Охлаждение подшипников воздухом: Охлаждение подшипников

Охлаждение подшипников

05.07.2017

Этот вопрос часто задаётся в Сети. Очевидно, проблема нагрева и охлаждения подшипников для специалистов по эксплуатации оборудования очень актуальна. В настоящей статье не хотелось бы повторяться о причинах нагрева подшипников — эти причины были подробно рассмотрены в двух более ранних статьях под одноименным названием «нагрев подшипников». Поэтому предлагаю перейти к способам компенсации последствий перегрева подшипников.

Последствиями перегрева, разумеется, являются повышенный износ и поломка подшипников, а также потеря свойств смазочного материала.

Рис. 1 Цвета побежалости на внутреннем кольце шарикового подшипника

 

Радикальным решением проблемы охлаждения подшипников выступает организация жидкостной (масляной) системы смазки, которая обладает естественными достоинствами:

1. смазывание,
2. охлаждение,
3. удаление из узла трения продуктов износа,
4. обеспечение чистоты системы смазки и фильтрация масла.

Для выполнения перечисленных функций конфигурация жидкостной системы смазывания должна включать в себя соответствующие компоненты:

• резервуар с маслом (масляный бак),
• масляные насосы (основной, дополнительный и резервный), агрегатированные с соответствующими электродвигателями,
• система трубопроводов,
• герметичные корпуса подшипников и система уплотнений,
• теплообменники для охлаждения масла (если охлаждение масла в маслобаке недостаточно),
• систему фильтрации масла.

Как видим, жидкостная система смазки представляет собой довольно сложное и дорогостоящее оборудование, выполняющее лишь вспомогательную функцию. Учитывая это, конструктор стремиться всеми техническими средствами и ухищрениями упростить конструкцию оборудования, применив локальную смазку с использованием пластичных смазочных материалов. На этапе проектирования и производства это возможно, но как быть с действующим оборудованием?

Отметим, что оснастить действующее оборудование жидкостной системой смазки очень сложно и недешево. Поэтому, если оборудование смазывается пластичными смазками, то для решения задачи по охлаждению подшипников рассмотрим иные способы, используя достоинства и возможности имеющейся системы.

Впрочем, существует опыт оснащения действующего оборудования жидкостными системами смазки типа «масло-воздух» и их разновидностями, но практический опыт показывает, что эксплуатация таких систем требует высокой культуры производства, которая не всегда достижима. Гораздо рациональнее модернизировать существующую смазку подшипников с использованием пластичных смазочных материалов.

Рис. 2 Система смазки масло-воздух

 

И вот почему.

Прежде всего, локальная смазка подшипников имеет предельно простую конструкцию, состоящую из, собственно, подшипника и смазки. Кстати, уплотнения для пластичных смазок часто применяются номинальные. Это могут быть и простейшие манжетные кольца, и лабиринтные уплотнения, и простая сальниковая набивка, и др. Более надежные и герметичные уплотнения в этом случае не требуются, ведь пластичная смазка за счет тиксотропных свойств сама выступает уплотняющей средой.

Однако вернёмся к проблеме охлаждения подшипников, которые смазываются пластичными смазками. Как быть в случае, когда вся система смазки состоит из смазки?

Предлагаю разделить решение задачи на 2 уровня.

5. Первый уровень будет заключаться в организации воздушного обдува корпуса подшипника, а также оснащении оборудования центральной системой подачи смазки.
5. Второй уровень будет подразумевать использование «правильных» подшипников и смазок.

Охлаждение подшипников

Итак, организовать обдув подшипникового узла воздухом с помощью простейшей крыльчатки, установленной на вал, по силам инженерам любого предприятия и даже простым народным умельцам. Подробно писать об этом не буду.

А вот об оснащении оборудования централизованной системой смазки поговорим более подробно.

Во-первых, централизованные системы смазки (ЦСС) в последнее время стали модным трендом. Оборудование для ЦСС предлагают различные производители, причем, «под ключ». Наиболее крупные и авторитетные из них – компании Lincoln и Vogel (SKF). Так что оснастить оборудование центральной смазкой довольно просто и относительно не дорого.

