Η αυξημένη ζήτηση για τη βελτίωση της αξιοπιστίας σε ολόκληρο τον κλάδο σημαίνει ότι οι μηχανικοί πρέπει να λαμβάνουν υπόψη όλα τα εξαρτήματα του εξοπλισμού τους.Τα συστήματα ρουλεμάν είναι κρίσιμα μέρη σε ένα μηχάνημα και η αστοχία τους θα μπορούσε να έχει καταστροφικές και δαπανηρές συνέπειες.Ο σχεδιασμός του ρουλεμάν έχει σημαντικό αντίκτυπο στην αξιοπιστία, ειδικά σε ακραίες συνθήκες λειτουργίας, όπως υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες, κενό και διαβρωτικές ατμόσφαιρες.Αυτό το άρθρο περιγράφει σκέψεις που πρέπει να ληφθούν κατά τον καθορισμό ρουλεμάν για δύσκολα περιβάλλοντα, έτσι ώστε οι μηχανικοί να μπορούν να διασφαλίζουν υψηλή αξιοπιστία και εξαιρετική απόδοση μεγάλης διάρκειας ζωής του εξοπλισμού τους.

Ένα σύστημα ρουλεμάν περιλαμβάνει πολλά στοιχεία όπως μπάλες, δαχτυλίδια, κλουβιά και λίπανση για παράδειγμα.Τα τυπικά ρουλεμάν δεν αντέχουν συνήθως στις ακαμψίες των σκληρών περιβαλλόντων και γι' αυτό χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στα επιμέρους εξαρτήματα.Τα πιο σημαντικά στοιχεία είναι η λίπανση, τα υλικά και η ειδική θερμική επεξεργασία ή επικαλύψεις και εξετάζοντας κάθε παράγοντα σημαίνει ότι τα ρουλεμάν μπορούν να διαμορφωθούν καλύτερα για την εφαρμογή.

Λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία

Εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως αυτές που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ενεργοποίησης στην αεροδιαστημική βιομηχανία μπορεί να παρουσιάσουν προκλήσεις για τα τυπικά ρουλεμάν.Επιπλέον, οι θερμοκρασίες αυξάνονται στον εξοπλισμό καθώς οι μονάδες γίνονται όλο και μικρότερες και έχουν αυξημένη πυκνότητα ισχύος, και αυτό δημιουργεί πρόβλημα για το μέσο ρουλεμάν.

Λάδωμα

Η λίπανση είναι ένα σημαντικό ζήτημα εδώ.Τα λάδια και τα γράσα έχουν μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας, οπότε θα αρχίσουν να υποβαθμίζονται και να εξατμίζονται γρήγορα, οδηγώντας σε αστοχία του ρουλεμάν.Τα τυπικά γράσα συχνά περιορίζονται σε μέγιστη θερμοκρασία περίπου 120°C και ορισμένα συμβατικά γράσα υψηλής θερμοκρασίας είναι ικανά να αντέχουν σε θερμοκρασίες έως και 180°C.

Ωστόσο, για εφαρμογές που απαιτούν ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες είναι διαθέσιμα ειδικά φθοριούχα λιπαντικά γράσα και μπορούν να επιτευχθούν θερμοκρασίες άνω των 250°C.Όπου δεν είναι δυνατή η υγρή λίπανση, η στερεά λίπανση είναι μια επιλογή που επιτρέπει την αξιόπιστη λειτουργία χαμηλής ταχύτητας σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες.Σε αυτή την περίπτωση το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MOS2), το δισουλφίδιο του βολφραμίου (WS2), ο γραφίτης ή το πολυτετραφθοροαιθυλένιο (PTFE) συνιστώνται ως στερεά λιπαντικά, καθώς μπορούν να ανεχθούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα.

Υλικά

Όταν πρόκειται για θερμοκρασίες άνω των 300°C απαιτούνται ειδικά υλικά δακτυλίου και μπάλας.Το AISI M50 είναι ένας χάλυβας υψηλής θερμοκρασίας που συνιστάται συνήθως καθώς παρουσιάζει υψηλή αντοχή στη φθορά και την κόπωση σε υψηλές θερμοκρασίες.Το BG42 είναι ένας άλλος χάλυβας υψηλής θερμοκρασίας που έχει καλή θερμική σκληρότητα στους 300°C και προσδιορίζεται συνήθως καθώς έχει υψηλά επίπεδα αντοχής στη διάβρωση και είναι επίσης λιγότερο ευαίσθητος στην κόπωση και τη φθορά σε ακραίες θερμοκρασίες.

