ความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการปรับปรุงความน่าเชื่อถือในอุตสาหกรรมหมายความว่าวิศวกรจำเป็นต้องพิจารณาส่วนประกอบทั้งหมดของอุปกรณ์ของตนระบบแบริ่งเป็นส่วนสำคัญในเครื่องจักร และความล้มเหลวอาจส่งผลกระทบร้ายแรงและมีค่าใช้จ่ายสูงการออกแบบแบริ่งมีผลกระทบอย่างมากต่อความน่าเชื่อถือ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะการทำงานที่รุนแรง รวมทั้งอุณหภูมิสูงหรือต่ำ บรรยากาศสูญญากาศและการกัดกร่อนบทความนี้สรุปข้อควรพิจารณาที่ต้องทำเมื่อระบุตลับลูกปืนสำหรับสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย วิศวกรจึงสามารถรับประกันความน่าเชื่อถือสูงและประสิทธิภาพการทำงานที่ยอดเยี่ยมตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

ระบบแบริ่งประกอบด้วยองค์ประกอบหลายอย่าง เช่น ลูกบอล แหวน กรง และการหล่อลื่น เป็นต้นตลับลูกปืนมาตรฐานมักจะไม่ทนต่อสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง ดังนั้นจึงต้องพิจารณาเป็นพิเศษสำหรับชิ้นส่วนแต่ละชิ้นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดคือการหล่อลื่น วัสดุ และการอบชุบหรือเคลือบด้วยความร้อนแบบพิเศษ และเมื่อพิจารณาจากปัจจัยแต่ละปัจจัยแล้ว ตลับลูกปืนจะกำหนดค่าได้ดีที่สุดสำหรับการใช้งาน

ทำงานที่อุณหภูมิสูง

การใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น การใช้งานในระบบกระตุ้นภายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ สามารถนำเสนอความท้าทายสำหรับตลับลูกปืนมาตรฐานนอกจากนี้ อุณหภูมิในอุปกรณ์ก็สูงขึ้นเนื่องจากยูนิตมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ และมีความหนาแน่นของกำลังเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้เกิดปัญหากับตลับลูกปืนโดยเฉลี่ย

การหล่อลื่น

การหล่อลื่นถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญที่นี่น้ำมันและจาระบีมีอุณหภูมิการทำงานสูงสุดซึ่งจะเริ่มเสื่อมสภาพและระเหยอย่างรวดเร็วซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของแบริ่งจาระบีมาตรฐานมักจะจำกัดอุณหภูมิสูงสุดไว้ที่ 120°C และจาระบีที่มีอุณหภูมิสูงแบบธรรมดาบางชนิดสามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 180°C

อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานที่ต้องการอุณหภูมิที่สูงกว่านั้น จาระบีหล่อลื่นพิเศษที่มีฟลูออไรด์จะมีจำหน่ายและสามารถใช้อุณหภูมิที่สูงกว่า 250°C ได้ในกรณีที่ไม่สามารถหล่อลื่นด้วยของเหลวได้ การหล่อลื่นแบบแข็งเป็นตัวเลือกที่ช่วยให้การทำงานที่ความเร็วต่ำเชื่อถือได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นในกรณีนี้ โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (MOS2), ทังสเตนไดซัลไฟด์ (WS2), กราไฟต์หรือโพลีเตตราฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) ได้รับการแนะนำให้ใช้เป็นสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง เนื่องจากสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงมากได้เป็นระยะเวลานาน

วัสดุ

เมื่ออยู่ในอุณหภูมิที่สูงกว่า 300 องศาเซลเซียส จำเป็นต้องใช้วัสดุพิเศษของแหวนและลูกบอลAISI M50 เป็นเหล็กกล้าที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งโดยทั่วไปแนะนำเนื่องจากมีความทนทานต่อการสึกหรอและการล้าที่อุณหภูมิสูงBG42 เป็นเหล็กกล้าที่มีอุณหภูมิสูงอีกชนิดหนึ่งที่มีความแข็งร้อนที่ดีที่อุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส และมักมีการระบุเนื่องจากมีความทนทานต่อการกัดกร่อนในระดับสูง และยังมีความอ่อนไหวต่อความล้าและการสึกหรอในอุณหภูมิที่รุนแรงน้อยกว่า

ต้องใช้กรงที่มีอุณหภูมิสูงและสามารถจัดจำหน่ายในวัสดุพอลิเมอร์พิเศษเช่น PTFE, Polyimide, Polyamide-imide (PAI) และ Polyether-ether-ketone (PEEK)สำหรับระบบหล่อลื่นด้วยน้ำมันที่อุณหภูมิสูง กรงแบริ่งยังสามารถผลิตจากเหล็กบรอนซ์ ทองเหลือง หรือเหล็กชุบเงิน

