Руководство по подшипникам с граничной смазкой и самосмазывающимся подшипникам

Когда традиционная смазка маслом или консистентной смазкой нецелесообразна — из-за риска загрязнения, труднодоступных мест, экстремальных температур или требований к конструкции, не требующих технического обслуживания — подшипники с граничной смазкой и самосмазывающиеся подшипники представляют собой инженерное решение, которое полностью исключает необходимость использования системы смазки, сохраняя при этом приемлемые характеристики трения и износа. . Эти типы подшипников работают там, где невозможно поддерживать полную гидродинамическую пленку, вместо этого для защиты контактных поверхностей используются твердые смазочные пленки, встроенные смазочные резервуары или матричные материалы с низким коэффициентом трения. Выбор правильного типа и материала для конкретной нагрузки, скорости, температуры и окружающей среды определяет, достигнет ли подшипник расчетного срока службы или преждевременно выйдет из строя.

Что означает граничная смазка и почему это важно

Режимы смазки классифицируются по кривой Штрибека на три зоны: гидродинамическую (полная пленка), смешанная и граничная. В режим граничной смазки , смазочная пленка слишком тонка, чтобы полностью разделить поверхности подшипника — толщина пленки обычно меньше, чем совокупная шероховатость поверхности двух контактных поверхностей, что означает, что контакт неровностей происходит непосредственно между валом и подшипником. В этих условиях трение и износ определяются не вязкостью жидкости, а физико-химическими свойствами тонкого слоя молекулярной смазки, прилипающего к металлическим поверхностям.

Граничные условия смазки возникают при низкие скорости скольжения, высокие контактные давления во время циклов старт-стоп и в момент запуска прежде чем может образоваться гидродинамическая пленка. Даже подшипники, рассчитанные на полнопленочную работу, часть каждого рабочего цикла проводят в граничном режиме. Для применений, которые постоянно работают на низкой скорости и при высоких нагрузках (рычаги, шарниры, пальцы строительного оборудования, соединения сельскохозяйственной техники), подшипник может никогда не выйти из граничного режима во время нормальной работы, что делает характеристики граничной смазки материала определяющим фактором его срока службы.

Кривая Штрибека: где происходит граничная смазка

Как работают самосмазывающиеся подшипники

Самосмазывающиеся подшипники работают без технического обслуживания за счет включения твердых смазочных материалов непосредственно в конструкцию подшипника — либо в виде встроенных резервуаров, которые постепенно выделяют смазку под контактным давлением и теплом, либо в виде матричного материала с низким коэффициентом трения, который образует передающую пленку на сопрягаемой поверхности вала, либо в виде поверхностного покрытия из твердой смазки, нанесенного на металлическую подложку. В результате получается подшипник, который постоянно пополняет запас смазки изнутри, без какой-либо внешней смазки или масляной системы.

Наиболее важным механизмом в работе самосмазывающихся подшипников является формирование трансферной пленки . Во время работы подшипника твердые частицы смазки — обычно ПТФЭ, графит или дисульфид молибдена (МоС₂) — переносятся с поверхности подшипника на вал. Эта тонкая переводная пленка, как правило, Толщина 0,01–0,1 мкм , снижает эффективный коэффициент трения на границе контакта с 0,15–0,30 (граничный контакт металл-металл) до 0,04–0,15 , что значительно продлевает срок службы компонентов и снижает рабочую температуру.

Три механизма самосмазывания

• Заглушки или карманы с твердой смазкой: Обработанные углубления в бронзовой или железной матрице подшипника заполнены твердыми смазочными материалами — графитом, ПТФЭ или MoS₂. Под нагрузкой и относительном движении твердая смазка выдавливается из карманов и растекается по контактной поверхности. Бронзовые подшипники этого типа с графитовыми пробками широко используются в подшипниках шеек валков сталелитейных заводов, компенсаторах мостов и шарнирах тяжелой строительной техники, где рабочие температуры до 300°С сделать обычную смазку непрактичной.
• Пропитанные пористые металлические подшипники: Спеченный бронзовый или железный порошок прессуют и спекают для создания пористой матрицы с 15–30% объема пустот по конструкции . Этот пустотный объем затем пропитывается маслом в вакууме. Во время эксплуатации тепловое расширение и капиллярное действие притягивают масло к поверхности подшипника; когда он неподвижен и остыл, масло реабсорбируется матрицей. Эти пропитанные маслом спеченные подшипники (обычно называемые подшипниками Oilite) работают непрерывно без дополнительной смазки в течение всего срока службы в условиях легкой и средней нагрузки.
• Подшипники с полимерной матрицей: Подшипники из ПТФЭ, ПЭЭК, нейлона, ацеталя или композитного полимера содержат твердые смазочные материалы, равномерно распределенные по полимерной матрице. Поскольку в процессе эксплуатации поверхность подшипника подвергается микроскопическому износу, постоянно обнажается свежий материал, содержащий смазку. Композитные накладки на основе ПТФЭ, такие как композиты ПТФЭ/стекловолокно/MoS₂, достигают столь низких коэффициентов трения, 0,04–0,08 при сухом скольжении , конкурируя с металлическими подшипниками с масляной смазкой во многих условиях.

