Смазки для подшипников. Лучшие пластичные материалы

Подшипники широко используются в различном промышленном оборудовании, технике, легковых и грузовых автомобилях, спортивном инвентаре и т.д. Свою распространенность они получили благодаря простоте устройства и невысокой стоимости.

В процессе эксплуатации на эти узлы воздействуют различные нагрузки, скорости, высокие и низкие температуры. Без должного обслуживания они быстро выходят из строя. Снизить их износ, защитить их от температурного воздействия, коррозии и прочих факторов, отрицательно влияющих на работоспособность и надежность, позволяют специальные смазки.

Сравним наиболее известные смазки для подшипников и выберем из них лучшую.

ТОП-5 пластичных смазок для подшипников

Зачем нужны подшипники?

Подшипники – это узлы, которые являются частью опор вращающихся валов и осей. Они принимают осевые и радиальные нагрузки, которые приложены к оси или валу, и передают их на другие части конструкции, например корпус или раму. Они также должны обеспечивать движение с минимальными потерями и удерживать вал в пространстве. Именно от качества подшипника зависит КПД, срок службы и работоспособность того или иного оборудования.

Выделяют две большие группы подшипников по типу трения. Это узлы качения и скольжения. Отдельной группой стоят магнитные подшипники.

Подшипники скольжения

Подшипники скольжения представляют собой корпус с отверстием, в который запрессована втулка. Наиболее распространенная конструкция состоит из разъемного корпуса и вкладыша, выполненного чаще всего из цветного металла. Зазор, находящийся между отверстием втулки подшипника и валом, позволяет валу свободно вращаться.

В зависимости от условий эксплуатации, окружной скорости цапфы и конструкции выделяют следующие виды трения: жидкостное, граничное, сухое и газодинамическое. В подшипниках, где трение жидкостное, в момент пуска проходит этап граничного.

Смазочный материал – это одно из основных условий надежной работы подшипника. Он обеспечивает разделение подвижных частей, низкое трение, отводит тепло и защищает от агрессивного внешнего воздействия. Выделяют жидкие, пластичные, твердые и газообразные смазочные материалы.

Самые высокие эксплуатационные свойства отмечаются у пористых самосмазывающихся подшипников, которые изготавливаются методом порошковой металлургии. В процессе работы они нагреваются и выделяет смазочный материал из пор. Так смазка попадает на рабочие поверхности. В состоянии покоя она впитывается обратно.

Подшипники скольжения можно разделять по форме подшипникового отверстия (одно- или многоповерхностные, со смещением поверхностей или без, со смещением центра или без), по направлению восприятия нагрузки (радиально-упорные, осевые, радиальные), по конструкции (встроенные, разъемные, неразъемные), по количеству масленок (с одним или несколькими клапанами), регулируемые и нерегулируемые.

К преимуществам подшипников скольжения относят:

• Простую конструкцию
• Экономичность при больших диаметрах валов
• Способность выдерживать большие вибрационные и ударные нагрузки
• Надежность в приводах, работающих при высоких скоростях
• Возможность регулировки зазора
• Возможность установки на шейки коленчатых валов разъемных подшипников

Из недостатков можно выделить пониженный КПД, высокие требования к чистоте смазочного материала и температуре, неравномерный износ цапфы и подшипника, большой расход смазки, большие потери на трение при пуске, сравнительно большие осевые размеры.

Подшипники качения

Подшипники качения работают преимущественно в условиях трения качения. Они состоят из 2 колец, тел качения, сепаратора, который отделяет тела качения друг от друга, удерживает на одинаковом расстоянии и направляет их движение. Снаружи внутреннего кольца и внутри наружного кольца расположены желоба, по которым перемещаются тела качения.

С целью уменьшения габаритов, а также для повышения жесткости и точности в некоторых узлах техники задействованы совмещенные опоры. Они представляют собой желоба, которые выполнены непосредственно на поверхности корпусной детали или на валу.

