Содержание статьи
- 1. Введение: условия эксплуатации подшипников в стекловарении
- 2. Типы подшипников для высокотемпературного оборудования
- 3. Материалы жаростойких подшипников
- 4. Охлаждаемые корпуса подшипников
- 5. Системы смазки высокотемпературных подшипников
- 6. Радиальный зазор и тепловое расширение
- 7. Применение в оборудовании стекловаренных печей
- 8. Критерии выбора подшипников
- 9. Техническое обслуживание и диагностика
- 10. Вопросы и ответы
Введение: условия эксплуатации подшипников в стекловарении
Стекловаренное производство относится к отраслям с наиболее жесткими условиями эксплуатации механического оборудования. Температура в рабочей зоне стекловаренных печей достигает 1500-1600 C, а оборудование, расположенное в непосредственной близости от варочного бассейна, подвергается воздействию температур от 150 до 450 C и выше. Подшипниковые узлы роликовых конвейеров, загрузочных механизмов, транспортирующих устройств и вентиляторов работают в условиях постоянного теплового воздействия, что требует применения специализированных технических решений.
Стандартные подшипники качения рассчитаны на рабочую температуру до 120 C. При превышении этого порога происходит деградация смазочного материала, изменение геометрии посадочных поверхностей из-за теплового расширения, а также снижение механических характеристик подшипниковой стали. Для обеспечения надежной работы оборудования стекловаренных печей применяются высокотемпературные подшипники, охлаждаемые корпуса и специализированные системы смазки.
Типы подшипников для высокотемпературного оборудования
Классификация по температурному диапазону
Высокотемпературные подшипники классифицируются по максимальной рабочей температуре и характеру теплового воздействия. В стекольной промышленности применяются подшипники нескольких температурных классов.
| Температурный класс | Диапазон температур | Тип смазки | Область применения |
|---|---|---|---|
| Умеренно высокотемпературные | до 150 C | Консистентная на основе литиевого комплекса | Вентиляторы, насосы охлаждения |
| Высокотемпературные | 150-250 C | Консистентная на синтетической основе | Транспортеры, приводы |
| Жаростойкие | 250-350 C | Графитовая или сухая | Роликовые конвейеры печей |
| Экстремально жаростойкие | 350-450 C (стальные с сухой смазкой), до 1000 C (керамические) | Сухая (графит, MoS2) или без смазки (керамика) | Печные вагонетки, загрузчики, специальные узлы |
Конструктивные типы подшипников
Для оборудования стекловаренных печей применяются преимущественно радиальные шариковые и роликовые подшипники. Шариковые подшипники серий 6200, 6300 и 6000 используются в узлах с умеренными нагрузками и средними скоростями вращения. Сферические роликовые подшипники применяются в нагруженных узлах с возможными перекосами валов. Корпусные подшипниковые узлы (Y-подшипники) обеспечивают удобство монтажа и обслуживания.
Материалы жаростойких подшипников
Подшипниковые стали для высоких температур
Стандартная подшипниковая сталь ШХ15 (аналог AISI 52100, 100Cr6) подвергается термической стабилизации для повышения температурной стойкости. Процесс стабилизации включает специальную термообработку (отпуск при повышенной температуре), которая позволяет сохранить размерную стабильность при рабочих температурах до 150-200 C. Для более высоких температур применяются легированные жаропрочные стали с добавлением хрома, молибдена, вольфрама и ванадия.
| Материал | Максимальная температура | Особенности |
|---|---|---|
| AISI 52100 стабилизированная | до 200 C | Стандартная хромистая сталь после термостабилизации |
| AISI 440C нержавеющая | до 300 C | Коррозионностойкая, жаростойкая |
| M50 (инструментальная) | до 315 C | Высокая твердость при нагреве |
| Cronidur 30 | до 350 C | Нержавеющая, азотированная |
Керамические материалы
Керамические подшипники и гибридные конструкции (керамические тела качения в стальных кольцах) применяются при экстремальных температурах. Нитрид кремния Si3N4 выдерживает температуру до 1000 C без существенной потери механических свойств. Коэффициент теплового расширения керамики Si3N4 составляет 3,2-3,4×10⁻⁶ 1/°C, что примерно в 3,5-4 раза меньше, чем у подшипниковой стали (12×10⁻⁶ 1/°C), обеспечивая повышенную стабильность зазоров при нагреве.
