Proč je kontaktní napětí hybridních keramických ložisek velké, ale jejich životnost je delší než u běžných ložisek?

Hybridní keramická ložiska jsou vhodná pro náročné pracovní podmínky, jako je špatné mazání a vážné znečištění [2-3]. Hybridní keramická ložiska mají díky přirozeně vyšší tuhosti keramického materiálu o něco menší Hertzovu kontaktní plochu, což má za následek větší kontaktní a podpovrchové napětí než celoocelové ložisko stejné velikosti. Teoreticky to vede ke zkrácení únavové životnosti ložiska. Bylo však pozorováno, že v některých specifických aplikacích mají hybridní ložiska delší životnost. Jak vysvětlit tento abnormální jev? Jak to vymodelovat? Tento článek nejen odpovídá na tyto otázky, ale také ukazuje, že obecný model životnosti ložiska může dobře simulovat a vysvětlit pozorování v terénu. Nyní je k dispozici model SKF Generic Bearing Life pro hybridní ložiska.

Materiál kroužku hybridních ložisek je ložisková ocel a materiál valivého tělesa je ložiskový nitrid křemíku (Si3N4) (obr. 1). Nitrid křemíku je keramický (tj. nekovový) materiál vyznačující se vysokou tvrdostí, vysokým modulem pružnosti, vysokou teplotní a chemickou odolností, nízkou hustotou, nízkou elektrickou vodivostí a nízkou tažností. Protože keramické materiály z nitridu křemíku jsou vynikajícími izolanty, lze hybridní keramická ložiska použít ve střídavých a stejnosměrných motorech a generátorech k vytvoření účinné izolace mezi pláštěm a hřídelí. Ve srovnání s celoocelovými ložisky se hybridní ložiska dobře chovají v podmínkách špatného mazání a přítomnosti pevných nečistot, ale kontaktní napětí jsou vyšší kvůli vyšší tuhosti keramických valivých těles při stejném zatížení.

Obrázek 1 Hybridní kuličková a válečková ložiska jsou k dispozici v různých velikostních segmentech

Hybridní ložiska navíc poskytují vyšší rychlost a ve většině případů delší životnost než celoocelová ložiska stejné velikosti za stejných provozních podmínek. Hybridní ložiska také fungují mimořádně dobře v podmínkách vysokého zrychlení, vibrací nebo kyvadlového pohybu. Vysokorychlostní aplikace, jako jsou vřetena obráběcích strojů a turbodmychadla, vyžadují speciální konstrukce ložisek, speciální materiály a mazací systémy. Očekává se, že tento trend bude pokračovat a mnoho dalších moderních průmyslových aplikací rozpozná a využije jedinečné schopnosti hybridních ložisek.

Použití keramiky jako ložiskového materiálu bylo poprvé navrženo v 60. letech 20. století pro výrobu ložisek pro extrémní teploty pro letecké aplikace. Bylo prokázáno, že plně hustý nitrid křemíku lisovaný za tepla má nejlepší odolnost proti únavě valivého kontaktu (RCF) ve srovnání s jinými keramickými materiály, a to prostřednictvím testování na únavu komponentů. Významné rozdíly v odolnosti proti únavě byly také pozorovány mezi výrobními šaržemi zdánlivě identických keramických kuliček. V 80. letech 20. století Lorösch a spol. (1980) [4] provedli testy únavové životnosti hybridních keramických kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem. Pomocí keramických kuliček nejvyšší kvality zjistili, že odolnost proti únavě valivého kontaktu hybridních keramických ložisek byla při stejném zatížení srovnatelná s odolností celoocelových ložisek, a to i přes 12procentní nárůst kontaktního napětí. Dodatečné testy na druhé várce keramických kuliček však zjistily nižší únavovou životnost, což naznačuje, že kvalita keramických kuliček je rozhodující pro životnost únavové životnosti.

Kvalita a spolehlivost keramických valivých těles se za posledních několik let výrazně zlepšila. Díky zavedení metod nedestruktivního testování (NDE) a neustálým pokrokům v čištění a slinování materiálů z nitridu křemíku byli inženýři konečně schopni vyvinout keramické kuličky se spolehlivou odolností proti únavě valivého kontaktu (Galbato et al., 1992)[5]. Z tohoto důvodu se v 90. letech výrazně zvýšilo používání hybridních keramických ložisek ve vřetenech vysokorychlostních obráběcích strojů, což výrazně přispělo k vysokorychlostnímu výkonu a přesnosti těchto mechanických součástí (Cundill, 1993) [6]. Obrázek 2 ukazuje zlepšení únavové pevnosti keramiky (Cundill, 1990) [7], což je
přisuzováno zlepšení procesu slinování lisováním za tepla v průběhu celého výrobního procesu a neustálému snižování poréznosti a povrchových defektů (které lze nyní kontrolovat nedestruktivním testováním).

SUN RISES GROUP LIMITED SKF Hybridní keramická ložiska Zobrazení inventáře;