การเคลือบและการรักษาความร้อน

การเคลือบขั้นสูงและการรักษาพื้นผิวสามารถนำไปใช้กับตลับลูกปืนเพื่อต่อสู้กับแรงเสียดทาน ป้องกันการกัดกร่อน และลดการสึกหรอ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของตลับลูกปืนที่อุณหภูมิสูงตัวอย่างเช่น โครงเหล็กสามารถเคลือบด้วยเงินเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือในกรณีของน้ำมันหล่อลื่นล้มเหลว/ความอดอยาก การชุบเงินจะทำหน้าที่เหมือนสารหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง ทำให้ตลับลูกปืนทำงานต่อไปได้ในช่วงเวลาสั้นๆ หรือในสถานการณ์ฉุกเฉิน

ความน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิต่ำ

อีกด้านหนึ่งของมาตราส่วน อุณหภูมิต่ำอาจเป็นปัญหาสำหรับตลับลูกปืนมาตรฐาน

การหล่อลื่น

ในการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ เช่น การใช้งานปั๊มด้วยความเย็นที่อุณหภูมิอยู่ที่ -190°C การหล่อลื่นของน้ำมันจะกลายเป็นขี้ผึ้งส่งผลให้ตลับลูกปืนเสียหายการหล่อลื่นที่เป็นของแข็ง เช่น MOS2 หรือ WS2 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับปรุงความน่าเชื่อถือนอกจากนี้ ในการใช้งานเหล่านี้ สื่อที่สูบสามารถทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นได้ ดังนั้น ตลับลูกปืนจำเป็นต้องได้รับการกำหนดค่าเป็นพิเศษเพื่อให้ทำงานที่อุณหภูมิต่ำโดยใช้วัสดุที่ทำงานได้ดีกับตัวกลาง

วัสดุ

วัสดุหนึ่งที่สามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงอายุความล้าของตลับลูกปืนและความทนทานต่อการสึกหรอคือ SV30® ซึ่งเป็นเหล็กกล้าที่ทนทานต่อการกัดกร่อนของมาร์เทนซิติก มีไนโตรเจนสูง และทนต่อการกัดกร่อนขอแนะนำให้ใช้ลูกบอลเซรามิกเนื่องจากให้ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าคุณสมบัติทางกลโดยธรรมชาติของวัสดุหมายความว่าให้การทำงานที่ยอดเยี่ยมในสภาพการหล่อลื่นที่ไม่ดี และเหมาะสมกว่ามากที่จะทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิต่ำ

วัสดุกรงควรเลือกให้ทนทานต่อการสึกหรอมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และตัวเลือกที่ดี ได้แก่ พลาสติก PEEK, Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) และ PAI

การรักษาความร้อน

แหวนควรผ่านการอบชุบด้วยความร้อนเป็นพิเศษเพื่อเพิ่มความเสถียรของมิติที่อุณหภูมิต่ำ

การออกแบบภายใน

ข้อควรพิจารณาเพิ่มเติมในการทำงานในอุณหภูมิต่ำคือการออกแบบภายในของตลับลูกปืนตลับลูกปืนได้รับการออกแบบให้มีระดับการเล่นในแนวรัศมี แต่เมื่ออุณหภูมิลดลง ส่วนประกอบตลับลูกปืนก็จะเกิดการหดตัวจากความร้อน และทำให้ปริมาณการเล่นในแนวรัศมีลดลงหากระดับการเล่นในแนวรัศมีลดลงเป็นศูนย์ระหว่างการทำงาน จะส่งผลให้ตลับลูกปืนเสียตลับลูกปืนที่มีไว้สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำควรได้รับการออกแบบให้มีการเล่นในแนวรัศมีที่อุณหภูมิห้องมากขึ้น เพื่อให้สามารถเล่นในแนวรัศมีได้ในระดับที่ยอมรับได้ที่อุณหภูมิต่ำ

