Engineering Competence

Гибридные подшипники — будущий промышленный стандарт

Гибридные подшипники предлагают решение для существующих и будущих технических задач. Сочетание стальных колец и керамических тел качения снижает вес и трение, устраняет электрическую эрозию, повышая надёжность и частоту вращения.

Материалы по теме

Мир переживает период стремительных изменений. Глобальные мегатренды меняют способы нашего передвижения, манеру ведения бизнеса и образ жизни. Урбанизация приводит в города всё больше людей, цифровизация и автоматизация ускоряют нашу частную жизнь и трудовую деятельность, а обществу приходится решать ряд экологических проблем. В то же время мы наблюдаем быстрое развитие электрификации, особенно в части разработки электромобилей, и продолжающийся переход к глобализации.

Эти крупные глобальные тенденции, в свою очередь, вызывают изменения в области разработки подшипников. Многие перспективные технологии требуют особых свойств от используемых подшипников, включая пригодность к использованию с приводами с регулируемой частотой, снижение требований к техобслуживанию, обеспечение повышенной удельной мощности и снижение трения.

Гибридные подшипники предлагают перспективные решения всех существующих и ожидаемых в будущем технических проблем или тех вопросов, которые относятся к проблемам. Комбинация стальных наружных и внутренних колец с керамическими шариками или роликами придаёт гибридным подшипникам уникальные свойства, делая их пригодными к использованию в широком диапазоне современного оборудования. Гибридные подшипники SKF оснащаются телами качения из нитрида кремния, высокоэффективного керамического материала, и могут поставляться в качестве шарикоподшипников или цилиндрических роликоподшипников, а также разрабатываться по индивидуальным требованиям.
Рис. 2: В гибридных подшипниках комбинируются стальные кольца и керамические тела качения.

Использование керамических элементов в подшипниках не является чем-то новым. Первыми их начали использовать предприятия аэрокосмической промышленности с 1960-х по 1980-е годы из-за малого веса и термостойкости материала. Однако в коммерческий оборот нитрид кремния был введён только в 1980-х годах. С 1990-х годов современные гибридные подшипники используются во многих областях, включая станки, турбогенераторы, тяговые двигатели для железнодорожного транспорта и электромобилей, аэрокосмическое и гидравлическое оборудование, такое как компрессоры, насосы и вакуумные насосы.

Элементы качения из нитрида кремния, используемые в гибридных подшипниках SKF, обладают свойствами, отличными от их стандартных стальных аналогов. Предел прочности нитрида кремния на сжатие намного выше, чем у подшипниковой стали, а его модуль упругости больше примерно на треть, что способствует снижению трения в контакте качения.

Важно отметить, что нитрид кремния прочнее подшипниковой стали более чем в два раза, что делает его идеальным для сложных условий эксплуатации и смазывания. В отличие от подшипниковой стали он обладает электроизоляционными свойствами, при этом его плотность значительно ниже. И наконец, его коэффициент термического удлинения намного ниже, что позволяет точно регулировать зазор, но этот коэффициент необходимо учитывать при определённых условиях эксплуатации, в том числе при очень низких температурах.

При использовании в подшипниках качения нитрид кремния улучшает рабочие характеристики подшипников, обеспечивая отличную электрическую изоляцию, снижение веса, превосходные трибологические характеристики и высокую износостойкость. Кроме того, существенно повышается частота вращения.

Итак, как же эти свойства решают конкретные задачи в разных областях применения? И почему в ближайшие годы гибридные подшипники станут стандартной технологией во многих отраслях промышленности?

Предотвращение электрической эрозии в приводах с регулируемой частотой

Одной из ключевых областей применения, где можно извлечь максимальную пользу от преимуществ гибридных подшипников, являются приводы с регулируемой частотой, которые используются для оптимизированного управления динамическим оборудованием, таким как насосы или тяговые двигатели. Эти приводы с широтно-импульсной модуляцией вызывают вредные высокочастотные подшипниковые токи. Когда ток проходит через подшипник, могут быть повреждены кольца и тела качения, а также смазочный материал. Повышенный уровень вибрации является наименее вредным последствием, поскольку электрическая эрозия может привести даже к значительному сокращению срока службы подшипников и смазочных материалов.

Применение гибридных подшипников в такой ситуации устраняет проблему. Нитрид кремния является изолятором и предотвращает прохождение тока между кольцами подшипника, даже в случае токов очень высокой частоты. Таким образом, отказов подшипников, вызванных прохождением тока, можно полностью избежать.

