用于極端環境軸承的設計要素

軸承系統故障可能會造成災難性后果和高昂的維修成本。影響軸承可靠性的因素有很多，其中軸承設計是重中之重，尤其是在極端操作條件下，包括高污染工況、高溫或低溫、真空和腐蝕性等環境。為確保設備的高可靠性和優異的長壽命性能，設計軸承時，必須根據軸承系統的工況設計出相應的解決方案。
提高對整個行業可靠性的需求意味著設計人員需要考慮設備的所有部件。軸承系統是機器中的關鍵部件，其故障可能會造成停機與高維修成本等后果。軸承系統包括滾子、套圈、保持架和潤滑劑。標準軸承通常經不起極端環境的嚴酷考驗，因此設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，最重要的是潤滑、材料和特殊熱處理或涂層。通過研究每個因素，可以針對應用配置最適合的軸承。在設計軸承時，設計人員必須綜合考慮所有因素，才能研發出高可靠性的軸承產品。
一、應對極端環境的解決方案
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）。FAGTSV522
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生研磨作用。顆粒尺寸越小，物質越容易到達密封件。液體污染物對軸承的損傷形式主要是腐蝕。液體污染物一旦進入軸承，就會污染潤滑劑，使軸承內部產生銹蝕，從而降低軸承性能，極大地影響可靠性。
根據這些污染物對軸承的損傷途徑與損傷程度，開發不同形狀和不同功能的密封件，配合適用的潤滑脂，形成保護屏障，最大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最細顆粒，在密封系統內使用靜態油脂屏障，以捕獲通過的任何微小顆粒。如果這還不夠，那么繼續在密封件上安裝新的唇口，然后安裝潤滑脂屏障。此外，根據軸承在機器中的位置，設計許多不同的密封類型（從單唇形密封到加強型三唇形密封，最多八唇形密封）。配備了適合密封系統的軸承能夠有效應對高污染環境，從而保證了較高的可靠性。FAG7215B.MP.UA
2.高溫下的可靠性
高溫應用，如航空航天工業中用于驅動系統的應用，可能對標準軸承提出挑戰。此外，隨著機組越來越小，功率密度越來越高，設備中的溫度也在升高，這對標準軸承提出了更高的要求。設計應對高溫操作的軸承時應著重考慮以下幾方面：
（1）潤滑
潤滑是要計入的一個重要因素。油和潤滑脂具有最高工作溫度。在該溫度下，它們會逐漸降解并迅速蒸發，從而導致軸承故障。標準潤滑脂的最高溫度通常限制在120oC左右，一些傳統高溫潤滑脂能夠耐受高達180oC的溫度。但是，對于需要更高溫度的應用，可以使用特殊的氟化潤滑脂，達到超過250oC的溫度。在無法進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）材料
當溫度超過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300oC下具有良好的熱硬度。一般情況下，應對高溫操作環境，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，軸承保持架也可以由青銅、黃銅或鍍銀鋼制成。
（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，可對軸承應用先進的涂層和表面處理。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或緊急情況下繼續運行。
3.低溫下的可靠性
相對于高溫，低溫對于標準軸承來說也可能是個挑戰。設計應對低溫操作的軸承時也應從以下方面入手：
（1）潤滑
在低溫應用中，例如溫度在-190oC范圍內的低溫泵送應用中，潤滑油變成蠟狀，導致軸承故障。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，在這些應用中，被泵送的介質可以充當潤滑劑，因此需要對軸承進行特殊配置，以便使用與介質良好配合的材料在這些低溫下運行。FAGT7FC070
（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，因為它們具有優異的性能。該材料固有的機械性能意味著它們在惡劣的潤滑條件下仍然能夠平穩運行，并且更適合在低溫下可靠運行。
保持架材料也應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。
（3）熱處理
套圈應經過特殊熱處理，以提高低溫下的尺寸穩定性。
（4）內部設計
針對在低溫下工作的軸承，另一個考慮因素是軸承的內部設計。軸承具有一定的徑向游隙，但隨著溫度的降低，軸承部件會發生熱收縮，因此徑向游隙量會減少。如果在運行期間徑向游隙水平降至零，會導致軸承故障。用于低溫應用的軸承應設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。
4.真空壓力下的可靠性
在超高真空環境（如制造電子、半導體和LCD的環境）中，壓力可能低于10-7mbar。超高真空軸承通常用于制造環境中的驅動設備。另一個典型的真空應用是渦輪分子泵（TMP），它為制造環境產生真空。在后一種應用中，軸承通常需要高速工作。設計此類軸承時主要考慮潤滑因素。
在如此高的真空度下，標準潤滑脂會蒸發并排出氣體，缺乏有效潤滑可能導致軸承故障。因此，需要使用特殊潤滑。對于高真空環境（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性。對于超高真空環境（10-9mbar及以下），需要使用固體潤滑劑和涂層。
對于中等真空環境（約10-2mbar），通過精心設計和選擇特殊真空潤滑脂，可以實現連續使用壽命超過40000小時（約5年）且高速運行的軸承系統。
5.耐腐蝕
用于腐蝕性環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品中。需要考慮的設計要素主要是材料。
標準軸承鋼容易被腐蝕，導致軸承早期失效。在這種情況下，應考慮使用帶有陶瓷球的SV30環材料，因為它們具有高度的耐腐蝕性。事實上，研究表明，SV30材料在鹽霧環境中的使用壽命是其他耐腐蝕鋼的數倍。在受控鹽霧試驗中，SV30鋼在1000小時鹽霧試驗（見圖1）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，也可以用來進一步提高軸承的耐腐蝕性物質。
6.介質潤滑
具有挑戰性的環境是介質充當潤滑劑的應用，例如制冷劑、水或液壓油。在所有這些應用中，材料是最重要的考慮因素，通常SV30-陶瓷混合軸承是最實用和可靠的解決方案。
 
極端操作環境對標準軸承提出了許多操作挑戰，從而導致其過早失效。對于這些應用，設計軸承時，應特別注意潤滑、材料、表面涂層和熱處理等要素。將每一個零件的設計要素整合進軸承中，使其滿足極端工況要求，提供優異的長期性能，從而確保軸承的高可靠性。