CC BY
44
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СУДОВОЖДЕНИЯ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
УДК 621.822:666.3-13
Сергей Владимирович Куличков
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры «Инженерные дисциплины», SPIN-код: 4578-5793, AuthorID: 994628, Россия, Владивосток, e-mail: kulichkov.sv@dgtru.ru
Обзор исследований керамических подшипников на предмет возможности их применения в технологических и энергетических машинах
Аннотация. Рассмотрены исследования керамических и гибридных подшипников. Собраны физико-механические характеристики некоторых отечественных керамических материалов подшипников на основе карбида кремния. Приведены данные исследований влияния конструктивных, эксплуатационных факторов на шумовое излучение подшипников. Раскрыто влияние конструктивных особенностей и режимов эксплуатации на характер распространения звука. Показано, что окружное распределение полного звукового излучения керамического подшипника относительно однородно при низких скоростях и легкой нагрузке и возрастает с увеличением скорости вращения и рабочих нагрузок, а наибольшее влияние на общее акустическое излучение оказывает взаимодействие между внутренним кольцом и нагруженными шариками. Приводятся результаты исследований вибрации гибридных шариковых керамических подшипников в сравнении с аналогичными стальными подшипниками.
Ключевые слова: керамический подшипник, карбид кремния, коэффициент трения, акустическое поле подшипника, шумовое излучение подшипника.
Sergei V. Kulichkov
Far Eastern State Technical Fisheries University, associate professor, PhD, associate professor of the engineering disciplines department, SPIN-cod: 4578-5793, AuthorID: 994628, e-mail: kulichkov.sv@dgtru.ru
Review of research on ceramic bearings for their application in technological and power machines
Abstract. This paper discusses the research of ceramic and hybrid bearings. Physical and mechanical characteristics of some domestic ceramic bearing materials based on silicon carbide are collected. The data of research on the influence of design, operational, and factors on the noise radiation of bearings are presented. The influence of design features and operating modes on the nature of sound propagation is revealed. It is shown that the circumferential distribution of the total sound radiation of a ceramic bearing is relatively uniform at low speeds and light loads, and increases with increasing rotation speed and working loads, and the interaction between the inner ring and the loaded balls has the greatest influence on the total acoustic radiation. The results of vibration studies of hybrid ceramic ball bearings in comparison with similar steel bearings are presented.
Keywords: ceramic bearing, silicon carbide, coefficient of friction, bearing acoustic field, bearing noise emission.
Создание и применение современных технологических машин сопряжено с широким спектром требований. Условия работы узлов технологического оборудования пищевой промышленности обусловлены прежде всего влажностно-температурными факторами и агрессивностью среды. Надёжность работы узлов трения во многом зависит от перепадов температур, попадания в смазку механических примесей, коррозионных процессов на металлических элементах, сопровождающихся в том числе электрическими явлениями в трибосопряжениях.
Выбор материала деталей узлов трения машин обусловлен, с одной стороны, их стойкостью к воздействию среды, а с другой стороны - санитарно-гигиеническими требованиями.
Для ряда узлов технологического оборудования, например, центробежных сепараторов, характерны высокие скорости вращения.
Для снижения негативного воздействия на узлы трения различных факторов среды хорошей перспективой является использование подшипников с керамическими элементами, которые по разным оценкам позволяют снизить шумность благодаря незначительному тепловому расширению, склонности к деформациям и существенно меньшему коэффициенту трения, обладают высокими диэлектрическими характеристиками, не испытывают воздействия магнитных полей. Благодаря химической инертности керамики применение керамических элементов деталей целесообразно при контакте с нефтепродуктами и пищевыми средами. Но существующие недостатки керамических подшипников, например, хрупкость, требуют анализа опыта их использования и дальнейших исследований режимов их эксплуатации, а также разработки новых материалов.
Для керамических подшипников [1, 2] характерно применение неоксидной керамики, в состав которой входят такие соединения, как нитрид кремния, карбид кремния. Химическая инертность карбида кремния предопределяет целесообразность его применения в подшипниках технологических машин пищевых производств [3, 4].
По совокупности свойств, соответствующих условиям применения в технологических машинах пищевой промышленности, целесообразно применение керамических подшипников на основе карбида кремния.
