Хибридни лагери

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2010

Предимствата им в сравнение със стоманените лагери ги правят предпочитано решение в редица приложения


 Всеизвестна и неоспорима истина е, че търкалящите лагери са сред най-разпространените машинни елементи с общо предназначение. В предишни броеве на сп. Инженеринг ревю ви запознахме с видовете повреди и диагностиката на класическите стоманени търкалящи лагери, а също така и с принципа на работа, конструкцията, характеристиките и приложението на някои видове специални лагери - магнитни лагери, призматични и кръгли линейни лагери.
Съвременното развитие на техниката и технологиите позволява и при отработената от дълги години в масовото производство конструкция и технология на търкалящите лагери, да се използват нови метални и неметални материали, чрез които значително да се подобрят характеристиките на тези елементи. В настоящата статия можете да прочетете за особеностите и приложението на т.нар. хибридни лагери.

Използваната керамика е специален силициев нитрид
Обикновено терминът "хибридни лагери" се употребява за търкалящи лагери, които имат гривни от лагерна стомана и търкалящи тела от керамика. Телата се изработват от специално създаден за лагери силициев нитрид (Si3N4). Тези лагери са не само отлични електрически изолатори, но имат и висока допустима скорост на въртене. В повечето случаи на приложението им в промишлеността, хибридните лагери осигуряват значително по-дълъг живот в сравнение с всички други видове стоманени лагери.
Хибридните лагери са сравнително нови, информацията за тях все още е недостатъчна и много проблеми при техния избор и за оптималното им приложение трябва да се решават чрез консултация с компанията-производител.

Керамиката увеличава дълготрайността на лагера
Много добрите електро-изолационни свойства са една от съществените характеристики на силициевия нитрид. При определени условия на работа, той предпазва лагерните гривни от износване на бордовете и от повреди, предизвикани вследствие на преминаването на електрически ток през лагера. По този начин се увеличава експлоатационната дълготрайност на лагера.
Плътността на керамичния материал - силициевият нитрид, е 40% в сравнение с лагерната стомана. Затова въртящите се елементи имат по-малка маса и по-ниска инерционност, което означава и по-ниски динамични натоварвания по време на бързо развъртане и спиране, както и значително по-ниско триене при високи скорости. Фрикционното поведение на хибридните лагери се обяснява с по-високите стойности на модула на еластичност и по-ниската плътност на керамиката в сравнение със стоманата. Тези свойства са причина лагерните елементи да имат значително по-малки контактни площи и върху тях да действат по-малки центробежни сили. По този начин се намалява приплъзването и триенето между подвижните елементи, особено при високи скорости. А по-малкото триене означава по ниско загряване и по-дълъг живот на смазочното вещество. Затова хибридните лагери са особено подходящи за работа при високи скорости на въртене.

Не съществува опасност от разкъсване на смазочния слой
При условия на недостатъчно смазване, при хибридните лагери не съществува опасност от разкъсване на смазочния слой между елементите от силициев нитрид и стомана. Това дава възможност на тези лагери да издържат много по-дълго в тежки експлоатационни условия, както и при смазване с вещества с нисък вискозитет. Хибридните лагери могат да работят добре и когато се смазват с много тънък филм работни вещества (например хладилни агенти), които нямат в състава си смазочни вещества. Тези работни условия обаче, обезателно трябва да бъдат отчетени при избора на материалите и конструкцията на лагерния възел. В подобни случаи преди да се вземе конструктивно решение е препоръчителна консултацията с фирмата-производител.
Както вече бе посочено, силициевият нитрид се отличава с по-висока твърдост и по-висок модул на еластичност от стоманата, което е предпоставка за по-дългия му живот при работа на хибридните лагери в замърсена среда.
Търкалящите тела от силициев нитрид имат по-ниско топлинно разширение в сравнение със стоманени тела, имащи идентични размери. Това означава, че те се отличават с по-малка чувствителност към изменението на температурата в лагера и позволяват по-точен контрол на претоварването. При проектиране на лагери за работа, при много ниски температури и при изчисляване на изменението на хлабините в лагера се препоръчва консултация с компанията-производител.

