Гибридные подшипники оснащаются стальными кольцами и керамическими телами качения из нитрида кремния (Si₃N₄) и используются в тяжёлых условиях эксплуатации, например, в условиях недостаточного смазывания и/или сильных загрязнений.

Благодаря более высокой жёсткости керамического материала площадь контакта по Герцу у гибридных подшипников немного меньше, что приводит к более высокому контактному давлению и подповерхностному напряжению по сравнению со стальными подшипниками с аналогичной геометрией. Теоретически это должно приводить к уменьшению усталостного ресурса подшипника. Однако наблюдения показывают, что в стандартных областях применения гибридные подшипники работают дольше. Как объяснить эту странную закономерность? Как её смоделировать? В данной статье рассматриваются эти вопросы, а также показывается, что обобщённая модель для расчёта ресурса подшипников не только позволяет моделировать такие процессы, но и хорошо объясняет результаты наблюдений. Теперь SKF может представить обобщённую модель SKF для расчёта ресурса гибридных подшипников.

Гибридные подшипники имеют кольца из подшипниковой стали и тела качения из подшипникового нитрида кремния (Si₃N₄). Нитрид кремния — это керамический (т. е. неметаллический) материал, отличающийся высокой твёрдостью, высоким модулем упругости, высокой температурной и химической стойкостью, низкой плотностью, а также низкими проводимостью и пластичностью. Благодаря отличным электроизоляционным свойствам керамики гибридные подшипники эффективно изолируют корпус от вала в двигателях переменного и постоянного тока, а также в генераторах. Гибридные подшипники показывают хорошую работоспособность в условиях недостаточного смазывания и сильных загрязнений, несмотря на более высокие по сравнению со стальными подшипниками контактные напряжения при аналогичном нагружении (из-за более высокой жёсткости керамических тел качения).

Кроме того, гибридные подшипники способны работать с более высокими частотами вращения и чаще всего имеют больший срок службы, чем стальные подшипники того же размера при одинаковых условиях. Гибридные подшипники также отлично работают в условиях сильных ускорений, вибрации или колебательных движений. Для механизмов, работающих с высокими частотами вращения, например, для шпинделей станков и турбонагнетателей, могут потребоваться подшипники из специальных материалов с особой геометрией и специфическими требованиями к смазыванию. Ожидается, что эта тенденция сохранится, и многие другие отрасли промышленности также откроют для себя преимущества и уникальные возможности гибридных подшипников.

Использование керамики в качестве материала подшипников было впервые предложено в 1960-х гг. в аэрокосмической отрасли для подшипников, подверженных воздействию экстремальных температур. В результате испытаний на контактную усталость при качении было определено, что горячепрессованный нитрид кремния без пор имеет наилучшие усталостные характеристики по сравнению с другими керамическими материалами.

За последние годы качество и надёжность керамических тел качения существенно повысились. Использование методов неразрушающего контроля в сочетании с постоянным совершенствованием технологий спекания и получения нитрида кремния высокой чистоты позволили инженерам разработать надёжные шарики из нитрида кремния со стабильной контактной усталостью при качении. Благодаря этому 1990-е гг. ознаменовались значительным ростом применения гибридных подшипников в высокоскоростных шпинделях станков при заметном улучшении скоростных и точностных характеристик этих механических узлов.

Из обзора развития гибридных подшипников очевидно, что за последние 20 лет удалось добиться значительного прогресса в области повышения усталостной прочности подшипникового нитрида кремния.

Значительный прогресс в повышении качества керамики, используемой для подшипников качения, позволил добиться высокой надёжности и хороших эксплуатационных показателей гибридных подшипников, особенно в неблагоприятных трибологических условиях (недостаточное смазывание и/или сильное загрязнение).

Таким образом, теперь появилась возможность точного прогнозирования номинального ресурса таких подшипников. Обобщённая модель для расчёта ресурса подшипников SKF, позволяющая разделить поверхностные и подповерхностные условия, применялась для расчёта номинального ресурса гибридных подшипников. SKF разработала модель и программный инструмент для проведения таких вычислений. Эта модель использовалась в демонстрационных целях в двух сериях ресурсных испытаний, показавших противоречивые результаты. В одном случае (в условиях хорошего смазывания чистым смазочным материалом при больших нагрузках) гибридный подшипник показывает более низкие характеристики по сравнению со стальными подшипниками, тогда как в другой ситуации (в условиях меньшей нагрузки, но при недостаточном смазывании и большей загрязнённости) гибридный подшипник демонстрирует превосходные эксплуатационные качества. Воспроизведение таких результатов возможно только при использовании обобщённой модели для расчёта ресурса подшипников, позволяющей разделить поверхностные и подповерхностные условия.

SKF разработала и ввела в программные инструменты обобщённую модель для расчёта номинального ресурса подшипников SKF применительно к гибридным подшипникам. Это позволяет клиентам в полной мере использовать преимущества таких подшипников.

Источник информации-Evolution-деловой и технический журнал фирмы SKF.