轴承设计在极端环境下的可靠性

提高整个行业可靠性的需求增加意味着工程师需要考虑其设备的所有组件。轴承系统是机器中的关键部件，它们的故障可能会造成灾难性的后果和代价高昂的后果。轴承设计对可靠性有重大影响，尤其是在高温或低温、真空和腐蚀性环境等极端操作条件下。在为具有挑战性的环境指定轴承时要考虑的因素，以便工程师能够确保其设备的高可靠性和出色的长寿命性能。

轴承系统包含许多元件，例如滚珠、套圈、保持架和润滑剂。标准轴承通常无法承受恶劣环境的严酷考验，因此需要对各个零件进行特殊考虑。最重要的因素是润滑、材料和特殊热处理或涂层，通过查看每个因素意味着轴承可以针对应用进行最佳配置

一、高温操作

高温应用，例如航空航天工业中用于驱动系统的应用，可能对标准轴承提出挑战。此外，随着设备变得越来越小和功率密度增加，设备的温度也在上升，这对普通轴承来说是一个问题。

1、润滑

润滑是这里的一个重要考虑因素。油和润滑脂具有最高工作温度，在该温度下它们将开始降解并迅速蒸发，从而导致轴承故障。标准润滑脂的最高温度通常限制在 120°C 左右，而一些传统的高温润滑脂能够承受高达 180°C 的温度。

然而，对于需要更高温度的应用，可以使用特殊的氟化润滑脂，并且可以达到超过 250°C 的温度。在无法进行液体润滑的情况下，固体润滑是一种选择，可以在更高的温度下实现低速可靠运行。在这种情况下，建议使用二硫化钼 (MOS 2 )、二硫化钨 (WS 2 )、石墨或聚四氟乙烯 (PTFE) 作为固体润滑剂，因为它们可以长时间承受非常高的温度。

2、材料

当温度超过 300°C 时，需要特殊的环和球材料。AISI M50 是一种通常推荐的高温钢，因为它在高温下表现出高耐磨性和抗疲劳性。BG42 是另一种高温钢，在 300°C 时具有良好的热硬度，并且通常被指定，因为它具有高水平的耐腐蚀性，并且在极端温度下不易疲劳和磨损。

还需要高温保持架，它们可以采用特殊聚合物材料提供，包括 PTFE、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺 (PAI) 和聚醚醚酮 (PEEK)。对于高温油润滑系统，轴承保持架也可以由青铜、黄铜或镀银钢制成。

3、涂层和热处理

先进的涂层和表面处理可以应用于轴承以抵抗摩擦、防止腐蚀和减少磨损，从而提高轴承在高温下的性能。例如，钢保持架可以镀银以提高性能和可靠性。在润滑剂失效/缺乏的情况下，镀银就像固体润滑剂一样，使轴承能够在短时间内或在紧急情况下继续运行。

二、低温可靠性

另一方面，低温可能会给标准轴承带来问题。

1、润滑

在低温应用中，例如温度在 -190°C 范围内的低温泵送应用，油润滑会变成蜡质，从而导致轴承失效。MOS 2或 WS 2等固体润滑剂是提高可靠性的理想选择。此外，在这些应用中，被泵送的介质可以充当润滑剂，因此需要使用与介质良好配合的材料对轴承进行特殊配置，以在这些低温下运行。

2、材料

一种可用于提高轴承疲劳寿命和耐磨性的材料是 SV30 ® – 一种马氏体全硬化高氮耐腐蚀钢。还推荐使用陶瓷球，因为它们具有卓越的性能。该材料固有的机械性能意味着它们可以在恶劣的润滑条件下提供出色的操作，并且更适合在低温下可靠地运行。

还应选择尽可能耐磨的保持架材料，这里的不错选择包括 PEEK、聚氯三氟乙烯 (PCTFE) 和 PAI 塑料。

3、热处理

环应经过特殊热处理以提高低温下的尺寸稳定性。

4、内部设计

在低温下工作的另一个考虑因素是轴承的内部设计。轴承设计有一定程度的径向游隙，但随着温度降低，轴承部件会发生热收缩，因此径向游隙量会减少。如果径向游隙水平在运行期间减小到零，这将导致轴承故障。用于低温应用的轴承应设计为在室温下具有更大的径向游隙，以允许在低温下具有可接受的工作径向游隙水平。

在电子产品、半导体和 LCD 制造中存在的超高真空环境中，压力可能低于 10 -7毫巴。超高真空轴承通常用于制造环境中的制动设备。另一个典型的真空应用是涡轮分子泵 (TMP)，它为制造环境产生真空。在后一种应用中，轴承通常需要高速工作。

5、润滑

这些条件下的润滑是关键。在如此高的真空度下，标准润滑脂会蒸发并脱气，缺乏有效润滑会导致轴承故障。因此需要使用特殊润滑剂。对于高真空环境（低至大约 10 -7毫巴），可以使用 PFPE 润滑脂，因为它们具有更高的抗蒸发性。对于超高真空环境（10 -9毫巴及以下），需要使用固体润滑剂和涂层。

对于中等真空环境（约 10 -2毫巴），通过精心设计和选择特殊真空润滑脂，轴承系统可提供超过 40,000 小时（约 5 年）的长寿命连续使用，并可高速运行，可以取得成就。

6、耐腐蚀性能

用于腐蚀性环境的轴承需要进行特殊配置，因为它们可能会暴露在酸、碱和盐水以及其他腐蚀性化学品中。

7、材料

材料是腐蚀性环境的重要考虑因素。标准轴承钢很容易腐蚀，导致轴承过早失效。在这种情况下，应考虑带有陶瓷球的 SV30 环材料，因为它们具有很高的耐腐蚀性。事实上，研究表明，SV30 材料在盐雾环境中的使用寿命比其他耐腐蚀钢材长许多倍。在受控盐雾测试中，经过 1,000 小时的盐雾测试后，SV30 钢仅显示出轻微的腐蚀迹象（见图 1），并且在测试环上可以清楚地看到 SV30 的高耐腐蚀性。特殊陶瓷球材料如氧化锆和碳化硅也可用于进一步提高轴承对腐蚀性物质的抵抗力。

8、从介质润滑中获得更多

最后一个具有挑战性的环境是介质充当润滑剂的应用，例如制冷剂、水或液压油。在所有这些应用中，材料是最重要的考虑因素，而 SV30 – 陶瓷混合轴承经常被发现提供最实用和可靠的解决方案。

三、结论

极端环境对标准轴承提出了许多操作挑战，从而导致它们过早失效。在这些应用中，应仔细配置轴承，使其适合用途并提供出色的持久性能。为确保轴承的高可靠性，应特别注意润滑、材料、表面涂层和热处理