Povećana potražnja za poboljšanjem pouzdanosti u cijeloj industriji znači da inženjeri moraju uzeti u obzir sve komponente svoje opreme.Sustavi ležajeva su kritični dijelovi u stroju i njihov kvar može imati katastrofalne i skupe posljedice.Dizajn ležaja ima veliki utjecaj na pouzdanost, posebno u ekstremnim radnim uvjetima uključujući visoke ili niske temperature, vakuum i korozivnu atmosferu.Ovaj članak navodi razmatranja koja treba uzeti u obzir pri određivanju ležajeva za izazovna okruženja, tako da inženjeri mogu osigurati visoku pouzdanost i izvrsne performanse dugog vijeka trajanja svoje opreme.

Sustav ležajeva sastoji se od mnogih elemenata uključujući kuglice, prstenove, kaveze i na primjer podmazivanje.Standardni ležajevi obično ne podnose stroge uvjete i stoga je potrebno obratiti posebnu pozornost na pojedine dijelove.Najvažniji elementi su podmazivanje, materijali i posebna toplinska obrada ili premazi, a gledajući svaki faktor znači da se ležajevi mogu najbolje konfigurirati za primjenu.

Rad na visokoj temperaturi

Primjene na visokim temperaturama, poput onih koje se koriste u sustavima aktiviranja unutar zrakoplovne industrije, mogu predstavljati izazove za standardne ležajeve.Nadalje, temperature u opremi rastu jer jedinice postaju sve manje i imaju povećanu gustoću snage, a to predstavlja problem za prosječni ležaj.

Podmazivanje

Podmazivanje je ovdje važno razmatranje.Ulja i masti imaju maksimalnu radnu temperaturu u kojoj će se točki početi degradirati i brzo isparavati što dovodi do kvara ležaja.Standardne masti često su ograničene na maksimalnu temperaturu od oko 120°C, a neke konvencionalne visokotemperaturne masti sposobne su izdržati temperature do 180°C.

Međutim, za primjene koje zahtijevaju još više temperature dostupne su posebne fluorirane masti za podmazivanje i temperature veće od 250°C.Gdje tekuće podmazivanje nije moguće, kruto podmazivanje je opcija koja omogućuje pouzdan rad pri malim brzinama na još višim temperaturama.U ovom slučaju molibden disulfid (MOS2), volfram disulfid (WS2), grafit ili politetrafluoroetilen (PTFE) preporučuju se kao čvrsta maziva jer mogu podnijeti vrlo visoke temperature dulje vrijeme.

Materijali

Kada je riječ o temperaturama većim od 300°C, potrebni su posebni prstenasti i kuglični materijali.AISI M50 je visokotemperaturni čelik koji se obično preporučuje jer pokazuje visoku otpornost na habanje i zamor pri visokim temperaturama.BG42 je još jedan visokotemperaturni čelik koji ima dobru vruću tvrdoću na 300°C i obično je specificiran jer ima visoku razinu otpornosti na koroziju i također je manje osjetljiv na zamor i trošenje na ekstremnim temperaturama.

Također su potrebni kavezi za visoke temperature i mogu se isporučiti u posebnim polimernim materijalima uključujući PTFE, poliimid, poliamid-imid (PAI) i polieter-eter-keton (PEEK).Za visokotemperaturne sustave podmazane uljem, kavezi ležaja mogu se također izraditi od bronce, mesinga ili posrebrenog čelika.

Premazi i toplinska obrada

Napredni premazi i površinski tretmani mogu se primijeniti na ležajeve radi suzbijanja trenja, sprječavanja korozije i smanjenja trošenja, čime se poboljšava učinak ležaja pri visokim temperaturama.Na primjer, čelični kavezi mogu biti presvučeni srebrom kako bi se poboljšale performanse i pouzdanost.U slučaju kvara/izgladnjivanja maziva, posrebreni sloj djeluje poput čvrstog maziva, dopuštajući ležaju da nastavi raditi u kratkom vremenskom razdoblju ili u hitnoj situaciji.

Pouzdanost na niskim temperaturama

Na drugom kraju ljestvice, niske temperature mogu biti problematične za standardne ležajeve.

Podmazivanje

U primjenama na niskim temperaturama, na primjer primjene kriogenih pumpi s temperaturama u području od -190°C, uljno podmazivanje postaje voštano što rezultira kvarom ležaja.Čvrsto podmazivanje kao što je MOS2 ili WS2 idealno je za poboljšanje pouzdanosti.Nadalje, u ovim primjenama medij koji se pumpa može djelovati kao mazivo, tako da ležajevi moraju biti posebno konfigurirani za rad na tim niskim temperaturama koristeći materijale koji dobro funkcioniraju s medijima.