Некоторые виды подшипников качения выпускаются без сепаратора. Они содержат большое количество тел качения и отличаются большей грузоподъемностью. Отрицательной стороной отсутствия сепаратора является снижение предельных частот вращения вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

Подшипники качения бывают шариковыми (радиальные, сферические, упорные, радиально-упорные, радиальные для для корпусных узлов), роликовые с цилиндрическими (радиальные, упорные), коническими (радиально-упорные, упорные), сферическими роликами (радиальные самоустанавливающиеся, упорные самоустанавливающиеся), с игольчатыми роликами (упорные, радиальные, комбинированные), радиальные тороидальные, радиальные с витыми роликами, комбинированные, роликовые и шариковые опорные, опорно поворотные устройства.

В сравнении с подшипниками скольжения, узлы качения обладают следующими преимуществами:

• Меньшие потери на трение
• Более высокий коэффициент полезного действия
• Момент трения при пуске меньше в 10-20 раз
• Простота обслуживания и замены
• Меньший расход смазки
• Низкая стоимость
• Простота ремонта оборудования
• Экономия цветных металлов, которые нужны при производстве подшипников скольжения

К недостаткам подшипников качения относят сложность установки и монтажа узлов, шум при работе, непригодность для работы при высоких вибрационных и ударных нагрузках, высокую стоимость при небольших партиях, ограниченную возможность применения в условиях очень высоких нагрузок и высоких скоростей, повышенную чувствительность к погрешностям при установке.

Магнитные подшипники

Магнитные подшипники (подвесы) работают по принципу левитации, которая создается магнитными и электрическими полями. Благодаря этому можно осуществить подвес вращающегося вала без физического контакта и обеспечить его вращение без износа и трения.

По принципу действия магнитные подшипники делятся на магнитогидродинамические, сверхпроводящие, диамагнитные, кондукторные, индукционные, LC-резонансные, электростатические, активные и на постоянных магнитах.

Сегодня наибольшей популярностью пользуются активные магнитные подшипники (АМП). Это мехатронные управляемые устройства, где положение ротора стабилизируется при помощи сил магнитного притяжения, которое действует на ротор со стороны электромагнитов. Система автоматического управления регулирует в них ток посредством сигналов датчиков перемещения ротора.

Полный бесконтактный подвес ротора осуществляется при помощи одного осевого АМП и двух радиальных, либо двух конических АМП. Именно поэтому такая система содержит и подшипники, которые встроены в корпус машины, и электронный блок управления, который соединен с датчиками и обмотками электромагнитов при помощи проводов. Обработка сигналов может быть как аналоговой, так и цифровой.

К преимуществам активных магнитных подшипников относят:

• Относительно высокую грузоподъемность
• Возможность применения при высоких скоростях, низких и высоких температурах, вакууме и т.д.
• Высокую механическую прочность
• Возможность создания неконтактной устойчивой подвески тела
• Возможность изменять жесткость и демпфирование в широких пределах

Для работы активных магнитных подшипников требуется сложная и дорогостоящая аппаратура, а также внешний источник энергии. К сожалению, все это сильно снижает надежность и эффективность всей системы. Поэтому в настоящее время ведутся разработки пассивных магнитных подшипников (ПМП). Например, высокоэнергетические постоянные магниты на основе неодим-железо-боре (NdFeB), которые не требуют сложных систем регулировки.

Область применения подшипников

Область применения подшипников скольжения обусловлена отсутствием возможности использования подшипников качения. Например, они широко распространены в оборудовании с высокой частотой вращения: в центрифугах, станках и т.д. Но в условиях, при которых подшипники эксплуатируются, их срок службы относительно мал.

Также подшипники скольжения применяются в случаях, когда узел должен быть разборным, например, подшипник коленчатого вала, когда узел должен работать под воздействием высоких ударных нагрузок и/или обладать малыми геометрическими размерами (стартеры).

В сельскохозяйственной технике применение этих подшипников обусловлено условиями эксплуатации: агрессивные среды, тяжелые нагрузки, низкие скорости, влажность.

Незаменимы они в металлообрабатывающем оборудовании. Так в прокатных станах вместо подшипников качения используются текстолитовые вкладыши. Это обусловлено тем, что вал к вкладышу должен прилегать не менее, чем на 60 %.

Подшипники качения широко применяются в различном электрическом оборудовании. В отличии от узлов скольжения, они менее подвержены износу. Это особенно важно для техники, где малые воздушные зазоры, меньшие потери на трение и длительная эксплуатация без замены смазочного материала.

