Что такое самосмазывающиеся подшипники? Типы, использование и выбор

Что такое самосмазывающиеся подшипники и как они работают

Определяющей особенностью самосмазывающегося подшипника является его способность создавать непрерывную смазочную пленку изнутри самого материала подшипника без какой-либо внешней подачи. Это происходит посредством одного из трех основных механизмов:

Являются ли подшипники скольжения самосмазывающимися?

Подшипники скольжения (также называемые подшипниками скольжения или подшипниками скольжения) могут иметь традиционную смазку или самосмазывающиеся, в зависимости от материала их конструкции. Это различие имеет значение при выборе приложений, не требующих обслуживания.

Подшипники скольжения из спеченной бронзы являются наиболее широко используемым типом самосмазывающихся подшипников скольжения. Стандарты ISO 2795 и MPIF Standard 35 определяют требования к содержанию масла в этих компонентах: стандартная марка содержит минимум 19% масла по объему . Они встречаются в электродвигателях, бытовой технике, офисном оборудовании и автомобильных вспомогательных приводах, где доступ к подшипникам закрыт или затруднен.

Твердые полимерные подшипники скольжения Изготовленные из ацеталя (POM), нейлона (PA6/PA66) или PEEK с внутренними смазывающими добавками, это еще один формат самосмазывающихся втулок. Они работают вообще без масла, что делает их пригодными для пищевой промышленности, медицинского оборудования и подводных работ, где загрязнение маслом запрещено.

Гидродинамические подшипники скольжения со стальной опорой — например, те, которые используются в больших коленчатых валах и шейках турбин — не являются самосмазывающимися. Они требуют постоянной подачи масла под давлением для поддержания гидродинамического клина, отделяющего вал от подшипника. В этих конструкциях отказ подачи масла приводит к немедленному выходу из строя подшипников.

Являются ли керамические подшипники самосмазывающимися?

Керамические подшипники часто продаются с надписью «работает всухую», что создает путаницу в отношении того, действительно ли они являются самосмазывающимися. Точный ответ: нет, керамические подшипники не являются самосмазывающимися , но свойства их материала значительно снижают требования к смазке по сравнению со сталью.

Нитрид кремния (Si3N4), наиболее распространенный керамический материал подшипников, обладает рядом свойств, которые снижают зависимость от смазки:

• Твердость поверхности 1400–1600 ВН по сравнению с 700–800 HV для подшипниковой стали — снижение адгезионного износа в условиях предельной смазки
• Плотность 3,2 г/см³ по сравнению с 7,8 г/см³ для стали — создание меньших центробежных сил на дорожке качения на высокой скорости, что позволяет более тонким смазочным пленкам сохранять разделение
• Низкий коэффициент теплового расширения ( 3,2 × 10⁻⁶/°С ) — уменьшение изменения внутреннего зазора при перепадах температуры, которые могут привести к выдавливанию смазки из стального подшипника.
• Немагнитный и электрически непроводящий — предотвращает деградацию смазки, вызванную электростатическими разрядами, которая возникает в стальных подшипниках, используемых в приводах с регулируемой частотой.

На практике полностью керамические подшипники могут выдерживать короткие периоды времени без смазки в чистых условиях с низкой нагрузкой, особенно на очень высоких скоростях, где время контакта на один оборот чрезвычайно мало. Но для устойчивой работы по-прежнему необходима смазка — даже минимальная сухая пленка — для предотвращения прогрессирующей усталости поверхности. Гибридные керамические подшипники (керамические шарики, стальные кольца) почти всегда требуют обычной смазки.

Нужна ли смазка обычным подшипникам?

Да — все обычные подшипники качения (шарикоподшипники, цилиндрические роликоподшипники, конические роликоподшипники, игольчатые подшипники) требуют смазки на протяжении всего срока службы. Смазка выполняет четыре функции, которые не может воспроизвести ни одна геометрия подшипника:

• Образование эластогидродинамической пленки: Фильм под давлением от 0,1 до 1,0 микрон отделяет тела качения от дорожки качения под нагрузкой, предотвращая контакт металла с металлом
• Тепловыделение: Циркуляционное масло в больших подшипниках отводит тепло, выделяемое при контакте качения и сопротивлении сепаратора, что критически важно при работе с динамической нагрузкой, превышающей 50 % от номинальной динамической нагрузки подшипника.
• Защита от коррозии: Смазка и масло вытесняют влагу с контактных поверхностей; без смазки подшипниковая сталь корродирует в течение нескольких часов во влажной среде
• Исключение загрязнений: Смазка, находящаяся в полости подшипника, создает физический барьер против пыли и абразивных частиц, которые в противном случае могли бы вызвать трехчастичный износ.