Materijali

Jedan od materijala koji se može koristiti za poboljšanje vijeka trajanja ležaja i otpornosti na habanje je SV30® – martenzitno kaljeni čelik s visokim udjelom dušika i otporan na koroziju.Preporučuju se i keramičke kuglice jer daju vrhunske performanse.Inherentna mehanička svojstva materijala znače da osiguravaju izvrstan rad u lošim uvjetima podmazivanja, a daleko je prikladniji za pouzdan rad na niskim temperaturama.

Materijal kaveza također treba odabrati tako da bude što je moguće otporniji na habanje, a dobre opcije ovdje uključuju PEEK, poliklorotrifluoroetilen (PCTFE) i PAI plastiku.

Toplinska obrada

Prstenovi trebaju biti posebno toplinski obrađeni kako bi se poboljšala stabilnost dimenzija pri niskim temperaturama.

Unutarnji dizajn

Daljnje razmatranje za rad na niskim temperaturama je unutarnji dizajn ležaja.Ležajevi su dizajnirani s razinom radijalnog zazora, ali kako se temperatura smanjuje, komponente ležaja podliježu toplinskoj kontrakciji i količina radijalnog zazora se stoga smanjuje.Ako se razina radijalnog zazora tijekom rada smanji na nulu, to će rezultirati kvarom ležaja.Ležajevi koji su namijenjeni za primjenu na niskim temperaturama trebali bi biti dizajnirani s više radijalnog zazora na sobnim temperaturama kako bi se omogućila prihvatljiva razina radnog radijalnog zazora pri niskim temperaturama.

Rukovanje tlakom vakuuma

U ultravisokim vakuumskim okruženjima kao što su ona koja su prisutna u proizvodnji elektronike, poluvodiča i LCD-a, tlak može biti niži od 10-7mbar.Ležajevi ultra visokog vakuuma obično se koriste u opremi za aktiviranje unutar proizvodnog okruženja.Druga tipična primjena vakuuma su turbomolekularne pumpe (TMP) koje stvaraju vakuum za proizvodna okruženja.U ovoj potonjoj primjeni ležajevi često moraju raditi velikom brzinom.

Podmazivanje

Podmazivanje je u ovim uvjetima ključno.Pri tako visokim vakuumima, standardne masti za podmazivanje isparavaju i također ispuštaju plinove, a nedostatak učinkovitog podmazivanja može rezultirati kvarom ležaja.Stoga je potrebno koristiti posebno podmazivanje.Za okruženja visokog vakuuma (do približno 10-7 mbar) mogu se koristiti PFPE masti jer imaju mnogo veću otpornost na isparavanje.Za okruženja s ultra visokim vakuumom (10-9mbar i ispod) potrebno je koristiti čvrsta maziva i premaze.

Za okruženja srednjeg vakuuma (oko 10-2 mbar), uz pažljiv dizajn i odabir posebne vakuumske masti, mogu se koristiti sustavi ležajeva koji pružaju dug životni vijek od više od 40 000 sati (približno 5 godina) kontinuirane upotrebe i rade pri velikim brzinama postignuto.

Otpornost na koroziju

Ležajevi koji su namijenjeni za upotrebu u korozivnom okruženju moraju biti posebno konfigurirani jer potencijalno mogu biti izloženi kiselinama, lužinama i slanoj vodi među ostalim korozivnim kemikalijama.

Materijali

Materijali su od vitalnog značaja za korozivna okruženja.Standardni čelici ležaja lako korodiraju, što dovodi do ranog kvara ležaja.U tom slučaju treba uzeti u obzir SV30 materijal prstena s keramičkim kuglicama jer su vrlo otporne na koroziju.Zapravo, studije su pokazale da materijal SV30 može trajati mnogo puta dulje od ostalih čelika otpornih na koroziju u okruženju raspršenog slanom.U kontroliranim ispitivanjima slanom sprejom SV30 čelik pokazuje samo blage znakove korozije nakon 1000 sati ispitivanja slanom sprejom (vidi grafikon 1), a visoka otpornost na koroziju SV30 jasno se vidi na ispitnim prstenovima.Posebni keramički kuglični materijali kao što su cirkonij i silicij karbid također se mogu koristiti za daljnje povećanje otpornosti ležaja na korozivne tvari.

Dobivanje više od podmazivanja medija

Posljednje izazovno okruženje su aplikacije u kojima medij djeluje kao mazivo, na primjer rashladna sredstva, voda ili hidraulične tekućine.U svim ovim primjenama materijal je najvažniji faktor, a SV30 – keramički hibridni ležajevi često se smatraju najpraktičnijim i najpouzdanijim rješenjem.

Zaključak

Ekstremna okruženja predstavljaju mnoge operativne izazove za standardne ležajeve, uzrokujući tako njihov prerano otkaz.U ovim primjenama ležajeve treba pažljivo konfigurirati tako da odgovaraju svrsi i da pružaju izvrsne dugotrajne performanse.Kako bi se osigurala visoka pouzdanost ležajeva, posebnu pozornost treba obratiti na podmazivanje, materijale, površinske premaze i toplinsku obradu.