В малогабаритных электрических машинах используются закрытые подшипники с одной или двумя защитными шайбами. Это обусловлено тем, что для их установки не требуется специальных уплотнителей для удержания смазочного материала, так как уплотнения уже встроены в сам подшипник.

Помимо различных электрических машин подшипники качения применяются в узлах авиационной техники, где нет высоких удельных нагрузок, различных скоростных приборах, автомобильной технике (выжимные, ступичные и т.д.), конвейерных системах, судоходной, сельскохозяйственной специальной технике, грузовых автомобилях и т.д.

Активные магнитные подшипники применяются в турбокомпрессорах, турбовентиляторах, турбомолекулярных насосах, электрошпинделях, турбодетандерах (криогенная техника), газовых турбинах и турбоэлектрических агрегатах и инерционных накопителях энергии.

Виды смазочных материалов для подшипников

Регулярное обслуживание подшипников является залогом их длительной, эффективной и надежной работы. Но нельзя просто так взять и заложить любую смазку в узел. Нужно руководствоваться определенными требованиями производителя детали. Смазочный материал закладывается так, чтобы были покрыты все рабочие поверхности подшипника: сепаратор, ролики или шарики, дорожки качения. Низкоскоростные подшипники заполняются полностью. В скоростных узлах, где значение DN превышает 400000 об/мин смазка должна занимать 1/4 пространства. Во всех остальных случаях она закладывается на 1/3 объема.

Для обслуживания подшипников используются масла, пластичные смазки, твердые смазочные материалы и газы.

Масла

Масло для подшипников применяется в случаях, когда узлы работают при высоких температурах и скоростях. Оно обеспечивает их постоянное охлаждение путем отвода тепла в окружающую среду.

Выделяют синтетические, полусинтетические и минеральные масла. Синтетика производится на основе полимеров и различных соединений органических кислот. Сегодня на рынке представлены полиальфаолефиновые (ПАО), полигликолевые (ПАГ) и эфирные масла. По сравнению с минеральными, они практически не подвержены изменениям вязкости при перепадах температур и не теряют своих характеристик в агрессивной среде.

Минеральные масла изготавливают на основе продуктов нефтепереработки. Для усиления их рабочих свойств в состав материалов вводят различные присадки. Наряду с синтетикой, они широко используются в подшипниках качения и скольжения.

Полусинтетика изготавливается на основе минеральных и синтетических масел.

Масла выполняют несколько важный функций:

• Фрикционная. Снижает силу трения при контакте скользящих или вращающихся поверхностей
• Защитная. Образует защитную пленку, которая предохраняет от коррозии и механических повреждений
• Барьерная. Защищает внутренние поверхности подшипника от проникновения механических частиц и агрессивных веществ
• Терморегулирующая. Снижает вероятность перегрева путем отвода тепла наружу

Несмотря на то, что для обслуживания необходимо использовать рекомендованные производителем подшипников масла, но бывает, что рекомендации отсутствуют и неизвестно, каким смазочным материалом воспользоваться. В этих случаях при подборе необходимо исходить из условий эксплуатации.

В подшипники, которые работают при низких температурах, рекомендуются масла с температурой застывания на 15-20 ˚С ниже условий эксплуатации. Например, если подшипник работает при температуре -20 ˚С, смазочный материал должен выдерживать минимум -35 ˚С. При этом вязкость продукта должна быть минимальной. Для смазывания высокотемпературных узлов нужно применять вязкие масла.

Чем выше угловая скорость вращения подшипника, тем меньше должна быть вязкость смазки. Если подшипник эксплуатируется при частых пусках, остановах и реверсах, масло должно быть более вязким.

В подшипниках скольжения преимущественно используются синтетические масла. В подшипниках качения вязкость материала определяется конструкцией детали. Например, в цилиндрических и шариковых подшипниках вязкость масла должна составлять не менее 13 мм²/с, в сферических и конических – не менее 20 мм²/с, в упорных – не менее 13 мм²/с.