| Керамический материал | Максимальная температура | Плотность, г/см3 | Твердость HV |
|---|---|---|---|
| Нитрид кремния Si3N4 | до 1000 C | 3,2 | 1500-1700 |
| Оксид циркония ZrO2 | до 400 C | 6,0 | 1200-1300 |
| Карбид кремния SiC | до 1400 C | 3,1 | 2500-2800 |
| Оксид алюминия Al2O3 | до 1000 C | 3,9 | 1800-2000 |
Материалы сепараторов
Сепараторы высокотемпературных подшипников изготавливаются из материалов с соответствующей термостойкостью. Латунные сепараторы работают при температурах до 250 C. Стальные сепараторы применяются до 300 C. Специальные полимеры (PEEK, полиимиды) выдерживают температуру до 280-330 C. Графитовые сепараторы используются при экстремальных температурах и одновременно обеспечивают сухое смазывание.
Охлаждаемые корпуса подшипников
Принцип работы охлаждаемых корпусов
Охлаждаемые корпуса подшипников позволяют использовать стандартные подшипники в зонах с высокой температурой окружающей среды. Принцип работы основан на отводе тепла от подшипникового узла с помощью циркулирующего теплоносителя. Это обеспечивает поддержание температуры подшипника в допустимых пределах независимо от температуры технологического оборудования.
Типы систем охлаждения
В промышленности применяются несколько типов охлаждения подшипниковых узлов.
| Тип охлаждения | Теплоноситель | Эффективность отвода тепла | Область применения |
|---|---|---|---|
| Водяное охлаждение | Вода, водные растворы | Высокая | Роликовые конвейеры, загрузчики |
| Воздушное принудительное | Воздух | Средняя | Вентиляторы, приводы |
| Масляное охлаждение | Теплопередающие масла | Высокая | Редукторы, приводные системы |
| Пассивное (ребра) | Воздух (конвекция) | Низкая | Вспомогательное оборудование |
Пример конструкции охлаждаемого корпуса
Разъемный корпус подшипника с водяным охлаждением состоит из основания и крышки с внутренними каналами для циркуляции охлаждающей жидкости. Подвод и отвод воды осуществляется через штуцеры с резьбовым соединением. Уплотнения между частями корпуса и каналами охлаждения выполняются из термостойких материалов. Расход охлаждающей воды составляет 2-5 л/мин в зависимости от теплового потока.
Требования к монтажу охлаждаемых корпусов
При монтаже охлаждаемых корпусов необходимо обеспечить герметичность системы охлаждения, правильную соосность вала и подшипника, а также учитывать тепловое расширение конструкции. Между корпусом и горячим оборудованием устанавливаются теплоизолирующие прокладки для снижения теплопередачи. Крепежные элементы выполняются из жаропрочных сталей с температурными компенсаторами.
Системы смазки высокотемпературных подшипников
Консистентные высокотемпературные смазки
Для подшипников, работающих при температурах до 250-260 C, применяются специальные консистентные смазки. Базовые масла таких смазок изготавливаются на синтетической основе (полиальфаолефины, силиконы, перфторполиэфиры). Загустители включают комплексные литиевые, кальциевые мыла или полимочевину.
| Тип загустителя | Максимальная температура | Особенности |
|---|---|---|
| Литиевый комплекс | до 180 C | Хорошая водостойкость, универсальность |
| Кальциевый комплекс | до 180 C | Высокая водостойкость |
| Полимочевина (полиуреа) | 150-200 C | Долговечность, низкое коксование, до 150 C на минеральной основе, до 200 C на синтетической (ПАО, эстеры) |
| Бентонит (силикагель) | до 260 C | Неорганический загуститель |
| ПТФЭ/PFPE | до 260-290 C | Перфторполиэфирная основа, химическая инертность, высокая стоимость |
Сухие смазочные материалы
При температурах свыше 260 C консистентные смазки теряют работоспособность. В таких условиях применяются твердые (сухие) смазочные материалы: графит (работает до 600 C на воздухе, до 1000 C в инертной среде), дисульфид молибдена MoS2 (до 350 C на воздухе, до 400 C в вакууме), дисульфид вольфрама WS2 (до 500 C). Эти материалы наносятся на поверхности качения в виде покрытий или вводятся в состав сепаратора. Графитовые сепараторы обеспечивают непрерывное выделение смазочного материала в зону контакта.