Увеличение межремонтных интервалов благодаря увеличению срока службы смазки

Вторым ключевым преимуществом гибридных подшипников является увеличение интервалов техобслуживания и срока службы. Использование керамических тел качения в таких подшипниках значительно повышает срок службы смазочного материала, что означает, что подшипник может продолжать работать дольше без необходимости техобслуживания. Керамические тела качения позволяют улучшить подачу смазочного материала к контакту качения. Поскольку трение и электрическая эрозия снижены, а последующее ухудшение свойств из-за перегрева предотвращено, смазывающая способность сохраняется в течение более длительного периода времени.

Испытания SKF показали, что срок службы смазочного материала в гибридном шарикоподшипнике был как минимум от двух до семи раз больше, чем срок службы смазочного материала в аналогичном стальном подшипнике. В аналогичных испытаниях цилиндрических роликоподшипников смазочный материал в гибридном подшипнике прослужил в два-четыре раза дольше.

Повышенная удельная мощность благодаря более высоким рабочим частотам вращения

Третьим преимуществом гибридных подшипников является обеспечение более высоких рабочих частот вращения и, следовательно, большей удельной мощности. У производителей электродвигателей наблюдается общая тенденция к увеличению удельной мощности, особенно для таких транспортных средств, как поезда, дорожные и внедорожные транспортные средства. Говоря простыми словами, мощность зависит от крутящего момента и частоты вращения. Если можно повысить частоту, с которой вращается подшипник, то можно увеличить и мощность электродвигателя.

Зачем повышать удельную мощность?

• Повышение мощности электродвигателя с сохранением его размеров

• Аналогичная мощность электродвигателя с уменьшением его размеров

P = M • n

• Максимальная скорость также ограничивается подшипниками

Поскольку гибридные подшипники весят меньше стальных аналогов, их скоростные характеристики на 25 % выше. Вдобавок, гибридные подшипники уменьшают трение, что, в свою очередь, означает более низкие рабочие температуры и более длительный срок службы на высоких частотах вращения. Кроме того, повышенная жёсткость подшипников позволяет использовать оборудование с более жёсткими допусками и снизить риск проблем, связанных с динамическими характеристиками ротора.

Снижение трения

Последним ключевым преимуществом гибридных подшипников является снижение трения. Снижение трения в подшипнике может снизить потребление энергии, что является актуальной проблемой современной промышленности. Керамические тела качения в гибридных подшипниках оказывают непосредственное влияние на трение, создаваемое моментами качения и скольжения. Потери энергии из-за момента качения в гибридных подшипниках меньше из-за меньшего эллипса контакта благодаря более высокому модулю упругости. Кроме того, момент трения скольжения снижается в силу более высокого качества поверхности керамических тел качения.

Рис. 3. В гибридных подшипниках снижено трение скольжения и качения.
Испытания SKF показали, что момент трения на высоких частотах вращения у гибридных подшипников на 5–8 % ниже, чем у стальных подшипников. Между тем, испытания показывают, что гибридные подшипники также прекрасно справляются с уменьшением объёмов смазочного материала и вязкости, т. е. факторов, которые также помогают снизить трение. Путём точной регулировки этих параметров смазывания и оптимизации условий эксплуатации можно добиться снижения трения до 50 % без ущерба для срока службы подшипников.

Гибридные подшипники — от решения проблемы к инструменту реализации

Сектор промышленного производства и автомобилестроения стремится оптимизировать свою продукцию, чтобы удовлетворять глобальным требованиям по экологической устойчивости и идти в ногу с социальными и технологическими трендами. Гибридные подшипники с использованием керамических тел качения и стальных колец могут решить широкий спектр проблем проектирования и техобслуживания, что приведёт к повышению надёжности. Помимо решения проблем, гибридные подшипники обеспечивают более экономичную работу и большую выходную мощность. Таким образом, высока вероятность того, что в ближайшие годы гибридные подшипники станут стандартным решением для широкого спектра областей применения и отраслей.

Новые технологии в области сепараторов обеспечивают ещё более высокие частоты вращения

Повышенные частоты вращения являются основным преимуществом гибридных подшипников перед их стальными аналогами. Тем, кто хочет ещё больше повысить частоту вращения, могут помочь передовые технологии сепараторов подшипников. Компания SKF представила инновационный сепаратор из полиэфирэфиркетона (PEEK), лёгкого полимерного материала, подходящий для гибридных подшипников. Новая конструкция двухкомпонентного сепаратора позволяет работать на высоких частотах вращения со сниженным тепловыделением, замедляя ухудшение свойств смазочного материала на высоких скоростях. Это позволяет увеличить частоту вращения на 60 % по сравнению с латунными сепараторами и на 100 % — с обычными полимерными сепараторами.
Рис. 4: Новая конструкция сепаратора SKF для гибридных радиальных шарикоподшипников сочетает в себе инновационные конструктивные особенности и применение высокоэффективного полимерного материала.