Твердые смазочные материалы: сравнение свойств и характеристик

Выбор твердой смазки определяет коэффициент трения подшипника, диапазон рабочих температур, грузоподъемность и совместимость с рабочей средой. Каждый из четырех основных твердых смазочных материалов, используемых в подшипниках с граничной смазкой и самосмазывающихся, имеет свои сильные стороны и ограничения.

Важная зависимость от окружающей среды влияет на выбор графита и MoS₂: графиту требуется адсорбированный водяной пар или молекулы газа для достижения низкого трения. и плохо работает в условиях сухого вакуума, тогда как MoS₂ лучше всего работает в сухих условиях или в вакууме и быстрее разлагается в средах с высокой влажностью из-за окисления сульфидных слоев. Это различие имеет решающее значение в аэрокосмической и космической технике: MoS₂ является стандартным выбором для спутниковых механизмов и вакуумного оборудования, где графит будет проявлять высокое трение.

Основные типы самосмазывающихся подшипников и их конструкции

Самосмазывающиеся подшипники производятся в нескольких различных конструктивных конфигурациях, каждая из которых оптимизирована для различных уровней нагрузки, диапазонов скоростей, температурных требований и условий применения. Понимание этих структур проясняет, какая категория продуктов подходит для данной обязанности.

Биметаллические самосмазывающиеся подшипники

Биметаллические самосмазывающиеся подшипники сочетают в себе стальную основу, обеспечивающую структурную прочность, и внутренний слой из бронзового сплава, в который вставлены пробки из твердой смазки (графит или MoS₂), расположенные по регулярному шаблону. Стальная основа выдерживает запрессовку корпуса и структурную нагрузку; бронзовая матрица обеспечивает твердость и теплопроводность; и крышка пробки твердой смазки 25–35% площади контактной поверхности , обеспечивая непрерывную смазку по всему отверстию подшипника. Эти подшипники выдерживают статические нагрузки до 250 МПа и работают непрерывно при температуре от -40°C до 300°C, что делает их стандартными для строительной техники, сельскохозяйственного оборудования и общепромышленных поворотных механизмов.

Подшипники с композитной футеровкой из ПТФЭ

В этих подшипниках используется стальная или бронзовая основа с тонкой композитной облицовкой из ПТФЭ. Толщина 0,25–0,35 мм - приклеены к поверхности ствола. Футеровка состоит из ПТФЭ, смешанного с армирующими наполнителями, такими как стекловолокно, углеродное волокно, бронзовый порошок или MoS₂, для повышения несущей способности и уменьшения свойственной чистому ПТФЭ склонности к ползучести. Полученный подшипник достигает коэффициента трения 0,04–0,12 в сухом режиме и широко используется в компонентах автомобильного шасси (втулки рычагов подвески, втулки тяг стабилизатора), подшипниках рулевых поверхностей самолетов и прецизионных шарнирах приборов, где загрязнение или ограничения по весу не позволяют использовать обычную смазку.

Пропитанные маслом подшипники из спеченного металла

Спеченные подшипники, изготовленные методом порошковой металлургии из бронзы (обычно 90% меди, 10% олова) или железного порошка, прессуются до контролируемой плотности, спекаются при температуре, а затем пропитываются маслом при температуре 15–30% объемная доля . Это наиболее экономичный тип самосмазывающихся подшипников для легких и средних условий эксплуатации, широко используемый в электродвигателях, вентиляторах, мелкой бытовой технике, офисном оборудовании и бытовых устройствах. Правильно подобранный подшипник Oilite, работающий в пределах предела PV (давление-скорость), обеспечит необслуживаемую работу в течение всего срока службы продукта в приложениях, работающих непрерывно на скоростях от 50 до 3000 об/мин.