Последствия недостаточной смазки серьезны: исследования SKF и NSK показывают, что более 36% преждевременных отказов подшипников качения связаны с проблемами со смазкой, включая недостаточное количество, неправильный тип смазки, загрязненную смазку или неправильные интервалы повторного смазывания. Для сравнения, усталостные разрушения при правильной смазке составляют лишь 14% отказов в эксплуатации.

Сравнение типов самосмазывающихся подшипников

Выбор правильного типа самосмазывающегося подшипника требует соответствия условий эксплуатации конкретным возможностям материала. В таблице ниже приведены ключевые параметры производительности:

В чем самосмазывающиеся подшипники превосходят альтернативы со смазкой

Существуют определенные операционные среды, в которых переключение на самосмазывающиеся подшипники обеспечивает измеримые преимущества по сравнению с подшипниками, смазываемыми традиционной смазкой:

• Осциллирующие и медленно вращающиеся приложения: Подшипники, смазываемые консистентной смазкой, при медленном колебательном движении (менее 1 об/мин) никогда не образуют гидродинамической пленки — в лучшем случае они работают с граничной смазкой. Подшипники с твердой смазкой справляются с этими условиями при коэффициенте трения от 0,05 до 0,15 без изменения механизма износа на низкой скорости.
• Смывная и погружная среда: Линии пищевой промышленности, оборудование для автомоек и судовое оборудование подвергают подшипники воздействию воды, которая разжижает смазку. Подшипники из спеченного полимера и бронза с графитовыми пробками полностью исключают этот вид отказа.
• Высокотемпературные зоны: Обычные смазки разлагаются при температуре выше 180°C; синтетические смазки увеличивают эту температуру примерно до 260°C. Бронзовые подшипники с графитовыми пробками работают непрерывно при до 400°С в колесах тележек печей, конвейерных роликах и печном оборудовании для отжига стекла.
• Вакуум и чистые помещения: Жир выделяет газы в вакууме, загрязняя оптические приборы и полупроводниковое оборудование. Подшипники с сухой пленкой на основе ПТФЭ являются стандартными для сателлитных механизмов и столиков электронных микроскопов, где давление паров ниже 10⁻⁸ Па требуется.
• Снижение затрат в течение жизненного цикла: Исследование программ замены подшипников на муниципальных водоочистных станциях показало, что замена втулок задвижек из смазанной бронзы на подшипники, пропитанные графитом, снижает трудозатраты на техническое обслуживание на 62% в течение 10-летнего периода за счет исключения ежеквартальных раундов пополнения смазки.

Ключевые параметры выбора и типичные ошибки при выборе размеров

Значение PV — произведение давления в подшипнике (P, в МПа) и скорости скольжения (V, в м/с) — является основным параметром выбора самосмазывающихся подшипников скольжения. Каждый материал подшипника имеет максимальный показатель PV, при превышении которого смазочная пленка не может поддерживаться, а температура поверхности подшипника возрастает до разрушительного уровня.

Большинство преждевременных отказов самосмазывающихся подшипников в полевых условиях обусловлены тремя ошибками в выборе размеров:

• Игнорирование ограничения PV в условиях пиковой нагрузки: Подшипник, рассчитанный на PV = 0,10 МПа·м/с, может иметь правильный размер для нормальной работы, но выйти из строя во время запуска или ударной нагрузки, если мгновенное значение PV в эти моменты не проверено. Пиковые значения PV могут в 3–5 раз превышать установившееся значение в машинах с возвратно-поступательным движением.
• Неправильная спецификация обработки поверхности вала: Самосмазывающиеся подшипники require a shaft roughness of Ra от 0,4 до 0,8 микрон для оптимального формирования трансферной пленки. Валы, отполированные до Ra 0,2 микрона, не обеспечивают достаточную текстуру шероховатости для закрепления ПТФЭ или графита, что замедляет образование пленки и увеличивает ранний износ. Валы с шероховатостью Ra 1,6 микрона истирают поверхность подшипника до того, как образуется пленка.
• Недооценка влияния теплового расширения на зазор: Полимерные подшипники имеют коэффициент теплового расширения в 5–10 раз выше, чем стальные корпуса. Подшипник из PEEK с диаметром зазора 0,05 мм при 20 °C может иметь нулевой зазор (или натяг) при 150 °C, если соотношение диаметров корпуса и подшипника и сочетание материалов не были правильно рассчитаны на этапе проектирования.