Расчет интервала смазывания
Интервал повторного смазывания tf (в часах) для подшипников с консистентной смазкой определяется по формуле:
tf = K1 * (14000000 / (n * sqrt(d))) - 4 * d
где: K1 - коэффициент типа подшипника (0,9-1,1); n - частота вращения, об/мин; d - внутренний диаметр подшипника, мм.
При повышении температуры на каждые 15 C свыше 70 C интервал смазывания сокращается вдвое.
Централизованные системы смазки
Для оборудования стекловаренных печей с большим количеством точек смазывания применяются централизованные автоматические системы. Такие системы обеспечивают дозированную подачу смазочного материала к каждому подшипнику через заданные интервалы времени. Компоненты системы включают насосную станцию с емкостью для смазки, прогрессивные распределители, контрольную электронику и трубопроводную арматуру.
Радиальный зазор и тепловое расширение
Группы радиальных зазоров
При работе в условиях повышенных температур внутреннее кольцо подшипника нагревается сильнее наружного, что приводит к уменьшению радиального зазора. Для компенсации теплового расширения высокотемпературные подшипники выпускаются с увеличенным начальным зазором групп C3, C4, C5.
| Группа зазора | Обозначение по ГОСТ | Рекомендуемая температура | Область применения |
|---|---|---|---|
| CN (нормальный) | Без обозначения | до 80 C | Стандартные условия |
| C3 | 7-я группа | 80-120 C | Повышенная температура |
| C4 | 8-я группа | 120-180 C | Высокая температура |
| C5 | 9-я группа | свыше 180 C | Экстремальная температура |
Расчет изменения радиального зазора при нагреве
Уменьшение радиального зазора вследствие разности температур колец:
delta_s = alpha * d * delta_T
где: alpha - коэффициент линейного расширения стали (12*10^-6 1/C); d - диаметр дорожки качения, мм; delta_T - разность температур внутреннего и наружного колец, C.
Пример: Для подшипника с d = 50 мм при delta_T = 30 C: delta_s = 12*10^-6 * 50 * 30 = 0,018 мм = 18 мкм.
Тепловые посадки для керамических подшипников
При использовании керамических подшипников в стальных корпусах необходимо учитывать различие коэффициентов теплового расширения. Стальной корпус расширяется при нагреве значительно больше керамических колец, что приводит к увеличению зазора посадки. Для компенсации этого эффекта предусматривается увеличенный натяг при комнатной температуре.
Применение в оборудовании стекловаренных печей
Роликовые конвейеры леров
Лер (печь отжига) оснащен роликовым конвейером для транспортирования ленты стекла. Транспортирующие валики работают при температурах от 500 до 100 C по длине печи. Подшипниковые узлы валиков располагаются за пределами теплоизолированного кожуха, однако подвергаются воздействию температуры 150-250 C. Применяются высокотемпературные подшипники с графитовой смазкой или охлаждаемые корпуса со стандартными подшипниками.
Загрузочные механизмы
Механизмы загрузки шихты в стекловаренную печь работают в непосредственной близости от загрузочного кармана. Подшипники толкателей, винтовых конвейеров и плунжеров эксплуатируются при температурах 200-350 C. Для этих узлов характерны низкие скорости вращения (до 50 об/мин), что позволяет применять подшипники с сухой графитовой смазкой.
Вентиляторы циркуляции
Высокотемпературные вентиляторы для циркуляции горячего газа в печах оснащаются подшипниками, вынесенными за пределы нагретой зоны. Конструкция предусматривает теплоизолирующий корпус вентилятора, снижающий теплопередачу к подшипникам привода. При недостаточной изоляции применяются охлаждаемые подшипниковые узлы.
| Оборудование | Рабочая температура | Скорость вращения | Рекомендуемый тип подшипника |
|---|---|---|---|
| Валики лера | 150-250 C | 5-30 об/мин | 6200 BHTS, Y-подшипники с графитом |
| Загрузчик шихты | 200-350 C | до 50 об/мин | 6300 с сухой смазкой |
| Вентилятор циркуляции | 80-150 C | 1000-3000 об/мин | 6200/6300 C3 в охлаждаемом корпусе |
| Печная вагонетка | 300-450 C | до 20 об/мин | Керамические Si3N4, графитовые |
Критерии выбора подшипников
Алгоритм подбора высокотемпературного подшипника
При выборе подшипника для высокотемпературного оборудования стекловаренных печей необходимо учитывать следующие факторы: максимальную и среднюю рабочую температуру, характер нагрева (постоянный, периодический, кратковременный), радиальную и осевую нагрузки, частоту вращения, требуемый ресурс, условия смазывания и возможность технического обслуживания.
