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)異的長壽命性能，設(shè)計軸承時，必須根據(jù)軸承系統(tǒng)的工況設(shè)計出相應(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)境的軸承時著重考慮的設(shè)計要素。

1　引言

提高對整個行業(yè)可靠性的需求意味著設(shè)計人員需要考慮設(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，因此設(shè)計軸承時需要特別考慮單個零件的影響。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。通過研究每個因素，可以針對應(yīng)用配置適合的軸承。在設(shè)計軸承時，設(shè)計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)境的軸承時著重考慮的設(shè)計要素。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，還有植物殘渣等；

（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）。

所有這些粒子都對軸承構(gòu)成威脅。固體污染物對軸承的損傷形式主要是磨損。砂礫和石塊會影響軸承單元的外部（沖擊），但也會對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)動系統(tǒng)的應(yīng)用，可能對標(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，這對標(biāo)準(zhǔn)軸承提出了更高的要求。設(shè)計應(yīng)對高溫操作的軸承時應(yīng)著重考慮以下幾方面：

2.2.1 潤滑

潤滑是要計入的一個重要因素。油和潤滑脂具有工作溫度。在該溫度下，它們會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，因為它們可以耐受更長時間的高溫。

2.2.2 材料

當(dāng)溫度超過300℃時，需要特殊的套圈和滾子材料。通常推薦使用高溫鋼AISI M50，因為它在高溫下具有高耐磨性和耐疲勞性。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)對高溫操作環(huán)境，通常指定使用BG42，因為它具有高水平的耐腐蝕性，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

相對于高溫，低溫對于標(biāo)準(zhǔn)軸承來說也可能是個挑戰(zhàn)。設(shè)計應(yīng)對低溫操作的軸承時也應(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，因為它們具有優(yōu)異的性能。該材料固有的機(jī)械性能意味著它們在惡劣的潤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

針對在低溫下工作的軸承，另一個考慮因素是軸承的內(nèi)部設(shè)計。軸承具有一定的徑向游隙，但隨著溫度的降低，軸承部件會發(fā)生熱收縮，因此徑向游隙量會減少。如果在運(yùn)行期間徑向游隙水平降至零，會導(dǎo)致軸承故障。用于低溫應(yīng)用的軸承應(yīng)設(shè)計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)動設(shè)備。另一個典型的真空應(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)計此類軸承時主要考慮潤滑因素。

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。對于高真空環(huán)境（低至約10^-7 mbar），可以使用PFPE潤滑脂，因為它們具有更高的耐蒸發(fā)性。對于超高真空環(huán)境（10^-9mbar及以下），需要使用固體潤滑劑和涂層。

對于中等真空環(huán)境（約10^-2mbar），通過精心設(shè)計和選擇特殊真空潤滑脂，可以實現(xiàn)連續(xù)使用壽命超過40000小時（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，因為它們可能暴露于酸、堿和鹽水以及其他腐蝕性化學(xué)品中。需要考慮的設(shè)計要素主要是材料。

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，因為它們具有高度的耐腐蝕性。事實上，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。在受控鹽霧試驗中，SV30鋼在1000小時鹽霧試驗后僅顯示輕微的腐蝕跡象，并且SV30的高耐腐蝕性在試驗套圈上清晰可見。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)境用軸承時著重考慮的要素。極端操作環(huán)境對標(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。對于這些應(yīng)用，設(shè)計軸承時，應(yīng)特別注意潤滑、材料、表面涂層和熱處理等要素。將每一個零件的設(shè)計要素整合進(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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