Рис. 3 Централизованная система смазки действующего оборудования

 
Во-вторых, если оборудование оснащено ЦСС с завода-изготовителя, то решение и вовсе упрощается. Предстоит только опытным путем подобрать интенсивность подачи смазочного материала в подшипниковый узел.

Для лучшего охлаждения подачу смазки следует увеличить. Это одновременно создаст дополнительное охлаждение и улучшит условия смазывания за счет более быстрого обновления смазки в узле.

Рис. 4 Принципиальная схема централизованной системы смазки (ЦСС)

 

Использование «правильных» подшипников

Решение проблемы нагрева подшипников за счет использования их особенностей является мероприятием, призванным предотвратить как нагрев, так и его вредное воздействие. Правильным подбором типа подшипника мы можем заметно уменьшить нагрев.

• При малых нагрузках и высоких скоростях шариковые подшипники греются меньше, чем роликовые. При высоких нагрузках и малых скоростях всё наоборот и предпочтение следует отдать роликовым подшипникам.

• Использованием высокотемпературных подшипников с увеличенными тепловыми зазорами мы можем существенно снизить их износ при нагреве.

«Правильные» смазки

Под «правильными» смазками в данном контексте я также подразумеваю высокотемпературные смазки, стойкость и смазывающие свойства которых при высоких температурах способны улучшить условия работы подшипника.

Итак, о высокотемпературных смазках.

Если мы не можем существенно снизить нагрев подшипников известными средствами, то нам следует компенсировать влияние повышенных или высоких температур использованием более стойких к температурам смазок.

Если же причина повышенной температуры в подшипниках связана с разогревом его деталей от трения и высоких удельных давлений, то следует начать с применения смазки с более высокими трибологическими свойствами.

Трибологические свойства это смазочные свойства, представляющие собой сочетание противоизносных и противозадирных характеристик смазочного материала.

Примером служит опыт решения проблемы разогрева подшипников пресс-грануляторов в производстве топливных гранул и комбикормовом производстве. Особенностями работы пресс-гранулятора (пеллетного пресса) является малая скорость вращения подшипников катков и высокие удельные давления, обусловленные усилием прессования. Применение смазок на комплексе сульфоната кальция позволило одновременно снизить разогрев подшипников и расширить верхний температурный предел смазки.

Для решения вышеописанной задачи предлагает своё решение известная в России отечественная компания АРГО. Сульфонатно-кальциевая смазка АРГО, позволившая добиться отличных результатов, называется TermoLub S 370 HDS. Вот характеристики этого продукта:

О положительном опыте применения АРГО TermoLub S 370 HDS можно более подробно прочитать на страницах моего блога в более ранних статьях о пеллетном и комбикормовом производствах, а также о сульфонатно-кальциевых смазках.

В заключение статьи хотелось бы подвести итог. Снизить нагрев подшипника и компенсировать вредное воздействие высоких температур возможно, но только реализовав комплексный подход в решении этой задачи. Вот аспекты комплексного решения:

1. Применить соответствующий нагрузочно-скоростным режимам работы узла тип подшипника (шариковый – роликовый),
2. Использовать высокотемпературные подшипники с увеличенными тепловыми зазорами,
3. Организовать централизованную смазку подшипниковых узлов и установить оптимальную для охлаждения интенсивность подачи смазки,
4. Предусмотреть принудительный обдув подшипникового узла посредством вентилятора,
5. Пересмотреть используемые смазки с точки зрения соответствия вязкостно-нагрузочных свойств реальным режимам работы оборудования, применив более оптимальные.
6. Применить высокотемпературные смазки, отдав предпочтение смазкам с улучшенными трибологическими свойствами, позволяющими снизить разогрев подшипников при высоких нагрузках.

На этом свой рассказ завершаю и приглашаю принять участие в обсуждении практических вопросов. Напоминаю свой e-mail: [email protected].

До новых встреч на страницах блога!

