Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

О журнале

Сотрудничество

Рекламодателю

Подписка

Главная / №4 Октябрь 2006 / Статьи и обзоры оборудования

Особенности разработки «термостойких» подшипников SNR для электроприводов

Электроприводы нашли большое распространение в различном оборудовании и служат для преобразования электрической энергии в механическую, причем часть энергии безвозвратно теряется в виде тепла и разогревает изнутри электродвигатель.

Электроприводам приходится работать при различных наружных температурах, в том числе и при высоких (металлургическое, печное оборудование и т.д.). При этом температура внутри электродвигателя повышается. К примеру, температура в электроприводах металлургических рольгангов или тяговых электродвигателей железнодорожных локомотивов часто достигает более 100°С. 

Высокие температуры могут вывести из строя электропривод — в основном, из-за расплавления или возгорания обмотки, либо повреждения подшипников. Если с «термостойкостью» обмотки еще как-то решаются вопросы, то на «термостойкость» подшипников многие производители электродвигателей (в частности в России) мало обращают внимания — это связано с тем, что специальные высокотемпературные подшипники очень дороги и выпускаются в основном по специальным заказам. То есть, производители электроприводов переносят решения проблемы с подшипниками на плечи потребителей.

Однако в последние годы по всему миру все больше внимания обращают не на цену товара, а на совокупную стоимость. Ведь помимо собственно цены, значительными издержками могут стать энергозатраты, количество человеко-часов и средств на обслуживание и т.п. Потребители начинают понимать, что предполагаемая экономия за счет цены на самом деле не оправдывается. Поэтому требования к качеству продукции со стороны потребителей все время повышаются.

Видя подобные тенденции, французской компанией SNR Roulements была разработана специальная линейка серийно выпускаемых подшипников TopLine, ориентированная на широко распространенные электроприводы малой и средней мощности (до 100 кВт). Для улучшения потребительских свойств было предложено выпускать не одну «универсальную» конфигурацию, а сразу четыре узкоспециализированных (рисунок 1):

  • низкотемпературные подшипники для работы при температуре до минус 60°С, получившие название LT (Low Temperature);
  • высокоскоростного применения — HV; 
  • для высоких скоростей и высоких температур (до 150°С) — FT 150;
  • для особо высоких температур (до 200°С) — HT (High Temperature) 200.

Особую популярность сразу завоевали высокотемпературные подшипники. К примеру, подшипники TopLine нашли свое применение в ряде электроприводов производства Siemens и ABB. Подшипники показали высокую надежность и повышенную долговечность, но главное — низкую совокупную стоимость.

Однако путь создания таких подшипников был сложный. Разработчикам пришлось проделать немалый объем работ, в частности провести большое число опытных испытаний.

Инженерами и учеными компании SNR, прежде всего, были проведены исследования по выявлению причин выхода из строя подшипников. К ним были привлечены как производители, так и потребители электроприводов. Немаловажным источником информации стал мониторинг специальных подшипников, производимых SNR для оборудования по производству полимерной пленки (рисунок 2).

Именно для этого оборудования впервые были сформулированы основные причины поломок подшипников при высоких температурах, которые почти полностью совпали с данными, полученными при мониторинге электроприводов. Основными причинами выхода из строя подшипников в условиях высоких температур стали:

  • образование трещин и раковин на обоймах и телах качения подшипников;
  • вытекание (разложение) или коксование смазки;
  • ломкость и расплавление встроенных в подшипник защитных уплотнений;
  • заклинивание.

Из них самой главной проблемой была плохая смазка, которая чаще всего (70% случаев) становилась причиной поломки подшипников. Самым простым решением было применение той же специальной термостойкой смазки, что и в ранее разработанных специальных подшипниках для полимерного оборудования. Однако то, что было пригодно для подшипников, выпускаемых небольшими партиями, нерационально было использовать при серийном производстве, так как цена только этой смазки составляла несколько тысяч долларов за килограмм.

Поэтому разработчики пошли по более сложному варианту — тестированию и отбору для дальнейшего использования пластичных смазок, представленных на мировом рынке по следующим критериям:

  • высокая механическая и термическая стабильность смазки;
  • значительный срок службы;
  • низкие потери на трение;
  • относительно низкая цена.

Используя имеющиеся данные, проанализировав новые, из 600 доступных марок смазок было выбрано свыше 100, которые в дальнейшем подверглись испытаниям с использованием уникального оборудования (рисунок 4), позволяющего получать информацию о состоянии подшипников во множестве точек.

По результатам испытаний были выбраны:

  • для подшипников FT 150 — пластичная смазка на полимочевинном загустителе, причем в отличие от широко распространенных марок в качестве основы использовалось специальное синтетическое масло, обеспечивающее наилучшую долговечность при температурах вплоть до 180°С; 
  • для подшипников HT 200 — пластичная смазка на основе тефлона (PTFE), которая многократно увеличивала срок службы при температурах до 200°С.