Инженерные полимерные подшипники

Полимерные подшипники, изготовленные механической обработкой или отлитые под давлением из наполненного ПТФЭ, ПЭЭК, СВМПЭ, ацеталя или нейлона, обеспечивают самосмазку благодаря присущим полимерной матрице свойствам низкого трения. Подшипники из PEEK рассчитаны на самые высокие требования к температуре и химической стойкости — работают непрерывно, обеспечивая 250°С и устойчивость практически ко всем промышленным химикатам, что делает их стандартными в химической обработке, производстве продуктов питания и напитков, а также фармацевтическом оборудовании, где необходимо избегать загрязнения металлами и запрещается смазка.

Предел PV: критический параметр конструкции для подшипников с граничной смазкой

Предел PV — произведение контактного давления (P, в МПа) и скорости скольжения (V, в м/с) — является фундаментальным расчетным параметром для всех подшипников с граничной смазкой и самосмазывающихся подшипников. Он определяет максимальную комбинированную нагрузку и скорость, которую подшипник может выдержать без выделения тепла при трении, превышающего температурные пределы материала и вызывающего ускоренный износ, размягчение или катастрофический отказ. Постоянная работа на пределе солнечной энергии или вблизи него значительно сократит срок службы; продолжительная работа выше предела PV приведет к быстрому выходу из строя.

Предел PV не является просто аддитивным — высокое давление при низкой скорости может быть приемлемым, в то время как то же значение PV, достигнутое при умеренном давлении и умеренной скорости, может генерировать больше тепла из-за уменьшения охлаждения при контакте с валом. Производители публикуют предельные кривые PV, показывающие приемлемый рабочий диапазон давления и скорости, и следует обращаться к ним, а не использовать только пиковое значение PV в качестве критерия проектирования.

Типичные ограничения фотоэлектрических параметров в зависимости от материала подшипника

Отрасли промышленности и применения, где необходимы самосмазывающиеся подшипники

Самосмазывающиеся подшипники в граничных условиях смазки не являются нишевым решением — они служат основным типом подшипников в широком спектре отраслей, где рабочая среда, требования к техническому обслуживанию или геометрия применения делают подшипники с обычной смазкой непрактичными или неприемлемыми.

Строительная и сельскохозяйственная техника

Стрела и пальцы ковша экскаватора, шарниры стрелы погрузчика, шарниры сельскохозяйственного оборудования и поворотные устройства крана – все они работают в условиях высокой статической нагрузки, колебательных движений и сильного загрязнения. Бронзовые втулки, смазанные в этих местах, требуют минимального интервала смазки. 8–50 часов работы — нецелесообразно в полевых условиях. Биметаллические самосмазывающиеся подшипники с графитовыми пробками в этих местах увеличивают интервалы технического обслуживания до 1000–5000 часов , что снижает расход смазочных материалов, затраты на рабочую силу и загрязнение окружающей почвы и водных путей.

Производство продуктов питания, напитков и фармацевтическая промышленность

Нормативные требования в зонах контакта с пищевыми продуктами запрещают использование смазочных материалов на нефтяной основе, которые могут загрязнить продукт. Подшипники из композита ПТФЭ и полимера ПЭЭК в конвейерных системах, разливочном оборудовании, упаковочном оборудовании и смесительных емкостях обеспечивают работу без технического обслуживания без смазки, которая могла бы попасть в поток продукта. Материалы подшипников из ПТФЭ и СВМПЭ, соответствующие требованиям FDA, являются стандартными спецификациями в этих отраслях. нулевой риск миграции смазки и полная совместимость с циклами очистки паром и химической дезинфекцией.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Подшипники рулей самолета, подшипники головки несущего винта вертолета и шарниры киля ракеты работают под воздействием осциллирующих нагрузок при переменных температурах от -65°С до 200°С без возможности повторной смазки в процессе эксплуатации. Композитные сферические подшипники из ПТФЭ, наполненные MoS₂, являются стандартным решением, обеспечивающим срок службы более 20 000 летных часов в приложениях с поверхностями управления. В механизмах спутников и космических кораблей используются подшипники с покрытием MoS₂ именно потому, что вакуумная среда исключает механизм смазки графита с адсорбированной влагой, что делает MoS₂ единственной жизнеспособной твердой смазкой в ​​космосе.

Автомобильное шасси и трансмиссия

Втулки рычагов подвески, втулки рулевой рейки, тяги стабилизатора поперечной устойчивости и подшипники шарниров сцепления в современных автомобилях почти всегда представляют собой самосмазывающиеся подшипники с тефлоновой футеровкой, герметизированные на весь срок службы. Эти необслуживаемые подшипники, заменяющие смазываемые бронзовые втулки, использовавшиеся в автомобилях предыдущих поколений, рассчитаны на долгий срок службы. полный срок службы автомобиля 250 000–300 000 км. без повторной смазки, что исключает необходимость обслуживания, которым многие владельцы транспортных средств пренебрегают, и снижает количество претензий по гарантии из-за износа компонентов подвески.