Απαιτούνται επίσης κλωβοί υψηλής θερμοκρασίας και μπορούν να παραδοθούν σε ειδικά πολυμερή υλικά όπως PTFE, Polyimide, Polyamide-imide (PAI) και Polyether-ether-ketone (PEEK).Για συστήματα με λίπανση λαδιού υψηλής θερμοκρασίας, οι κλωβοί ρουλεμάν μπορούν επίσης να κατασκευαστούν από μπρούτζο, ορείχαλκο ή επάργυρο χάλυβα.

Επιστρώσεις και θερμική επεξεργασία

Προηγμένες επιστρώσεις και επεξεργασίες επιφάνειας μπορούν να εφαρμοστούν σε ρουλεμάν για την καταπολέμηση της τριβής, την πρόληψη της διάβρωσης και τη μείωση της φθοράς, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση του ρουλεμάν σε υψηλές θερμοκρασίες.Για παράδειγμα, τα χαλύβδινα κλουβιά μπορούν να επικαλυφθούν με ασήμι για βελτίωση της απόδοσης και της αξιοπιστίας.Σε περίπτωση αστοχίας λιπαντικού/ασιτίας, η επάργυρη λειτουργεί σαν στερεό λιπαντικό, επιτρέποντας στο ρουλεμάν να συνεχίσει να λειτουργεί για σύντομο χρονικό διάστημα ή σε κατάσταση έκτακτης ανάγκης.

Αξιοπιστία σε χαμηλή θερμοκρασία

Στο άλλο άκρο της κλίμακας, οι χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί να είναι προβληματικές για τα τυπικά ρουλεμάν.

Λάδωμα

Σε εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιών, για παράδειγμα εφαρμογές κρυογονικής άντλησης με θερμοκρασίες της τάξης των -190°C, οι λιπάνσεις λαδιών γίνονται κηρώδεις με αποτέλεσμα την αστοχία του ρουλεμάν.Η στερεά λίπανση όπως το MOS2 ή το WS2 είναι ιδανικά για τη βελτίωση της αξιοπιστίας.Επιπλέον, σε αυτές τις εφαρμογές, τα μέσα που αντλούνται μπορούν να λειτουργήσουν ως λιπαντικό, επομένως τα ρουλεμάν πρέπει να διαμορφωθούν ειδικά για να λειτουργούν σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιώντας υλικά που λειτουργούν καλά με τα μέσα.

Υλικά

Ένα υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της διάρκειας ζωής του ρουλεμάν σε κόπωση και της αντοχής στη φθορά είναι το SV30® – ένας μαρτενσιτικός χάλυβας υψηλής σκληρύνσεως, υψηλής περιεκτικότητας σε άζωτο, ανθεκτικός στη διάβρωση.Συνιστώνται επίσης κεραμικές μπάλες καθώς προσφέρουν ανώτερη απόδοση.Οι εγγενείς μηχανικές ιδιότητες του υλικού σημαίνουν ότι παρέχουν εξαιρετική λειτουργία σε κακές συνθήκες λίπανσης και είναι πολύ πιο κατάλληλο για αξιόπιστη λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Το υλικό του κλωβού θα πρέπει επίσης να επιλέγεται ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο ανθεκτικό στη φθορά και οι καλές επιλογές εδώ περιλαμβάνουν πλαστικά PEEK, πολυχλωροτριφθοροαιθυλένιο (PCTFE) και PAI.

Θερμική επεξεργασία

Οι δακτύλιοι πρέπει να υποβάλλονται σε ειδική θερμική επεξεργασία για τη βελτίωση της σταθερότητας των διαστάσεων σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Εσωτερικός σχεδιασμός

Ένα επιπλέον στοιχείο για την εργασία σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι ο εσωτερικός σχεδιασμός του ρουλεμάν.Τα ρουλεμάν έχουν σχεδιαστεί με επίπεδο ακτινικού παιχνιδιού, αλλά καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, τα εξαρτήματα του ρουλεμάν υφίστανται θερμική συστολή και επομένως μειώνεται η ποσότητα του ακτινικού παιχνιδιού.Εάν το επίπεδο του ακτινικού τζόγου μειωθεί στο μηδέν κατά τη λειτουργία, αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την αστοχία του ρουλεμάν.Τα ρουλεμάν που προορίζονται για εφαρμογές σε χαμηλές θερμοκρασίες θα πρέπει να σχεδιάζονται με περισσότερο ακτινωτό παιχνίδι σε θερμοκρασίες δωματίου ώστε να επιτρέπεται ένα αποδεκτό επίπεδο ακτινικού παιχνιδιού σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Χειρισμός της πίεσης του κενού

Σε περιβάλλοντα εξαιρετικά υψηλού κενού, όπως αυτά που υπάρχουν στην κατασκευή ηλεκτρονικών ειδών, ημιαγωγών και LCD, η πίεση μπορεί να είναι μικρότερη από 10-7mbar.Τα ρουλεμάν κενού εξαιρετικά υψηλού χρησιμοποιούνται συνήθως σε εξοπλισμό ενεργοποίησης στο περιβάλλον παραγωγής.Μια άλλη τυπική εφαρμογή κενού είναι οι στροβιλομοριακές αντλίες (TMP) που δημιουργούν το κενό για περιβάλλοντα παραγωγής.Σε αυτήν την τελευταία εφαρμογή τα ρουλεμάν συχνά απαιτείται να λειτουργούν με υψηλή ταχύτητα.

