重要因素。油和润滑脂具有工作温度。在该温度下，它们会逐渐降解并迅速蒸发，从而导致轴承故障。标准润滑脂的温度通常限制在120℃左右，一些传统高温润滑脂能够耐受高达180℃的温度。但是，对于需要更高温度的应用，可以使用特殊的氟化润滑脂，达到超过250℃的温度。在无法进行液体润滑的情况下，固体润滑是不错的选择，它使轴承在更高温度下进行低速可靠操作。在这种情况下，建议将二硫化钼（MOS2）、二硫化钨（WS2）、石墨或聚四氟乙烯（PTFE）作为固体润滑剂，因为它们可以耐受更长时间的高温。

2.2.2 材料

当温度超过300℃时，需要特殊的套圈和滚子材料。通常推荐使用高温钢AISI M50，因为它在高温下具有高耐磨性和耐疲劳性。BG42是另一种高温钢，在300℃下具有良好的热硬度。一般情况下，应对高温操作环境，通常指定使用BG42，因为它具有高水平的耐腐蚀性，并且在极端温度下不易疲劳和磨损。

此外，还需要高温保持架。这些保持架可以用特殊聚合物材料制成，包括PTFE、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺（PAI）和聚醚醚酮（PEEK）。对于高温油润滑系统，轴承保持架也可以由青铜、黄铜或镀银钢制成。

2.2.3 涂层与热处理

为了对抗摩擦、防止腐蚀和减少磨损，改善轴承在高温下的性能，可对轴承应用先进的涂层和表面处理。例如，钢制保持架可以镀银，以提高性能和可靠性。在润滑剂失效/不足的情况下，镀银起到固体润滑剂的作用，允许轴承在短时间内或紧急情况下继续运行。

2.3 低温下的可靠性

相对于高温，低温对于标准轴承来说也可能是个挑战。设计应对低温操作的轴承时也应从以下方面入手：

2.3.1 润滑

在低温应用中，例如温度在-190℃范围内的低温泵送应用中，润滑油变成蜡状，导致轴承故障。这种情况下，固体润滑（如MOS2或WS2）是提高可靠性的理想选择。此外，在这些应用中，被泵送的介质可以充当润滑剂，因此需要对轴承进行特殊配置，以便使用与介质良好配合的材料在这些低温下运行。

2.3.2 材料

一种可用于提高轴承疲劳寿命和耐磨性的材料是SV30®。这是一种马氏体全硬化、高氮、耐腐蚀钢。也推荐使用陶瓷球，因为它们具有优异的性能。该材料固有的机械性能意味着它们在恶劣的润滑条件下仍然能够平稳运行，并且更适合在低温下可靠运行。

保持架材料也应尽可能选择耐磨性高的，PEEK、聚三氟氯乙烯（PCTFE）和PAI塑料都是不错的选择。

2.3.3 热处理

套圈应经过特殊热处理，以提高低温下的尺寸稳定性。

2.3.4 内部设计

针对在低温下工作的轴承，另一个考虑因素是轴承的内部设计。轴承具有一定的径向游隙，但随着温度的降低，轴承部件会发生热收缩，因此径向游隙量会减少。如果在运行期间径向游隙水平降至零，会导致轴承故障。用于低温应用的轴承应设计为在室温下具有更多的径向游隙，以允许在低温下具有可接受的工作径向游隙水平。

2.4 真空压力下的可靠性

在超高真空环境（如制造电子、半导体和LCD的环境）中，压力可能低于10^-7mbar。超高真空轴承通常用于制造环境中的驱动设备。另一个典型的真空应用是涡轮分子泵（TMP），它为制造环境产生真空。在后一种应用中，轴承通常需要高速工作。设计此类轴承时主要考虑润滑因素。

在如此高的真空度下，标准润滑脂会蒸发并排出气体，缺乏有效润滑可能导致轴承故障。因此，需要使用特殊润滑。对于高真空环境（低至约10^-7 mbar），可以使用PFPE润滑脂，因为它们具有更高的耐蒸发性。对于超高真空环境（10^-9mbar及以下），需要使用固体润滑剂和涂层。

对于中等真空环境（约10^-2mbar），通过精心设计和选择特殊真空润滑脂，可以实现连续使用寿命超过40000小时（约5年）且高速运行的轴承系统。

2.5 耐腐蚀

用于腐蚀性环境的轴承需要特殊配置，因为它们可能暴露于酸、碱和盐水以及其他腐蚀性化学品中。需要考虑的设计要素主要是材料。

标准轴承钢容易被腐蚀，导致轴承早期失效。在这种情况下，应考虑使用带有陶瓷球的SV30环材料，因为它们具有高度的耐腐蚀性。事实上，研究表明，SV30材料在盐雾环境中的使用寿命是其他耐腐蚀钢的数倍。在受控盐雾试验中，SV30钢在1000小时盐雾试验后仅显示轻微的腐蚀迹象，并且SV30的高耐腐蚀性在试验套圈上清晰可见。特殊的陶瓷球材料，如氧化锆和碳化硅，也可以用来进一步提高轴承的耐腐蚀性物质。

2.6 介质润滑

临末一个具有挑战性的环境是介质充当润滑剂的应用，例如制冷剂、水或液压油。在所有这些应用中，材料是重要的考虑因素，通常SV30-陶瓷混合轴承是实用和可靠的解决方案。

3　小结

本文介绍了国外轴承公司在研发极端环境用轴承时着重考虑的要素。极端操作环境对标准轴承提出了许多操作挑战，从而导致其过早失效。对于这些应用，设计轴承时，应特别注意润滑、材料、表面涂层和热处理等要素。将每一个零件的设计要素整合进轴承中，使其满足极端工况要求，提供优异的长期性能，从而确保轴承的高可靠性。

来源：《轴承工业》2022年第7期

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