Физико-механические характеристики некоторых отечественных керамических материалов подшипников на основе SiC, выпускаемых различными отечественными производителями, представлены в таблице.
Физико-механические характеристики отечественных керамических материалов
подшипников на основе SiC Physical and mechanical characteristics of Russian SIC-based ceramic bearing materials
Наименование показателя SILCAR (ТУ 1592-00375578248-2015) РКК (ТУ 1915-0102304285-2003) СКК (ТУ 1915-03623042805-2010) LPSiC (ТУ 1915-0152304285-2009)
Плотность, г/см 3,02-3,14 3,05-3,11 3,12-3,17 3,21-3,25
Предел прочности при изгибе, МПа 220 330-450 350-450 500-550
Модуль упругости, ГПа 300-340 380-410 390-420 400-430
Коэффициент термического расширения в интервале 20-1000 °С, 10 1/К 3,6-4,2 3-4 4,0-4,5 5,0-5,5
Коэффициент теплопроводности при 100 °С, Вт/(мК) 160-174 140-180 90-130 70-90
Микрофотографии структуры материалов на основе SiC в составе подшипников, производимых ООО «Вириал», представлены на рис. 1.
Рис. 1. Керамические материалы подшипников компании ООО «Вириал»:
а - СКК; б - LPSiC Fig. 1. Ceramic bearing materials of «Virial» company: а - СКК; б - LPSiC
Согласно [5-7] конструкция машин для пищевой переработки должна, по возможности, обеспечивать максимальное снижение собственного шума машины.
В работе [8] приводятся данные исследований зависимости акустического поля цельно-керамических шарикоподшипников от размерных отклонений шариков.
Исследованы окружные распределения акустического поля и параметры, где в числе оценочных показателей брались уровень звукового давления и угол направленности пика.
Результаты показали, что на звуковое излучение цельнокерамических подшипников существенное влияние оказывает разница диаметров шариков, причем пик излучения растет с увеличением скорости вращения. Направление звука тесно связано с влиянием осевых и радиальных нагрузок, по-разному действующих на внутреннее кольцо. На рис. 2 представлены кривые изменения звукового давления с учётом разницы диаметров шариков и без него.
Рис. 2. Уровень звукового давления Fig. 2. Sound pressure level
Исследовательская группа Ву [9] предложила новый метод расчета шума керамических подшипников, основанный на динамическом отклике. На основе уравнения Лагранжа были получены дифференциальные уравнения для вибрации каждого компонента подшипника. Анализ и расчёты звукового излучения керамического подшипника производились на основе акустической теории Гельмгольца. Характерной частотой каждого компонента была первичная частота звукового излучения. Сепарация мало влияла на шумовой фон. Уровень звукового давления имел максимальное значение в окружном направлении при скорости около 28000 об/мин. С увеличением скорости вращения уровень шумового поля нарастал, а угол направленности смещался в сторону направления вращения.
Как показано выше, окружное распределение полного звукового излучения керамического подшипника относительно однородно при низких скоростях и легкой нагрузке и возрастает с увеличением скорости вращения и рабочих нагрузок.
Наибольшее влияние на общее акустическое излучение оказывает взаимодействие между внутренним кольцом и нагруженными шариками.
В сравнении с этим для изменения акустического излучения направление сил оказывается менее важным.
Когда сила контакта между внутренним кольцом и нагруженным шаром увеличивается, взаимодействие между шаром и внутренним кольцом также становится более интенсивным, это приводит к увеличению акустического излучения от внутреннего кольца и нагруженного шара. Одновременно могут быть загружены несколько шаров. На это положение влияет изменение окружных и радиальных сил, но не радиальных нагрузок.
Когда подшипник работает на низкой скорости или с легкой нагрузкой, разница между загруженными участками и разгруженными участками невелика. Графики зависимости деформации нагруженных шаров представлены на рис. 3.