Павел Надежный

Способы охлаждения подшипников качения

Если шариковый или роликовый подшипник исправен, правильно смонтирован и работает в нормальных условиях, чаще всего его температура при эксплуатации не вызывает опасений и деталь в охлаждении не нуждается. Но бывают ситуации, когда опора используется под большим нагрузками или в условиях повышенной температуры окружающей среды. В таких случаях может потребоваться охлаждение поры качения, которое в современной механике организовывается 5 основными способами.

Правильный выбор типа подшипника

Тела качения и дорожки подшипников могут нагреваться по нескольким причинам. Это микропроскальзывание тел качения, гистерезис, вызванный возникновением напряжений в материале, трение между телами качения и сепараторами и дорожками, процессы, происходящие в смазке. В каждом случае тепло может выделяться с разной интенсивностью – это зависит от типа опоры, свойств и количества смазки, воздействующей нагрузки и скорости.

Не последнюю роль в этом играет форма тел качения. Шариковые узлы нагреваются меньше чем роликовые при высоких скоростях и небольших нагрузках и наоборот – при малой частоте оборотов и больших усилиях лучше держат оптимальную температуру роликовые детали. Этот фактор принято учитывать при выборе подшипника – после грузоподъемности и скоростных характеристик этот момент часто играет одну из ключевых ролей при конструировании узла вращения.

Тип смазки

Смазывание опоры качения консистентной смазкой организовать гораздо проще, чем жидкой, но этот материал не всегда подходит с точки зрения охлаждения. Только смазывание жидкими материалами дает возможность полностью держать под контролем температуру подшипника. В тех случаях, когда технология оборудования связана с выделением большого количества тепла, например, в газотурбинах, система жидкой смазки становится единственным подходящим вариантом.

Не стоит забывать, что при использовании систем подачи жидкой смазки иногда возникает необходимость предусмотреть принудительное охлаждение масла. Этот процесс может быть реализован самыми различными способами, начиная от применения простых теплообменников и заканчивая установкой специальных холодильных установок.

Уровень масла

Если подшипник смазывается в масляной ванне или способом разбрызгивания, то уровень масла в емкости оказывает большое влияние на рабочую температуру изделия. Принято выбирать уровень на середине нижней части опоры – по центру тела качения, которое находится в самой нижней точке детали. Но если вал вращается с большой скоростью, такого уровня может быть недостаточно.

В процессе работы, по разным, порой не зависящим от нас причинам, уровень смазки может существенно снизиться, что приведет к масляному голоданию узла и выходу опоры из строя. В таких случаях может выручить маслоотражатель – несложное приспособление, направляющее смазку на рабочие зоны подшипника и создающее вокруг детали масляный туман. В таких случаях нет необходимости постоянного контроля уровня и работа узла более безопасна.

Поток смазки

Обычно для эффективной работы подшипника качения достаточно тонкой масляной пленки. Большие объемы масла не снижают коэффициент трения, но могу быть полезны с точки зрения охлаждения опоры. Но правило «больше – значит лучше» работает здесь далеко не всегда – зависимость между потоком смазки и температурой достаточно сложна.

Интенсивная подача смазки способствует отводу тепла, но, в то же время, ее движение и процессы завихрения в потоке масла могут сами по себе становиться причиной повышения температуры. Для правильного выбора характеристик потока в наши дни используют компьютерное моделирование, помогающее учесть все факторы системы и минимизировать риски, связанные с завихрениями.

Обдув воздухом

Системы, не использующие рециркуляцию смазки, опора охлаждается, в основном, за счет отдачи тепла в окружающую среду через корпус. Известно, что движущиеся потоки воздуха гораздо больше способствуют охлаждению, чем неподвижный объем, поэтому организация обдува корпуса подшипника воздухом – отличный способ обеспечить охлаждение опоры.

Но при таком способе охлаждения нельзя допускать непосредственного обдува подшипника воздушным потоком, так как это может вызвать его загрязнение пылью и другими частицами, присутствующими в окружающей среде. Если подшипник используется без корпуса, то лучше всего выбрать для использования с воздушным охлаждением модель, закрытую уплотнениями, с консистентной смазкой внутри.