Λάδωμα

Η λίπανση σε αυτές τις συνθήκες είναι το κλειδί.Σε τέτοια υψηλά κενά, τα τυπικά γράσα λίπανσης εξατμίζονται και επίσης τα αέρια, και η έλλειψη αποτελεσματικής λίπανσης μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την αστοχία του ρουλεμάν.Επομένως, πρέπει να χρησιμοποιείται ειδική λίπανση.Για περιβάλλοντα υψηλού κενού (έως περίπου 10-7 mbar) μπορούν να χρησιμοποιηθούν γράσα PFPE καθώς έχουν πολύ μεγαλύτερη αντοχή στην εξάτμιση.Για περιβάλλοντα εξαιρετικά υψηλού κενού (10-9mbar και κάτω) πρέπει να χρησιμοποιούνται στερεά λιπαντικά και επιστρώσεις.

Για περιβάλλοντα μεσαίου κενού (περίπου 10-2mbar), με προσεκτικό σχεδιασμό και επιλογή ειδικού γράσου κενού, τα συστήματα ρουλεμάν που προσφέρουν μεγάλη διάρκεια ζωής πάνω από 40.000 ώρες (περίπου 5 χρόνια) συνεχούς χρήσης και λειτουργούν σε υψηλές ταχύτητες, μπορούν να επιτεύχθηκε.

Αντοχή στη διάβρωση

Τα ρουλεμάν που προορίζονται για χρήση σε διαβρωτικό περιβάλλον πρέπει να είναι ειδικά διαμορφωμένα καθώς ενδέχεται να εκτεθούν σε οξέα, αλκάλια και αλμυρό νερό μεταξύ άλλων διαβρωτικών χημικών ουσιών.

Υλικά

Τα υλικά είναι ζωτικής σημασίας για διαβρωτικά περιβάλλοντα.Οι χάλυβες με τυπικό ρουλεμάν διαβρώνονται εύκολα, οδηγώντας σε πρόωρη αστοχία του ρουλεμάν.Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το υλικό δακτυλίου SV30 με κεραμικές μπάλες καθώς είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στη διάβρωση.Στην πραγματικότητα, μελέτες έχουν δείξει ότι το υλικό SV30 μπορεί να διαρκέσει πολλές φορές περισσότερο από άλλα ανθεκτικά στη διάβρωση χάλυβα σε περιβάλλον ψεκασμού αλατιού.Σε ελεγχόμενες δοκιμές ψεκασμού αλατιού, ο χάλυβας SV30 εμφανίζει μόνο ελαφρά σημάδια διάβρωσης μετά από 1.000 ώρες δοκιμής ψεκασμού αλατιού (βλ. γράφημα 1) και η υψηλή αντοχή στη διάβρωση του SV30 φαίνεται ξεκάθαρα στους δακτυλίους δοκιμής.Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ειδικά κεραμικά υλικά με σφαίρα, όπως το ζιρκόνιο και το καρβίδιο του πυριτίου για την περαιτέρω αύξηση της αντοχής ενός ρουλεμάν σε διαβρωτικές ουσίες.

Αξιοποιήστε περισσότερα από τη λίπανση μέσων

Το τελευταίο δύσκολο περιβάλλον είναι οι εφαρμογές όπου τα μέσα ενεργούν ως λιπαντικό, για παράδειγμα ψυκτικά, νερό ή υδραυλικά υγρά.Σε όλες αυτές τις εφαρμογές το υλικό είναι το πιο σημαντικό ζήτημα και τα κεραμικά υβριδικά ρουλεμάν SV30 έχουν συχνά βρεθεί ότι παρέχουν την πιο πρακτική και αξιόπιστη λύση.

συμπέρασμα

Τα ακραία περιβάλλοντα παρουσιάζουν πολλές λειτουργικές προκλήσεις για τα τυπικά ρουλεμάν, προκαλώντας έτσι την πρόωρη αστοχία τους.Σε αυτές τις εφαρμογές τα ρουλεμάν θα πρέπει να διαμορφώνονται προσεκτικά, ώστε να είναι κατάλληλα για το σκοπό και να προσφέρουν εξαιρετική απόδοση μεγάλης διάρκειας.Για να εξασφαλιστεί η υψηλή αξιοπιστία των ρουλεμάν, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη λίπανση, τα υλικά, τις επιστρώσεις επιφανειών και τη θερμική επεξεργασία.