Пример подбора подшипника для валика лера
Исходные данные:
- Диаметр вала: 50 мм
- Рабочая температура: 200 C
- Частота вращения: 15 об/мин
- Радиальная нагрузка: 2000 Н
Решение:
1. По температуре выбираем высокотемпературный подшипник серии BHTS или эквивалент.
2. По диаметру вала подходит подшипник 6210 (d=50 мм).
3. При температуре 200 C требуется зазор группы C4.
4. Тип смазки - графитовая (сухая) или высокотемпературная консистентная.
Результат: Подшипник 6210 BHTS ZZ C4 с рабочей температурой до 250 C.
Сравнение решений: высокотемпературный подшипник vs охлаждаемый корпус
| Критерий | Высокотемпературный подшипник | Охлаждаемый корпус |
|---|---|---|
| Конструктивная сложность | Низкая | Высокая |
| Требования к инфраструктуре | Отсутствуют | Система охлаждения |
| Допустимая скорость | Ограничена (до 100 об/мин при сухой смазке) | Стандартная |
| Грузоподъемность | Снижена при высокой температуре | Стандартная |
| Техническое обслуживание | Минимальное | Контроль системы охлаждения |
Техническое обслуживание и диагностика
Периодичность технического обслуживания
Высокотемпературные подшипники с консистентной смазкой требуют периодического пополнения смазочного материала. Интервал пополнения зависит от рабочей температуры, скорости вращения и типа смазки. При температуре 150 C интервал составляет 2000-4000 часов, при 200 C сокращается до 500-1000 часов. Подшипники с сухой смазкой не требуют регулярного обслуживания до конца срока службы.
Контролируемые параметры
Для диагностики состояния подшипников высокотемпературного оборудования контролируются: температура корпуса подшипника, уровень вибрации, состояние смазочного материала (для смазываемых подшипников), радиальный и осевой люфт. Превышение контролируемых параметров сигнализирует о необходимости замены подшипника или технического обслуживания.
Признаки неисправности подшипников
К характерным признакам износа или повреждения высокотемпературных подшипников относятся: повышение температуры корпуса, увеличение вибрации и шума, появление осевого и радиального люфта, заедание при вращении, изменение цвета смазки (потемнение, коксование), следы выдавливания смазки из уплотнений.
Вопросы и ответы
Стандартные подшипники качения со стандартной консистентной смазкой рассчитаны на рабочую температуру до 120 C. При этой температуре сохраняются нормальные эксплуатационные характеристики смазки и подшипниковой стали. Кратковременное повышение температуры до 150 C допустимо, но приводит к ускоренному старению смазки и сокращению ресурса подшипника.
Подшипник с маркировкой C3 имеет увеличенный радиальный зазор по сравнению со стандартным (нормальным, CN). Зазор группы C3 примерно на 50-60% больше нормального. Это позволяет компенсировать уменьшение зазора при нагреве подшипника и посадке с натягом. Подшипники C3 рекомендуются при рабочей температуре 80-120 C и разности температур между кольцами 10-30 C.
Нет, применение обычной консистентной смазки в высокотемпературных подшипниках недопустимо. При температуре свыше 120-130 C стандартные смазки на минеральной основе быстро окисляются, теряют смазывающие свойства и коксуются. Образующиеся продукты разложения вызывают абразивный износ поверхностей качения. Для высокотемпературных подшипников необходимо использовать специальные термостойкие смазки, указанные производителем.
В печных вагонетках, работающих при температурах 300-450 C, применяются подшипники с сухой смазкой на основе графита или дисульфида молибдена. Широко используются подшипники типа Y с графитовым сепаратором, который обеспечивает непрерывную подачу твердого смазочного материала в зону контакта. При экстремальных температурах свыше 500 C применяются полностью керамические подшипники из нитрида кремния Si3N4.