Масла в подшипники поступают несколькими методами:

• Погружение (для низких и средних скоростей)
• Капельная подача (для быстроходных подшипников)
• Масляный туман (для высоких и сверхвысоких скоростей)
• Разбрызгивание (коробки передач, редукторы)
• Циркуляционная система смазки (высокие температуры и скорости)
• Струйная смазка (сверхвысокие скорости)

Пластичные смазки

Они представляют собой мази, которые служат для снижения трения. По сравнению с маслами они лучше удерживаются на вертикальных поверхностях, не выходят из контакта с взаимодействующими поверхностями и герметизируют смазываемые узлы.

Пластичные смазки применяют, если подшипники работают при малых, средних, высоких скоростях и/или ударных нагрузках. В отличие от масел, пластичные смазки имеют более широкую область применения и подходят практических для любых условий эксплуатации узлов.

В зависимости от факторов работы подшипников выделяют:

• Универсальные смазки
• Высокотемпературные смазки для подшипников
• Морозостойкие смазки
• Смазки для высокоскоростных подшипников
• Смазки для высоких и экстремально высоких нагрузок
• Смазки для оборудования пищевой промышленности
• Смазки для узлов, работающих под воздействием химически агрессивных сред
• Шумоподавляющие смазки

Пластичные смазки на 70-90 % состоят из базового масла (минеральное, синтетическое, полусинтетическое) и загустителя 10-15 %. В качестве загустителей используются различные мыла, продукты органического и неорганического происхождения и твердые углеводороды. Именно они позволяют смазке в состоянии покоя вести себя как твердое тело, а под воздействием нагрузок – как жидкое.

По составу пластичные смазки могут быть литиевыми, силиконовыми, полимочевинными и т.д.

Присадки и различные добавки составляют до 5 % от общей массы смазочного материала. Это могут быть противозадирные, антиокислительные, антикоррозионные компоненты и т.д. Для придания дополнительных свойств в смазку добавляют антифрикционные и герметизирующие вещества: порошки цинка, меди или свинца, графит, дисульфид молибдена и др.

По классификации NLGI консистенция смазочных материалов бывает следующей:

• 000 – вязкие и очень густые масла
• 00 – очень мягкие смазки
• 0, 1 – мягкие смазки
• 2 – вазелинообразные
• 3 – почти твердые
• 4 – зернистообразные
• 5 – твердые
• 6 – мылообразные

Данная классификация применяется только к импортным смазкам. В отечественных материалах она не используется.

По типу загустителя смазки могут быть мыльные (на основе солей карбоновых кислот), углеводородные (на основе тугокоплавких углеводородов), неорганические (на основе силикагеля, графита, асбеста и др.) и органические (на основе производных карбамида и кристаллических полимеров).

Твердые смазочные материалы

В чистом виде твердые смазки применяются только в подшипниках скольжения. Они образуют тонкий сухой слой, который снижает износ и трение. Подобные материалы используются в случаях, когда масла и пластичные смазки не соответствуют условиям эксплуатации и требованиям оборудования, например в вакууме, радиации и т.д. Они широко распространены в металлургии, приборостроении и машиностроении.

В качестве твердых смазочных материалов и покрытий на их основе используют политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон), графит, дисульфид молибдена (MoS₂) или мягкие металлы (медь, цинк и т.д.)

Дисульфид молибдена отличается низким коэффициентом трения и в атмосфере, и в вакууме. В инертной атмосфере он термостабилен при температурах до +1100 °С, но в контакте с воздухом применение материала ограничено температурами +350 °С...+400 °С. MoS₂, в отличие от графита и ПТФЭ, обладает более высокой грузоподъемностью. Также материал при работе в вакууме заменяет графит.

Графит обладает низким коэффициентом трения и очень высокой термостабильностью (до +2000 °С). Адсорбированные пары в графите значительно усиливают его смазывающие свойства. Но в сухой среде, например, в вакууме, применение графита может быть ограничено.

При использовании графита при температурах ниже -100 °С следует обеспечить принудительное поступление адсорбированных паров к графитному смазочному слою, так как при отрицательных температурах его коэффициент трения увеличивается.