Използват се в редица приложения
Конструкцията на хибридните лагери е аналогична на стоманените търкалящи лагери. Към основното означение на хибридните лагери се прибавя допълнителен индекс, както и съответен стикер върху фабричната им опаковка. Произвеждат се хибридни лагери с керамични сачми и цилиндрични ролки. В стандартната номенклатура на фирмите-производители има радиално-аксиални хибридни лагери с единичен дълбок канал за сачмите и контактен ъгъл a=40°, както и високоточни вретенни и специални аксиално-радиални лагери с a=62°.
Известно е, че лагерите с дълбок канал за сачмите са най-широко използваният тип в редица приложения, особено в електрическите двигатели. Също така са приложими за лагерни възли, условията на работа на които налагат използването на доживотна смазка. Дълбоките канали на гривните и съответното оформление на пътищата на търкаляне на сачмите, дават възможност за поемане както на радиални, така и на значителни осови натоварвания - и в двете посоки. Следователно, хибридните лагери могат да се използват и за лагеруване на вретената на металорежещи машини. Твърди се, че обработката на керамичните сачми вече е толкова усъвършенствана, че стандартните изисквания за качество на стоманените сачми са не само достигнати, но и надхвърлени.
Номиналните диаметри на хибридни лагери с дълбоки канали за сачмите покриват масово диапазона от 5 до 110 mm. Те отговарят на най-търсените от клиентите размери. По-големи лагери могат да бъдат доставени при конкретна поръчка.
Лагерите с вътрешен диаметър до 45 mm например, са най-подходящи за ел. двигатели и генератори с мощност от 0,15 до 15 кW, както и за електроинструменти и високоскоростни зъбни предавки.

Материали за гривни на хибридни лагери
Гривните на хибридни лагери се произвеждат не само от конвенционална лагерна стомана. Предлагат се хибридни лагери от вакуумно обезгазена хромова стомана 100Cr6 или еквивалентна на нея. Този материал позволява работа при температура до 160 °C, без влияние върху стабилността на размерите и твърдостта на гривните.
През последните години, водещи производители залагат на използването на нов материал за лагерни гривни - стомана с означение Chromex 40. Първоначално тя е била разработена за авиокосмическата индустрия и позволява работа при температури до 260 °С. Тази сплав, съдържаща легиращи елементи като молибден, хром, ванадий и азот се отличава с много по-хомогенна структура и по този начин осигурява на лагера по-висока дълготрайност и по-голяма устойчивост срещу корозия.

Изчисляване на динамичната товароносимост на хибридни лагери
Тъй като все още не са въведени задължителни стандарти за изчисляване на динамичната  товароносимост на хибридните лагери, една от водещите компании в областта предлага следния подход. Стандартните стойности на динамичната товароносимост C33 за лагери с гривни и сачми от стомана 100Cr6 се използват и за хибридни лагери с гривни от 100Cr6 или от CHROMEX40 и керамични сачми. Необходимо е тези стойности да се коригират с опитно определени коефициенти, отчитащи факторите на влияние. По този начин е възможно да се направи сравнителна оценка на основни характеристики на лагери от един типоразмер, произведени от материали в изброените комбинации.
На фиг.1 е показана сравнителна дълготрайност на лагери с:
l гривни и сачми от 100Cr6  = L10h ;
l гривни от 100Cr6 и керамични сачми  = L10h х 3;
l гривни от CHROMEX 40 и керамични сачми = L10h х 5.
На фиг. 2 е показана сравнителна дълготрайност при 40 000 min-1 на стоманени лагери с елементи от CHROMEX 40, както и на хибридни лагери в зависимост от контактното напрежение в MPa. На фиг. 3 се вижда зависимостта на центробежната сила в daN от оборотите за стоманени и керамични сачми. Съответно, на фиг. 4 е показана загубата на мощност във ватове в зависимост от оборотите за конкретен лагер със стоманени и с керамични сачми (хибриден), монтиран с предварителен натяг и смазван с масло чрез пулверизиране с въздух. На фиг. 5 може да се види сравнителното износване на лагер със стоманени и с керамични сачми (хибриден), като износването на последния е повече от десет пъти по-малко.

Уважаеми читатели, предвид актуалността на темата за хибридните лагери и все още недостатъчно подробната информация на характеристиките и експлоатационното им поведение, очакваме коментарите и допълненията ви по статията. Ще продължим откритата тема и в следващи броеве на Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top