Воздушное охлаждение – один из наиболее доступных способов решения проблемы повышения температуры подшипника. Его организация не требует использования сложных систем и серьезных вмешательств в конструкцию узла. Часто ограничиваются установкой на валу крыльчатки, обеспечивающей перемещение воздуха вокруг детали в процессе ее работы.

Охлаждение подшипников: частое неправильное использование сжатого воздуха и способы его устранения

Пол Эдвардс, Compressed Air Consultants, Inc.

Одно наблюдение, которое я сделал за 30 лет работы с системами сжатого воздуха, заключается в том, что никогда нельзя недооценивать изобретательность заводского персонала, когда дело доходит до неправильного использования сжатого воздуха. Мы видим что-то новое практически на каждом заводе, который посещаем, но одна из наиболее распространенных проблем, с которыми мы сталкиваемся, связана с использованием дорогого воздуха для охлаждения подшипников.

Во время недавнего визита мы выявили неправомерное использование сжатого воздуха, которое усугублялось установкой. Как показано на этой фотографии, персонал завода протянул шланг от ближайшего чикагского фитинга. У них не хватило шланга, и, как следствие, конец шланга находился в 3 ½ футах от подшипника. На этом расстоянии поток воздуха значительно рассеивался, и, возможно, только 10 из 60 кубических футов в минуту, выбрасываемых из шланга, соединялись с целевой зоной охлаждения.

Недостаток предусмотрительности в данном конкретном случае вряд ли удивителен, поскольку у операторов возникла проблема, и они придумали самый быстрый из известных им способов ее решения. К несчастью для завода, это был также чрезвычайно дорогой способ сделать это.

Неправильное использование создает множество проблем

Охлаждение подшипников часто применяется для перегрева подшипников, а также для подшипников с маргинальными нагрузками в жаркой среде. Как правило, оператор берет ближайший шланг для сжатого воздуха и привязывает его к подшипнику в том или ином месте в зависимости от того, что ему наиболее удобно. Оператор обычно несколько закрывает клапан подачи воздуха, чтобы сэкономить воздух, и делает это на основе звука, а не правильной температуры подшипника. Проблема с этой стратегией состоит из трех частей.

Одной из основных проблем является стоимость. Сжатый воздух — это дорогостоящий метод охлаждения подшипника. Довольно часто охлаждение подшипника стоит 10 000 долларов, если его использовать постоянно. В качестве примера мы провели аудит завода, на котором применялся этот метод на одном подшипнике. Восемь лет спустя воздух все еще использовался, но на более низком уровне. Однако за эти восемь лет завод понес около 88 000 долларов эксплуатационных расходов на охлаждение этого подшипника.

Вторая проблема — надежность. Если подается слишком много воздуха, надежность может стать проблемой, если корпус подшипника расширяется с одной стороны и слишком сильно сжимается с другой стороны. В этом случае сторона источника тепла расширяется, а сторона, охлаждаемая сжатым воздухом, сжимается, как показано на рис. 1. 

Рисунок 1. Корпус подшипника

Третья проблема представляет собой еще большую проблему надежности, которая может возникнуть, поскольку воздух может повредить датчик температуры, защищающий подшипники от перегрева. На этих тепловизионных изображениях оператор как можно лучше направлял воздушную трубку на корпус подшипника. К сожалению, ему удалось охладить уголок подшипника и термодатчик в меньшей степени.

На изображениях со 2 по 4 (сверху слева направо) показано охлаждение по мере того, как воздушная пика перемещается в центральное положение на подшипнике.

Изображения 5 и 6 были сделаны через одну и две минуты после того, как воздушная трубка была перемещена в исходное положение. Обратите внимание, как быстро нарастает температура в остальной части корпуса подшипника. Нажмите здесь, чтобы увеличить.