Из-за окисления при температурах +500 °С...+600 °С применение графита ограничено, но с добавлением неорганических присадок его можно использовать при температурах до +550 °С. В глубоком вакууме материал теряет свои смазывающие свойства, устойчивость к радиации и химическим средам.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) имеет очень низкий коэффициент трения как в атмосфере, так и вакууме. Его можно использовать при температурах от -100 °С до +250 °С. ПТФЭ не отличается долговечностью и высокой грузоподъемностью как другие материалы. Он не используется при высоких температурах, так как обладает низкой теплоотдачей и теплопроводностью, но имеет высокую стойкость к различным агрессивным средам.

Порошки мягких металлов, таких как цинк, индий, медь, серебро, золото и свинец обладают низким коэффициентом трения и в вакууме, и в атмосфере. Они широко применяются при высоких температурах до +1000 °С, а также для смазывания элементов с минимальным скольжением.

Газы

Газовые смазки – это смазки, при которых поверхности трения деталей, находящиеся в относительном движении, разделены газом. Для этого применяют воздух, хладон, неон и азот, а также низковязкие газы, например, водород. Данный вид смазывания применяются в турбокомпрессорах, газовых турбинах, ультрацентрифугах, оборудовании ядерных установок, узлах трения точных приборов.

Существует 3 вида газовой смазки:

• Газодинамическая
• Газостатическая
• Газостатодинамическая (гибридная)

Газодинамическая смазка разделяет поверхности благодаря давлению, которое возникает в слое газа из-за движения поверхностей. Она применяется в низконагруженных и высокоскоростных узлах, например подшипниках компрессоров и ротационных насосов, высокооборотных электродвигателей, ультрацентрифугах.

Газостатическая смазка разделяет поверхности, которые находятся в относительном движении или покое, благодаря газу. Он поступает в зазор между поверхностями под давлением в 0,3 МПа. Данный вид смазки применяется в узлах механических генераторов ультразвука, скоростных центрифуг, высокоскоростных шлифовальных головок.

Газостатодинамическая смазка универсальна. Она объединяет принципы работы газодинамической и газостатической смазки.

Характеристики и свойства смазок

В зависимости от типа и состава все смазочные материалы обладают определенными свойствами. Тем не менее основные характеристики смазок можно унифицировать.

Начнем с прочности смазки для подшипников. Чем она выше, тем меньше вероятность того, что смазочный материал выдавится из подшипника. Данное свойство применимо к пластичным смазкам и маслам. Твердые смазочные материалы и газы лишены данной характеристики. Тем не менее смазка не должна обладать слишком высокой прочности, так как она не сможет свободно попасть в зону трения.

Вязкость смазки определяет ее консистенцию. Она варьируется от очень мягкой до мылообразной в пластичных смазках, и от очень жидкой до очень густой в маслах. Вязкость является непостоянной величиной, так как зависит от внешних факторов: температур, деформации т.п.

Термостойкость определяет верхнюю границу рабочих температур смазочного материала. Чем она выше, тем лучше смазка будет работать при высоких температурах. Если термостойкость недостаточная, то смазочный материал может вытечь из зоны трения, закоксоваться и даже воспламениться. Поэтому термостойкие смазки являются наилучшим решением для работы при высоких температурах.

Морозостойкость определяет нижнюю границу рабочих температур. Если она недостаточная, то смазка загустеет и затруднит движение узлов. Низкотемпературные смазки позволяют узлам бесперебойно работать при отрицательных температурах.

Механическая стабильность определяет поведение смазок после деформации. Изменение свойств зависит от того, насколько интенсивному и продолжительному воздействию они подвергались. Смазки с низким показателем механической стабильности не рекомендуется использовать в негерметичных узлах.

От физико-химической стабильности зависит способность смазочных материалов сохранять свойства и состав в результате окисления, выделения дисперсионной среды или испарения.

Водостойкость – это устойчивость смазки к воздействию воды: вымыванию, растворению. Водостойкие смазочные материалы не впитывают воду и не вступают в химическую реакцию с ней.

Адгезия – это способность смазки удерживаться на различных поверхностях. Материалы с хорошей адгезией липкие на ощупь, трудно смываются и стираются.

Противозадирные, противоизносные, антикоррозионные свойства позволяют смазкам предотвращать заедания и задиры трущихся поверхностей, снижать их износ и защищать от коррозионного воздействия.