Работа подшипника качения в условиях сухого трения

К подшипникам качения, предназначенным для работы в специальных условиях, современная техника предъявляет особые требования. В условиях вакуума, повышенной температуры, коррозионных сред смазывание подшипников минеральными смазывающими веществами невозможно, а материалы подшипников должны дополнительно обладать коррозионной стойкостью в различных жидкостях, парах и газах, необладающих смазывающими свойствами, но являющихся рабочими средами и проникающими к подшипникам.

Известно, что для уменьшения трения и лучшего отвода тепла от трущихся поверхностей обычные подшипники качения смазывают жидкими или пластинчатыми нефтяными смазывающими веществами, так материалы шариков, колец и сепараторов не обладают достаточной антифрикционностью в режиме сухого трения. Это подтверждается многочисленными фактами из практики эксплуатации, а также данными специальных исследовании.

В МИЭМ (Московский институт электронного машиностроения) была изучена работа на долговечность стандартных шарикоподшипников 36205 с массивными сепараторами из различных материалов в условиях работы без смазки в атмосфере при частоте вращения 8500 об/мин, радиальной нагрузке 10 кгс, осевой нагрузке 1 кгс. Подшипники без сепаратора при данном режиме работали 2 ч. В связи с резким увеличением температуры испытания были прекращены. Подшипники с сепараторами из бронзы БрАЖМцЮ-3-1,5 работали со смазкой удовлетворительно, а без смазки 10 мин. При нагреве до 31 °С подшипник заклинивался (начальная температура 17°С). Такие же неудовлетворительные результаты получили для подшипников с сепараторами из латуни ЛС59-1. Долговечность их составила от 23 мин до 1 ч 35 мин. После испытания шарики и дорожки качения были покрыты тонким слоем латуни, что искажало размеры желобов, быстро уменьшало рабочий зазор и подшипники заклинивали. Отрицательные результаты подшипники с сепараторами из стали Ст3, у которых через 20 мин работы появлялся сильный шум (свист), затем следовало их заедание. Подшипники с сепаратором из текстолита работали 2,5 ч. Подшипники с сепаратором из бронзы БрОЦС5-5-5 проработали 45ч. При разборке обнаружено большое количество продуктов износа в виде бронзовой пыли. Сепараторы имели также большой износ в гнездах и в местах трения их о борта наружного кольца. Шарики и дорожки качения оказались покрытыми тонким слоем бронзы, что способствовало увеличению срока службы по сравнению с другими материалами из-за избирательного переноса меди на поверхности трения стальных деталей.

Испытания показали, что основной причиной быстрого выхода стандартных шарикоподшипников при работе без смазки в атмосфере является механическое разрушение сепараторов (разрыв по перемычкам, обрыв заклепок) или защемление вследствие попадания продуктов износа между трущимися поверхностями в рабочие зазоры.

В США фирма «Шелл» испытывала шарикоподшипники 206 со штампованным стальным сепаратором при температуре 315°С без смазки при радиальной нагрузке 13,6 кгс и 10 000 об/мин. Подшипники на этом режиме выходили из строя через несколько секунд. Быстрый выход из строя стандартных подшипников наблюдается и при их работе в жидких средах, не обладающих смазывающими свойствами. Автором испытывались шарикоподшипники 308 со штампованным клепаным стальным сепаратором в рабочих условиях реактора при 1570 об/мин и контактных напряжениях не выше 10 000 кгс/см2. Смазывание подшипников осуществлялось исходным сырьем рабочего процесса реактора — углеводородными фракциями типа 55-125 крекинг-бензина Б –70.

После 79 ч работы, в течение которых было 30 пусков и остановов, появился звук, характерный для подшипника, близкого к заклиниванию. Подшипник вышел из строя через 86ч вследствие, заклинивания от попадания в зазоры мелких частиц металла, образовавшихся при изнашивании сепаратора.

Второй подшипник проработал в этих условиях 107 ч. На внутреннем и особенно на наружном кольце наблюдались натиры, имеющие вид блестящего желобка. Остальные места колец и другие детали были покрыты бурым налетом. Наблюдался ярко выраженный износ подшипника при сухом трении с отделением микрочастиц металла (шелушение) и химическим превращением железа в окисел, выпадающий в осадок. Частицы интенсивного коррозионно-механического изнашивания, попадая в зазоры подшипника, заклинивали его.

В результате этих испытаний был сделан вывод о том, что подшипники из стали ШХ15 со штампованными стальными сепараторами непригодны для работы в условиях смазывания жидкими углеводородами легких фракций. Их срок службы даже при низких контактных напряжениях (менее 10 000 кгс/см3) не превышает 100 ч.

К таким же результатам приводят испытания стандартных подшипников в дистиллированной воде. По данным шведской фирмы СКФ их долговечность снижается в 10 раз, а по экспериментам ВНИПП, — иногда в 100раз. Отсюда использование в режиме сухого трения стандартных шарикоподшипников невозможно.

В последние годы во ВНИПП проф. Н. А. Спицыным и его учениками были разработаны конструкции и исследованы опытные партии шарикоподшипников, способных работать достаточно долговечно без подвода нефтяных смазывающих веществ при сухом трении в нормальных условиях в атмосфере и в вакууме при повышенных температурах и частотах вращения. Сотрудниками ВНИПП и автором были исследованы новые шарикоподшипники для работы в коррозионных средах без смазки.

К решению проблемы создания таких шарикоподшипников подходят несколькими путями. Одним из них является разработка конструкции подшипников, смазываемых в процессе работы твердыми смазывающими веществами, другим — изыскание конструкционных самосмазывающихся материалов для сепараторов, способных в условиях сухого трения обеспечивать смазывание трущихся элементов подшипника твердыми пленками. Кроме того, важным этапом разработки шарикоподшипников без смазки является исследование и применение новых коррозионно-стойких и жаропрочных подшипниковых сталей и сплавов для колец и шариков. К шарикоподшипникам, имеющим постоянный запас смазывающего материала на весь период эксплуатации, относятся также стандартные шарикоподшипники с двусторонними встроенными уплотнениями по ГОСТ 8882—58, которые здесь не рассматриваются.