การจัดการกับแรงดันสุญญากาศ

ในสภาพแวดล้อมสูญญากาศสูงพิเศษ เช่น ในสภาพแวดล้อมการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เซมิคอนดักเตอร์ และ LCD ความดันอาจต่ำกว่า 10-7 มิลลิบาร์ตลับลูกปืนสูญญากาศสูงพิเศษมักใช้ในอุปกรณ์กระตุ้นการทำงานในสภาพแวดล้อมการผลิตการใช้งานสูญญากาศทั่วไปอีกประการหนึ่งคือปั๊มเทอร์โบโมเลกุล (TMP) ซึ่งสร้างสุญญากาศสำหรับสภาพแวดล้อมการผลิตในการใช้งานครั้งหลังนี้ ตลับลูกปืนมักจะต้องทำงานด้วยความเร็วสูง

การหล่อลื่น

การหล่อลื่นในสภาวะเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญที่สุญญากาศสูงเช่นนี้ จาระบีหล่อลื่นมาตรฐานจะระเหยและปล่อยก๊าซออกด้วย และการขาดการหล่อลื่นที่มีประสิทธิภาพอาจส่งผลให้ตลับลูกปืนชำรุดจึงต้องใช้สารหล่อลื่นพิเศษสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีสุญญากาศสูง (ประมาณ 10-7 มิลลิบาร์) สามารถใช้จาระบี PFPE ได้ เนื่องจากจาระบีมีความต้านทานการระเหยสูงกว่ามากสำหรับสภาพแวดล้อมสูญญากาศสูงพิเศษ (10-9mbar และต่ำกว่า) ต้องใช้สารหล่อลื่นและสารเคลือบที่เป็นของแข็ง

สำหรับสภาพแวดล้อมสูญญากาศปานกลาง (ประมาณ 10-2mbar) ด้วยการออกแบบอย่างระมัดระวังและการเลือกจาระบีสูญญากาศพิเศษ ระบบแบริ่งที่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า 40,000 ชั่วโมง (ประมาณ 5 ปี) ของการใช้งานอย่างต่อเนื่องและทำงานด้วยความเร็วสูงได้ ประสบความสำเร็จ

ทนต่อการกัดกร่อน

ตลับลูกปืนที่มีไว้สำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนจำเป็นต้องได้รับการกำหนดค่าเป็นพิเศษ เนื่องจากสามารถสัมผัสกับกรด ด่าง และน้ำเกลือ รวมถึงสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอื่นๆ

วัสดุ

วัสดุมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนเหล็กลูกปืนมาตรฐานจะสึกกร่อน ส่งผลให้ตลับลูกปืนเสียก่อนกำหนดในกรณีนี้ควรพิจารณาวัสดุแหวน SV30 ที่มีลูกเซรามิกเนื่องจากมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูงจากการศึกษาพบว่าวัสดุ SV30 มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเหล็กกล้าที่ทนต่อการกัดกร่อนอื่นๆ ในสภาพแวดล้อมที่มีการพ่นเกลือในการทดสอบสเปรย์เกลือแบบควบคุม เหล็ก SV30 จะแสดงสัญญาณการกัดกร่อนเพียงเล็กน้อยหลังจากการทดสอบสเปรย์เกลือ 1,000 ชั่วโมง (ดูกราฟที่ 1) และเห็นความต้านทานการกัดกร่อนสูงของ SV30 บนวงแหวนทดสอบอย่างชัดเจนวัสดุลูกเซรามิกพิเศษ เช่น เซอร์โคเนียและซิลิกอนคาร์ไบด์ยังสามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานของตลับลูกปืนต่อสารกัดกร่อนได้อีกด้วย

ได้ประโยชน์มากขึ้นจากการหล่อลื่นสื่อ

สภาพแวดล้อมที่ท้าทายขั้นสุดท้ายคือการใช้งานโดยที่สื่อทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่น เช่น สารทำความเย็น น้ำ หรือของเหลวไฮดรอลิกในการใช้งานทั้งหมดเหล่านี้ วัสดุถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญที่สุด และมักพบว่าตลับลูกปืนไฮบริดเซรามิก SV30 เป็นโซลูชันที่ใช้งานได้จริงและเชื่อถือได้มากที่สุด

บทสรุป

สภาพแวดล้อมที่รุนแรงทำให้เกิดความท้าทายในการปฏิบัติงานมากมายสำหรับตลับลูกปืนมาตรฐาน ซึ่งทำให้เกิดปัญหาก่อนเวลาอันควรในการใช้งานเหล่านี้ ตลับลูกปืนควรได้รับการกำหนดค่าอย่างระมัดระวังเพื่อให้เหมาะสมกับวัตถุประสงค์และให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ยาวนานเป็นเลิศเพื่อให้แน่ใจว่าตลับลูกปืนมีความน่าเชื่อถือสูง ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการหล่อลื่น วัสดุ การเคลือบพื้นผิว และการอบชุบด้วยความร้อน