Что открыло глаза персоналу завода в этом случае, так это основная причина проблемы и стоимость ее устранения. Основная причина заключалась в том, что завод не закупил специализированный инструмент, необходимый для правильной установки подшипника на вал двигателя. Этот инструмент стоил 2000 долларов. Годовая стоимость использования пневматической фурмы составила 9000 долларов США.

Улучшенные варианты охлаждения подшипников

Вот четыре подхода к решению этой проблемы, различающиеся по стоимости и эффективности в обратном порядке эффективности.

Первый метод заключается в использовании воздушного двигателя для охлаждения, такого как тот, который используется на канадском заводе, как показано здесь. Этот конкретный воздушный двигатель использовал 98 кубических футов в минуту воздуха.

Второй метод заключается в использовании усилителя воздуха, который представляет собой всего лишь небольшой воздушный двигатель для любых целей. Его достоинство как раз в том, что он использует меньшее количество воздуха. Многие операторы, использующие пневмодвигатели, не знают о существовании пневмоусилителей.

Например, на одном заводе персонал установил довольно большой воздушный усилитель, как показано на рисунке, но только взломал подающий клапан. Результатом стал более холодный подшипник и потребность в воздушном потоке в шесть кубических футов в минуту.

Третий вариант — использование пневматического двигателя с электродвигателем или вентилятора. В большинстве случаев они имеют тенденцию производить большие объемы воздуха. Показано одно из таких приложений.

В этой ситуации задействован двигатель мощностью 0,75 лошадиных сил (л.с.), поэтому он фактически использует половину энергии, которую использовал воздушный усилитель в предыдущем примере. Это означает, что переход на полностью электрическую энергию дает энергетическое преимущество. Однако следует учитывать разницу в стоимости. Электрические воздушные двигатели стоят от 500 до 3000 долларов, тогда как воздушные усилители доступны в диапазоне 100 долларов. Интересно, что если на заводе нет вентилятора с приводом от электродвигателя, то усилитель воздуха в руках знающего профессионала может быть лучшим выбором в финансовом отношении и на световые годы лучше, чем шланг под открытым небом.

Четвертый вариант основан на ситуации и альтернативных источниках воздуха. На некоторых заводах поблизости может находиться источник воздуха низкого давления с избыточной мощностью. Если небольшое количество воздуха может быть отведено от источника, то этого может быть достаточно для достаточного охлаждения подшипников. По сути, это бесплатное охлаждение.

Как показано, подшипники используются в устройстве, называемом комковым дробилкой, которое работает в системе, называемой охладителем. Это устройство питается от вентилятора мощностью 10 000 кубических футов в минуту. Откачивание 200 станд. куб. футов в минуту для этого приложения — капля в море, которую система никогда не заметит. За счет бурения скважины, добавления трубы и пары клапанов окупаемость измеряется от нескольких дней до недель.

Извлеченные уроки

Из этого опыта можно извлечь несколько важных уроков. Во-первых, необходимо провести анализ, чтобы понять основную причину. Это, в свою очередь, позволит предприятию принять наиболее экономически разумное решение относительно того, как решить проблему. Во-вторых, заводской персонал должен быть обучен стоимости всех этих подходов к охлаждению подшипников. Наконец, персонал должен быть оснащен необходимыми инструментами для решения этих проблем с наименьшими затратами. Это включает в себя использование тепловизионной системы. Учитывая доступность тепловизионных насадок для смартфонов по цене менее 400 долларов США, эта технология является обязательной для обслуживающего персонала в тяжелой промышленности.

За дополнительной информацией обращайтесь к Полу Эдвардсу, президенту Compressed Air Consultants, Inc., тел.: (704) 376-2600, электронная почта: [email protected] 0 , или посетите веб-сайт 6 www.loweraircost.com .

Чтобы узнать больше  Оценка систем конечного использования  на предприятиях, посетите www.airbestpractices.com/system-assessments/end-uses .