Применение таких смазок также частично решило проблему образования трещин и раковин на элементах подшипников, за счет снижения поверхностного разрушения (износа).

Износ вызывается неустойчивостью (утонение) в условиях высоких температур смазочного слоя — возникают металлические контакты между телами качения и дорожками качения, что приводит к образованию микроскопических трещин, которые затем могут значительно увеличиться и ускорить процесс образования уже усталостных трещин, раковин внутри структуры стали, а также выкрошивания.

Помимо прогрессирования поверхностного трещинооб-разования немаловажную роль играют и микроструктурные превращения под действием температуры, которые тоже ускоряют процессы усталостного трещинообразова-ния, а также могут привести к началу коррозии. Поэтому значимым становится качество стали, стабилизация ее для работы при высоких температурах.

При производстве подшипников FT 150 c целью снижения себестоимости было предложено применять сталь, производимую по оригинальной технологии, используемую для сферических роликоподшипников SNR Premier, которая даже без специальной термообработки обладает хорошими функциональными характеристиками при температуре 150°С. Особенностью этой технологии производства стали является тщательный контроль не только по механическим и химическим свойствам, но и по микроструктуре (к примеру, осуществляется контроль количества остаточного аустенита в мартенситной структуре стали).

Однако уже при более высокой температуре начинаются изменения размеров, поэтому для подшипников HT 200 пришлось применять особую термическую обработку для стабилизации размеров.

На надежность работы любого подшипникового узла влияют загрязнения (пыль, влага и т.п.), попадаемые в зоны контакта тел качения и наружных колец. Для предотвращения этого применяются уплотнения, которые также позволяют удерживать смазочный материал, что уменьшает издержки на дополнительное обслуживание (замену смазки). Одним из решений, которое надежно защищает, но при этом упрощает конструкцию узла, а значит, снижает совокупную стоимость оборудования, является применение встроенных уплотнений.

Когда вероятность загрязнения небольшая применяются стальные защитные шайбы, прикрепленные к наружному кольцу подшипника, не имея при этом контакта с внутренним кольцом, что дает низкое контактное трение о внутреннее кольцо и сохраняет высокую скорость вращения.

В ином случае целесообразнее использовать контактные уплотнения, к примеру, металло-полимерные уплотнения, но при этом предельная скорость вращения снижается.

Однако стандартная синтетическая резина (NRB), используемая в качестве материала таких уплотнений, при высоких температурах (свыше 110°С) твердеет, ломается и может расплавиться. Поэтому здесь необходимо применение специальных материалов.

Разработчиками TopLine были предложены следующие решения:

  • для работы в условиях повышенных загрязнений использовать подшипники со встроенными металло-полимерными уплотнениями из фторкаучука (VITON), хорошо зарекомендовавшие себя в работе при высоких температурах (до 200°C);
  • для работы в условиях повышенных скоростей использовать стальные защитные шайбы и снижение стоимости подшипников.
Таблица1. Сравнение свойств материалов уплотнений
Параметр Материал
синтетическая резина (NRB) фторкаучук (VITON)
Термостойкост 110°C 220°C
Сопротивление к износу X O
Старение под действием солнечных лучей X O
Старение от окисления X O
Стойкость к химическим реагентам X O
Водостойкость O O

Примечание: X — отрицательные свойства, O — положительные свойства.

Для нормальной работы в условиях температурного расширения и предотвращения заклинивания подшипника, даже при быстром охлаждении, радиальные зазоры высокотемпературных подшипников TopLine были увеличены: FT 150 — до C3, HT 200 — до С4. 

Такая оптимизация подшипников позволяет не только увеличить срок службы электропривода и снизить совокупную стоимость, но и уменьшить габаритные размеры, при тех же нагрузках, из-за применения встроенных уплотнений и возможности не учитывать при расчете на долговечность температурный коэффициент безопасности Kt (таблица 2).

Таблица 2. Сравнение коэффициентов температурной безопасности Kt
Стандартные подшипники Подшипники TopLine
Рабочая температура до 100°С  Рабочая температура до 150°С  Рабочая температура до 200°С FT 150 и HT200 (рабочая температура до 150°С) HT200 (рабочая температура до 200°С)
1 1,10 1,25 1 1

Помимо электроприводов высокотемпературные подшипники TopLine нашли свое применение и в другой технике:

  • вентиляторы (кондиционирование воздуха) и компрессоры;
  • фотокопировальные устройства;
  • оборудование по производству стали, керамики, бумаги и картона;
  • хлебные печи…

А. ИЛЬЧЕНКО,
инженер по внедрению
компании «Автовентури».