چرا تنش تماس بلبرینگ های سرامیکی هیبریدی زیاد است، اما عمر آن بیشتر از یاتاقان های معمولی است؟

بلبرینگ های سرامیکی هیبریدی برای شرایط سخت کاری مانند روغن کاری ضعیف و آلودگی شدید [2-3] مناسب هستند. با توجه به سفتی ذاتاً بالاتر مواد سرامیکی، یاتاقان‌های سرامیکی هیبریدی دارای سطح تماس هرتزی کمی کوچک‌تر هستند و در نتیجه تنش‌های تماسی و زیرسطحی بیشتری نسبت به یاتاقان‌های تمام فولادی با همان اندازه ایجاد می‌کنند. در تئوری، این منجر به کوتاه شدن عمر خستگی بلبرینگ می شود. با این حال، مشاهده شده است که در برخی از کاربردهای خاص، یاتاقان های هیبریدی طول عمر بیشتری دارند. چگونه می توان این پدیده غیرعادی را توضیح داد؟ چگونه آن را مدل کنیم؟ این مقاله نه تنها به این سوالات پاسخ می دهد، بلکه نشان می دهد که یک مدل زندگی یاتاقان عمومی می تواند مشاهدات میدانی را به خوبی شبیه سازی و توضیح دهد. مدل عمر بلبرینگ عمومی SKF برای یاتاقان های هیبریدی اکنون در دسترس است.

مواد حلقه ای یاتاقان های هیبریدی فولاد یاتاقان و مواد عنصر نورد نیترید سیلیکون درجه یاتاقان (Si3N4) است (شکل 1). نیترید سیلیکون یک ماده سرامیکی (به عنوان مثال، غیر فلزی) است که با سختی بالا، مدول الاستیسیته بالا، دما و مقاومت شیمیایی بالا، چگالی کم، هدایت الکتریکی کم و شکل پذیری کم مشخص می شود. از آنجایی که مواد سرامیکی نیترید سیلیکون عایق های عالی هستند، بلبرینگ های سرامیکی هیبریدی را می توان در موتورها و ژنراتورهای AC و DC استفاده کرد تا عایق موثری بین پوشش و شفت ایجاد کند. در مقایسه با یاتاقان‌های تمام فولادی، یاتاقان‌های هیبریدی در شرایط روانکاری ضعیف و وجود آلاینده‌های جامد عملکرد خوبی دارند، اما تنش‌های تماسی به دلیل سفتی بیشتر عناصر نورد سرامیکی تحت بار یکسان بیشتر است.

شکل 1 بلبرینگ و غلتک هیبریدی در بخش های اندازه های مختلف موجود است

علاوه بر این، بلبرینگ های هیبریدی قابلیت سرعت بالاتر و در بیشتر موارد عمر طولانی تری نسبت به یاتاقان های تمام فولادی با همان اندازه در شرایط کاری یکسان دارند. بلبرینگ های هیبریدی نیز در شرایط شتاب زیاد، ارتعاش یا حرکت آونگی عملکرد بسیار خوبی دارند. برنامه های کاربردی با سرعت بالا مانند دوک های ماشین ابزار و توربوشارژرها به طرح های بلبرینگ خاص، مواد خاص و سیستم های روانکاری نیاز دارند. انتظار می رود این روند ادامه داشته باشد و بسیاری از کاربردهای صنعتی مدرن دیگر قابلیت های منحصر به فرد یاتاقان های هیبریدی را بشناسند و از آن بهره ببرند.

استفاده از سرامیک به عنوان یک ماده باربر برای اولین بار در دهه 1960 برای تولید یاتاقان های دمای شدید برای کاربردهای هوافضا پیشنهاد شد. نشان داده شده است که نیترید سیلیکون فشرده داغ کاملاً متراکم بهترین مقاومت در برابر خستگی تماسی غلتشی (RCF) را در مقایسه با سایر مواد سرامیکی از طریق آزمایش خستگی تماسی غلتشی دارد. تفاوت های قابل توجهی در مقاومت در برابر خستگی نیز بین تعداد زیادی توپ سرامیکی به ظاهر یکسان تولید شده مشاهده شد. در دهه 1980، لوروش و همکاران. (1980) [4] تست های عمر خستگی را بر روی بلبرینگ های تماس زاویه ای سرامیکی هیبریدی انجام داد. با استفاده از توپ‌های سرامیکی با کیفیت‌ترین، آن‌ها دریافتند که مقاومت در برابر خستگی تماس غلتشی یاتاقان‌های سرامیکی هیبریدی با یاتاقان‌های تمام فولادی تحت بار یکسان، علی‌رغم افزایش 12 درصدی تنش تماس، قابل مقایسه است. با این حال، آزمایش‌های اضافی روی دسته دوم توپ‌های سرامیکی عمر خستگی کمتری نشان می‌دهد که نشان می‌دهد کیفیت توپ‌های سرامیکی برای عملکرد عمر خستگی بسیار مهم است.

کیفیت و قابلیت اطمینان عناصر نورد سرامیکی در چند سال گذشته به طور قابل توجهی بهبود یافته است. به لطف معرفی روش‌های تست غیر مخرب (NDE) و پیشرفت‌های مستمر در خالص‌سازی و تف جوشی مواد نیترید سیلیکون، مهندسان سرانجام توانستند توپ‌های سرامیکی با مقاومت در برابر خستگی تماس غلتشی قابل اعتماد تولید کنند (Galbato et al., 1992) [5]. به همین دلیل، استفاده از یاتاقان های سرامیکی هیبریدی در دوک های ماشین ابزار با سرعت بالا به طور قابل توجهی در دهه 1990 افزایش یافت و به شدت به عملکرد با سرعت بالا و دقت این اجزای مکانیکی کمک کرد (Cundill, 1993) [6]. شکل 2 بهبود استحکام خستگی سرامیک ها را نشان می دهد (Cundill, 1990) [7] که
به بهبود فرآیند تف جوشی با پرس داغ در طول فرآیند تولید و کاهش مداوم تخلخل و عیوب سطح (که اکنون می توان با آزمایش های غیر مخرب کنترل کرد) نسبت داده می شود.

SUN RISES GROUP LIMITED SKF یاتاقان های سرامیکی هیبریدی نمایش موجودی;