Материал вала и качество поверхности: фактор, который часто упускают из виду

Производительность любого подшипника с граничной смазкой или самосмазывающегося подшипника сильно зависит от сопрягаемой поверхности вала — фактор, который часто занижается. Материал подшипника и вал образуют трибологическую систему; оптимизация только подшипника без учета вала может сократить срок службы на 50% или более по сравнению с правильно заданной поверхностью вала.

• Шероховатость поверхности: Для композитных подшипников из ПТФЭ оптимальное значение Ra вала составляет 0,2–0,8 мкм . Слишком шероховатый (Ra >1,6 мкм) быстро истирает тонкую футеровку из ПТФЭ; слишком гладкая (Ra <0,1 мкм) препятствует прилипанию пленки переноса, вызывая высокое начальное трение и замедленное образование пленки.
• Твердость вала: Минимальная твердость вала 30 HRС рекомендуется для стальных валов, работающих на металлических самосмазывающихся подшипниках. Более мягкие валы изнашиваются преимущественно, что создает проблему замены вала, которая обходится дороже, чем сам подшипник. Для полимерных подшипников допустима более низкая твердость вала из-за присущей подшипнику низкой абразивности.
• Совместимость материалов вала: Валы из нержавеющей стали, работающие на определенных полимерных подшипниках, могут вызвать истирание в агрессивных средах — валы с твердым хромом или керамическим покрытием предпочтительны в химической обработке. Для применения в пищевой промышленности в стандартную комплектацию входят валы из электрополированной нержавеющей стали 316L, обеспечивающие как коррозионную стойкость, так и чистовую обработку поверхности, подходящую для работы подшипников из ПТФЭ.
• Геометрия вала: Допуски на прямолинейность и круглость вала должны находиться в пределах IT6 или выше для прецизионных самосмазывающихся подшипников. Некруглые или изогнутые валы создают локализованные зоны контакта с высоким давлением, которые превышают местные пределы PV, вызывая ускоренный износ в отдельных местах, даже когда средний расчет PV кажется приемлемым.

Выбор подходящего самосмазывающегося подшипника: основа практического принятия решения

Учитывая разнообразие доступных типов самосмазывающихся подшипников, структурированный процесс выбора предотвращает дорогостоящие ошибки в спецификациях. Следующие критерии следует оценивать последовательно, чтобы выбрать правильный тип, материал и класс подшипника для данного применения.

1. Определите тип движения: Непрерывное вращение, колебание/качание или чистая статическая нагрузка с периодическим движением. Спеченные подшипники, пропитанные маслом, лучше всего подходят для непрерывного вращения; Биметаллические и композитные подшипники из ПТФЭ лучше справляются с колебательными движениями и статической нагрузкой за счет подачи в них твердой смазки, не зависящей от гидродинамической накачки.
2. Рассчитайте P и V независимо, затем проверьте PV: Определите нагрузку на подшипник (пересчитанную в контактное давление в МПа с использованием площади проекции подшипника) и скорость скольжения (в м/с). Проверьте оба значения по отдельности с максимальными значениями P и V материала, затем сравните PV продукта с предельной кривой PV материала, а не только с основным номером PV.
3. Подтвердите диапазон рабочих температур: Если рабочая температура превышает 120°C, использование спеченных подшипников, пропитанных маслом, исключается. При температуре выше 260°C использование подшипников на основе ПТФЭ исключено. При температуре выше 300°C единственными приемлемыми вариантами являются металлические подшипники с графитовыми пробками или композиты h-BN.
4. Оцените экологические ограничения: Требования к контакту с пищевыми продуктами, химическому погружению, работе в вакууме или электрической изоляции значительно сужают выбор материалов и должны быть решены до расчета нагрузки и скорости, чтобы избежать ненужных результатов анализа исключенных материалов.
5. Укажите посадку корпуса и вала: Подтвердите допуск корпуса подшипника (обычно посадка с натягом H7 для запрессованных подшипников) и допуск вала (обычно посадка с зазором f7 или g6). Неправильная посадка приводит к вращению подшипника в корпусе или увеличению рабочего зазора, что приводит к преждевременному выходу из строя независимо от того, насколько хорошо указан материал подшипника.