Рис. 3. Деформации нагруженных шаров Fig. 3. Deformations of loaded balls
Наращивание скорости вращения и радиальной нагрузки приводит к росту сил, действующих на нагруженные шары, а ненагруженные шары менее подвержены этому влиянию по сравнению с нагруженными шарами. В результате чего с увеличением скорости вращения и радиальных нагрузок направленность становится более явной. Однако, когда осевой предварительный натяг увеличивается до 1500 Н и подшипник работает почти без нагрузки, амплитуда осевого результирующего усилия приходит к локальному минимальному значению [10].
Следовательно, существует оптимизированная осевая предварительная нагрузка с заданными скоростью вращения и радиальной нагрузки.
Оптимизированный осевой предварительный натяг позволяет в наибольшей степени уменьшить осевую деформацию нагруженных шариков и тем самым минимизировать их деформацию, акустическое излучение и направленность.
Создание акустического поля работающих подшипников связано также с вибрационными процессами.
В работе [11] проводились исследования вибрации гибридных шариковых керамических подшипников в сравнении с аналогичными стальными подшипниками.
Общие значения вибрационной скорости гибридных подшипников оказались выше. Но эти значения менялись вследствие изменения скорости и не зависели от осевой нагрузки.
Пики радиальной и осевой вибраций достигали более высоких значений у гибридных подшипников. Причина в том, что жесткость, вызванная упругими контактами между керамическими шариками и стальной дорожкой качения, больше, чем контакт со стальными шариками.
Группой Ю.А. Равиковича [13] проводились исследования работы керамических подшипников скольжения с жидкостной смазкой в нештатных режимах. Результаты испытаний подшипника скольжения из реакционно-спеченного карбида кремния представлены на рис. 4.
0.10
g Мб v ОЛА
Он
н 0,12
я 0.1
di
^ 0,00 •а*
^0,04 0
-0- Я
1 rr ■
j/S-B-e^B-i У —Q— & -О—ii
-
it А. * А. м
if * ■ i, ■ А L
* L 1 i 1 1 А
я 1 t*■i f * » • * II
о
~" 110 и
120 115
100
о
о. ■ ■ 90 <у
S5 Я
75 70
10 15 20
Время, мин
25
30
—-е-
—-в —
Рис. 4. Результаты испытаний подшипника скольжения из реакционно-спеченного карбида кремния [13]: Р=0,44 МПа ■ Р=0,05 МПа, t°>100 °С £ Р=0,05 МПа, t°<100 °С
Р=0,44 МПа —а— Р=0,05 МПа, t°>100 °С — д— Р=0,05 МПа, t°<100 °С Fig. 4. Test results of a sliding bearing made of reaction-sintered silicon carbide [13]: P=0,44 MPa ■ P=0,05 MPa, t°>100 °C £ P=0,05 MPa, t°<100 °C
P=0,44 MPa — e— P=0,05 MPa, t°>100 °C — Д— P=0,05 MPa, t°<100 °C
Из рис. 4 видно, при нагрузке в 0,044 МПа значительного подъёма температуры не наблюдалось, и в процессе испытаний режим трения был стабилен. Подшипник достиг максимальной температуры 120 °С при нагрузке 0,05 МПа, что не оказало существенного влияния на зависимость коэффициента трения от времени.
Майнер с исследовательской группой в работе [3] показали долговечность высокоскоростного гибридного подшипника в условиях отсутствия масла при росте мощности в подшипнике большого двигателя. Иллюстрация испытаний представлена на рис. 5.
-I -p l-J- 1 J L L i 1 i 1 I 1 i I h J 1
- ) Я I F X t Ста лыгои г :одшип них
- f / fü именно S pyóea : подач î масла -
I ¿1 й поди . i r.J_ ИТГПИТС I'll
О 10 И) 30 на 50 ÉO 70 «О 90 ДО
Время после прекращения подачи масла, с
Рис. 5. Сравнение температур подшипников после отключения масла [3] Fig. 5. Comparison of bearing temperatures after oil shutdown [3]
После отключения масла температура стального подшипника поднялась на 83 °C, тогда как температура гибридного подшипника поднялась всего на 15 °C. Стальной подшипник был сильно поврежден, а гибридный подшипник находился в отличном состоянии. Было обнаружено, что в менее тяжелых условиях гибридный подшипник проработал в пять раз дольше, чем полностью стальной подшипник, прежде чем не было обнаружено каких-либо признаков повреждения.
