Особенности разработки “термостойких” подшипников SNR для эл Опции

[Ильченко А.А.]

Особенности разработки “термостойких” подшипников SNR для электроприводов

Ильченко А., инженер по внедрению компании “Автовентури”.

Электроприводы нашли большое распространение в различном оборудовании и служат для преобразования электрической энергии в механическую, при чем 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 обращаются 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 внимание обращают не на цену товара, а на совокупную стоимость. Ведь помимо собственно цены, значительными издержками могут стать энергозатраты, количество человеко-часов и средств на обслуживания 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 шариковых радиальных 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:
• 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) – FT150;
• 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. Не маловажным источником информации стал мониторинг специальных подшипников производимых SNR для оборудования по производству полимерной пленки.

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% случаях) 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, позволяющего получать информацию о состоянии подшипников во множестве точек.

По результатам испытаний были выбраны:
• для подшипников FT150 - пластичная смазка на полимочевинном загустителе, при чем в отличие от широко распространенных марок, в качестве основы использовалось специальное синтетическое масло, обеспечивающее наилучшую долговечность при температурах вплоть до 180° С;
• для подшипников HT200 – пластичная смазка на основе тефлона (PTFE), которая, многократно увеличивала срок службы при температурах до 200° С.

Применение таких смазок так же частично решило проблему образования трещин и раковин на элементах подшипников, за счет снижения поверхностного разрушения (износа). Износ вызывается неустойчивостью (утонению) 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 так же выкрошивания.

Помимо прогрессирования поверхностного трещинообразования, не маловажную роль играют и микроструктурные превращения под действием температуры, которые тоже ускоряют процессы усталостного трещинообразования, а так же могут привести к началу коррозии. Поэтому значимым становится качество стали, стабилизация ее для работы при высоких температурах.

При производстве подшипников FT150 c целью снижения себестоимость было предложено применять сталь, производимую по оригинальной технологии, используемая 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 HT200 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 так же 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 прикрепленное 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 было предложено следующие решения:
• для работы в условиях повышенных загрязнений использовать подшипники со встроенными метало-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 снижения стоимость подшипников.

Для нормальной работы в условиях температурного расширения и предотвращения заклинивание подшипника, даже при быстром охлаждении, радиальные зазоры высокотемпературных подшипников TopLine были увеличены: FT150 – до C3, HT200 – 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.

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

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

По материалам www.snr.com.ru

Иллюстрированная версия статьи на www.snr.com.ru/temp_i_s/topline.mht