Интервал пополнения смазки зависит от рабочей температуры и сокращается примерно вдвое на каждые 15 C повышения температуры свыше 70 C. При температуре 100 C интервал составляет порядка 3000-5000 часов, при 150 C - 1000-2000 часов, при 200 C - 300-500 часов. Подшипники с сухой смазкой (графитовые) не требуют добавления смазки в течение всего срока службы.
Керамические подшипники из нитрида кремния Si3N4 обладают рядом преимуществ для высокотемпературного оборудования: работоспособность при температурах до 1000 C, коэффициент теплового расширения в 3,5-4 раза меньше стали (3,2-3,4×10⁻⁶ против 12×10⁻⁶ 1/°C), возможность работы без смазки (самосмазывающиеся свойства), коррозионная стойкость, меньшая масса (плотность 3,2 г/см³ против 7,8 г/см³ у стали). Однако керамические подшипники более хрупкие и чувствительны к ударным нагрузкам и резким перепадам температуры (тепловым шокам).
Основные признаки, указывающие на необходимость замены: повышение температуры корпуса на 15-20 C выше нормы, увеличение уровня вибрации, появление характерного шума (гула, скрежета), обнаружение радиального или осевого люфта, визуальные следы перегрева (изменение цвета корпуса, выдавливание смазки). При обнаружении любого из этих признаков рекомендуется провести детальную диагностику и при необходимости заменить подшипник.
Срок службы высокотемпературных подшипников существенно меньше, чем у стандартных, и зависит от условий эксплуатации. При температуре 150 C и правильном обслуживании ресурс составляет 15000-25000 часов. При температуре 250 C ресурс сокращается до 5000-10000 часов. Подшипники с сухой графитовой смазкой при низких скоростях (до 50 об/мин) могут работать 20000-30000 часов при условии отсутствия ударных нагрузок.
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
- Линейные подшипники LM-L-UU
- Роликовые подшипники 280 мм
- Радиальные шариковые подшипники NSK
- Подшипники шариковые радиальные сферические NACHI
- Подшипники IKO
- Подшипники роликовые радиально-упорные(конические) NKE
- Важность торцевых крышек в защите подшипниковых узлов
- Подшипники NTN
- Подшипники для корпусов ASAHI
- Роликовые подшипники SKF
- Аналоги подшипников: как подобрать замену SKF, FAG, NSK
- Биметаллические подшипники скольжения: конструкция и применение
- Биметаллические подшипники скольжения
- Шариковые подшипники
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно информационно-ознакомительный характер и не является руководством к действию. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия, возникшие в результате использования информации из данной статьи. При проектировании, подборе и эксплуатации подшипников для высокотемпературного оборудования необходимо руководствоваться действующими нормативными документами, техническими каталогами производителей и привлекать квалифицированных специалистов. Решения о применении конкретных типов подшипников должны приниматься на основании расчетов и с учетом всех факторов эксплуатации.
Источники
- ГОСТ 520-2011. Подшипники качения. Общие технические условия (с Поправкой). Межгосударственный стандарт.
- ГОСТ 24810-2013. Подшипники качения. Внутренние зазоры (соответствует ISO 5753-1:2009, ISO 5753-2:2010).
- ГОСТ 3395-89. Подшипники качения. Типы и конструктивные исполнения.
- ГОСТ 18855-2013. Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс.
- ISO 5753-1:2009. Rolling bearings - Internal clearance - Part 1: Radial internal clearance for radial bearings.
- ISO 492:2014. Rolling bearings - Radial bearings - Geometrical product specifications (GPS) and tolerance values.
- SKF Group. Rolling bearings catalogue. High temperature bearings (VA201, VA208, VA228). Technical documentation 2024.
- Schaeffler Technologies. Technical Pocket Guide. Bearings for high temperatures. FAG/INA product catalogue.
- NTN-SNR. High temperature bearings. Technical documentation and application guide.
- BECO Italy. High temperature bearings catalogue. Series BHTS, BHT. Technical specifications.
- Справочник конструктора-машиностроителя. Под ред. В.И. Анурьева. Том 2. Подшипники качения. М.: Машиностроение.
- Перель Л.Я., Филатов А.А. Подшипники качения. Расчет, проектирование и обслуживание опор. М.: Машиностроение.