Пять способов охлаждения подшипников качения

Шариковые и роликовые подшипники соответствующего размера хорошо подходят для тяжелых нагрузок и высоких скоростей. Практически нет необходимости беспокоиться о повышении температуры подшипников, по крайней мере, не в «нормальных» условиях эксплуатации. Но существует множество различных условий, которые могут поднять температуру тел качения до такой степени, что это станет проблемой. Например, воздействие чрезвычайно высоких нагрузок и скоростей, высоких температур окружающей среды и горячих технологических жидкостей может быть проблематичным. Вот пять факторов, которые инженеры могут регулировать для охлаждения подшипников: тип подшипника, тип смазки, поток и уровень масла, а также поток воздуха.

Тип подшипника: Существует несколько различных причин перегрева подшипников качения: микроскольжение тел качения на дорожках качения; гистерезис тел качения и материалов качения из-за контактных напряжений; скольжение между сепаратором и телами качения или направляющими поверхностями; скольжение между роликами и направляющими фланцами; сдвиг и турбулентность в смазке.

Количество тепла от каждого из этих источников сильно различается в зависимости от геометрии подшипника, нагрузки, скорости и типа смазки, вязкости и количества. При небольших нагрузках и высоких скоростях шарикоподшипники обычно нагреваются меньше, чем роликоподшипники; при более низких скоростях и более высоких нагрузках подшипники качения могут охлаждаться. Хотя выбор типа подшипника обычно зависит от соображений стоимости и срока службы, разница в повышении температуры также может повлиять на решение в некоторых ситуациях.

Тип смазки: Консистентная смазка обеспечивает простую конструкцию, низкую стоимость и надежную работу, но не отводит тепло. Охлажденное масло, однако, предлагает положительное средство контроля нагрева. Это особенно полезно в таких приложениях, как газовые турбины и насосы для горячих жидкостей, когда технологическое тепло передается подшипнику. Лабораторные тесты показывают, что температуры подшипников практически идентичны при смазке масляным туманом и консистентной смазке.

Расход масла: Подшипники качения нуждаются только в тонкой пленке масла для удовлетворительной смазки. Высокие скорости потока охлаждают подшипники, но не улучшают смазку. Однако взаимосвязь между температурой подшипника и расходом масла сложна. Хотя более высокие скорости потока увеличивают теплопередачу, они также увеличивают количество тепла, выделяемого турбулентностью и взбалтыванием масла.

Обычно температура подшипников обычно падает с увеличением расхода, затем выравнивается или даже повышается. В высокоскоростных устройствах, таких как газовые турбины, большая часть масла может перемещаться вокруг подшипника для поддержания охлаждения и снижения турбулентности масла.

Для ранее существовавших машин оптимальный расход масла можно определить экспериментально. Для новых конструкций требуется компьютерное моделирование, особенно для приложений, связанных с активными источниками тепла.

Уровень масла: В системах, использующих масляную ванну или смазку разбрызгиванием, температура подшипников весьма чувствительна к уровню масла в поддоне. Обычная практика установки номинального уровня масла в центре нижнего шарикоподшипника (то есть глубина или высота масла, h, разделенная на диаметр шарикоподшипника, d, составляет 0,5) будет работать в большинстве случаев. Однако на сверхвысоких скоростях даже этого уровня может оказаться недостаточно. А если h/d меньше 0,5, вы рискуете, что несовершенное техническое обслуживание или ненормальные условия эксплуатации приведут к масляному голоданию и катастрофическому выходу подшипника из строя. В таких случаях следует использовать маслоотражатель. Создает масляный туман, не требуя точного контроля уровня масла.

Поток воздуха: В системах, в которых не используется рециркуляционное масло, большая часть охлаждения подшипников осуществляется за счет конвекции от корпуса подшипника к окружающему воздуху. Поскольку коэффициент конвекции для движущегося воздуха намного выше, чем для неподвижного, температура подшипников может быть значительно снижена за счет движения воздуха вокруг корпуса. Однако поток воздуха не должен проникать внутрь корпуса, поскольку он приносит с собой грязь, сокращающую срок службы. Герметичные подшипники с консистентной смазкой предотвращают попадание воздуха в корпус.