Совершенно очевидно, что многие из предполагаемых преимуществ керамических подшипников, которые были предусмотрены на их ранних этапах, теперь реализуются в результате постоянных исследований и разработок. Полномасштабные натурные испытания керамических подшипников накопили много полезных данных и позволили создать прочную основу для их будущего применения в технологических и энергетических машинах.
Основными задачами исследований являются: улучшение показателей материалов, особенно трещиностойкости, эффективные технологии изготовления, оптимизированная обработка поверхности и покрытия как керамических элементов, так и сопряженных стальных деталей, смазка и анализ подшипников в сборе. Некоторые специфические проблемы, например, вибрация, требуют дальнейшего решения.
Список литературы
1. ГОСТ 32932-2014 (ISO 3290-2:2008). Подшипники качения. Шарики керамические. М.: Стандартинформ, 2015.
2. Подшипники из карбида кремния [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ecarbid.ru/products/byhierarchy/3/59/.
3. Miner JR., Dell J., Galbato A.T., Ragen M.A. F117-PW-100 hybrid ball bearing ceramic technology insertion, Eng J. Gas Turbines Power, Trans. ASME. 1996. Vol. 118. P. 434-442.
4. Niizeki S., Abe T. and Furumura K. Reliability for rolling fatigue life and corrosion resistance of ceramic balls made of Si2N3 (in Japanese) // NSK Technical Journal. 1992. Vol. 652. P. 17-21.
5. ГОСТ EN 1672-1-2014. Оборудование для пищевой промышленности. Требования по безопасности и гигиене. Основные положения. Часть 1. Требования по безопасности. М.: Стандартинформ, 2015.
6. EN ISO 11688-1:2009. Acoustics - Recommended practice for the design of low-noise machinery and equipment. Part 1: Planning (ISO/TR 11688-1:1995) [Акустика. Практические рекомендации для проектирования машин и оборудования с низким уровнем шума. Часть 1. Планирование (ISO/TR 11688-1:1995)].
7. EN ISO 12001:2009. Acoustics - Noise emitted by machinery and equipment - Rules for the drafting and presentation of a noise test code (ISO 12001:1996) [Акустика. Шум, издаваемый машинами и оборудованием. Правила для подготовки и представления кода контроля шума (ISO 12001:1996).]
8. Bai X.T., Wu Y.H., Rosca I.C., Zhang K., Shi H.T. Investigation on the effects of the ball diameter difference in the sound radiation of full ceramic bearings // Journal of Sound and Vibration. 2019. Vol. 450. P. 231-250.
9. Wu Yu., Yan H., Li S., Zhang K., Zhang L. Calculation on the radiation noise of ceramic ball bearings based on dynamic model considering nonlinear contact stiffness and damping // Journal of Sound and Vibration. 2020. Vol. 479. 115374.
10. Shi H.T., Bai X.T. Model-based uneven loading condition monitoring of full ceramic ball bearings in starved lubrication. // Mechanical Systems and Signal Processing. 2020 Vol. 139. 106583.
11. Ohta H., Kobayashi К. Vibrations of hybrid ceramic ball bearings // Journal of Sound and Vibration. 1996. Vol. 192(2). P. 481-493.
12. Wang L., Snidle R.W., Gu L. Rolling contact silicon nitride bearing technology: a review of recent research // Wear. 2000. Vol. 246. P. 159-173.
13. Равикович Ю.А., Ермилов Ю.И., Холобцев Д.П., Ардатов К.В., Напалков А.А., Шах Д.П. Экспериментальное исследование работы подшипников скольжения с жидкостной смазкой в нештатных режимах // Электронный журнал «Труды МАИ». Вып. № 46. https://mai.ru/upload/iblock/dac/dac449a51f393f6520bedf9c33191c2f.pdf.
Куличков С.В., 2020
Для цитирования: Куличков С.В. Обзор исследований керамических подшипников на
предмет возможности их применения в технологических и энергетических машинах //
Научные труды Дальрыбвтуза. 2020. Т. 54, № 4. С. 43-49.
Статья поступила в редакцию 20.11.2020, принята к публикации 27.11.2020.
