Подшипник с водяной смазкой: принцип работы, материалы, области применения и руководство по выбору.

Подшипники с водяной смазкой широко используются в оборудовании, работающем в воде или вблизи нее, включая судовые силовые установки, гидротурбины и крупные водяные насосы. Вместо масла или смазки в месте контакта подшипника с водой, в этих подшипниках для смазки и охлаждения используется вода.

Идея кажется простой, но разработка надежного подшипника с водяной смазкой — это не просто замена масла водой. Вода имеет гораздо меньшую вязкость, чем смазочное масло, поэтому рабочие характеристики подшипника тесно связаны со скоростью вращения вала, нагрузкой, рабочим зазором, свойствами материала, качеством воды и состоянием вала.

Это особенно важно во время запуска и работы на низких скоростях, а также когда вода содержит песок и другие абразивные частицы.

В этом руководстве рассматривается принцип работы подшипников с водяной смазкой, области их применения, поведение различных материалов, а также то, что инженерам следует учитывать при выборе подшипника для морских, гидроэнергетических или насосных установок.

Подшипники с водяной смазкой: краткий обзор

Что такое подшипник с водяной смазкой?

Подшипник с водяной смазкой — это подшипник скольжения, в котором вода используется между валом и поверхностью подшипника для смазки и охлаждения.

При вращении вала вода затягивается в рабочий зазор. При соответствующей скорости, нагрузке и геометрии внутри водяной пленки возникает давление, которое способствует отрыву вала от поверхности подшипника. Это уменьшает прямой контакт и позволяет подшипнику удерживать вал, контролируя при этом трение и износ.

Подшипники с водяной смазкой обычно встречаются в дейдвудных трубах, системах гребных валов, рулевых системах, гидротурбинах, вертикальных насосах и другом водонапорном оборудовании.

Смазка водой не означает самосмазывание.

Эти два термина иногда используются вместе, но они описывают разные вещи.

Смазанный водойЭто относится к методу смазки. Вода является рабочей смазкой и охлаждающей жидкостью.

Самосмазывающийсяотносится к характеристикам трения самого материала подшипника.

Материал, используемый в подшипнике с водяной смазкой, может также содержать самосмазывающиеся компоненты. Это может помочь во время запуска, остановки и других периодов, когда полная водяная пленка еще не образовалась. Однако самосмазывающийся подшипник не обязательно является подшипником с водяной смазкой.

Это различие имеет значение при выборе материалов и сравнении подшипниковых изделий.

Как работает подшипник с водяной смазкой?

В процессе нормальной работы вращающийся вал затягивает воду в зазор между валом и подшипником. Возникающее в результате давление в водяной пленке поддерживает вал и уменьшает прямой контакт между двумя поверхностями.

Основной процесс выглядит следующим образом:

Вращение вала → вода попадает в зазор → возникает давление водяной пленки → поверхности разделяются → трение и износ уменьшаются

При достаточно высокой скорости вращения вала стабильная гидродинамическая пленка может выдерживать значительную часть нагрузки подшипника.

Наиболее сложные периоды обычно связаны с запуском, остановкой и работой на очень низких скоростях.

Что происходит на этапе запуска стартапа?

До достижения валом рабочей скорости может не хватать гидродинамического давления для поддержания полного водяного слоя. Поэтому части вала и подшипника могут работать в режиме смешанной или граничной смазки.

Именно здесь характеристики трения и износа материала подшипника приобретают особое значение.

Подшипник, используемый в оборудовании, которое запускается несколько раз в день, может, следовательно, иметь иные свойства материала, чем подшипник, используемый в машине, которая запускается один раз, а затем работает непрерывно.

То же самое относится и к временным перебоям в водоснабжении. Материал может выдерживать короткий период сухого запуска, но это ни в коем случае не следует интерпретировать как неограниченную способность к работе всухую.

Вода также является охлаждающей жидкостью.

Вода не только снижает трение, но и отводит тепло от подшипника.

При ограничении подачи воды может ухудшиться как смазка, так и охлаждение. Может повыситься локальная температура, увеличиться трение и ускориться износ подшипников.

По этой причине поток воды неотделим от конструкции подшипника. Диаметр подшипника, длина, скорость вращения, нагрузка, расположение канавок и рабочая температура — все это влияет на количество и распределение необходимой воды.

Какие материалы используются для подшипников с водяной смазкой?

Не существует единого материала, который бы идеально подходил для всех подшипников с водяной смазкой.

Дальний насос, работающий в морской воде, предъявляет иные требования, чем вертикальный насос, перекачивающий речную воду, содержащую осадок. Подшипник направляющей гидротурбины также работает при ином сочетании нагрузки, скорости и рабочего цикла.

Поэтому выбор материалов следует начинать с условий эксплуатации, а не с названия материала.

Резиновые и эластомерные подшипники

Резина и эластомерные материалы уже много лет используются в подшипниках скольжения, работающих на воде, в судовых подшипниках.

Их эластичность помогает поглощать вибрации и удары, а материал обеспечивает хорошее скольжение в подходящих условиях смазки водой. Эти свойства делают эластомерные подшипники особенно полезными в тех случаях, когда необходимо компенсировать вибрацию вала, удары или небольшие изменения соосности.

Рабочие характеристики по-прежнему зависят от состава. Грузоподъемность, водопоглощение, термостойкость и износостойкость могут значительно различаться у разных эластомерных материалов.

Подшипники из инженерных полимеров

Конструкционные полимеры открывают еще один путь к созданию подшипников с водяной смазкой. В зависимости от состава, они могут сочетать низкое трение с износостойкостью, коррозионной стойкостью, стабильностью размеров и относительно высокой несущей способностью.

Компания Techemer использует несколько систем материалов, поскольку требования к чистой воде, воде с высокой нагрузкой и воде, содержащей осадок, не одинаковы.

TSTN

Techemer TSTN — это упругопластичный сплав, содержащий самосмазывающиеся микрокристаллы и частицы, выдерживающие экстремальное давление.

Данный материал предназначен для обеспечения баланса между низким коэффициентом трения и износостойкостью, особенно в сложных условиях эксплуатации, где подшипник может испытывать большие нагрузки, частые циклы запуска-остановки или периоды граничной смазки.

Типичные области применения включают подшипники направляющих насосов, подшипники дейдвудных труб, подшипники руля и подшипниковые системы гидроэнергетических установок.

Данные о материале Techemer показывают, что типичное динамическое поверхностное давление составляет приблизительно10 МПаи значение PV при смазке водой приблизительно до100 МПа·м/с.

Эти показатели описывают характеристики материала в заданных условиях. Их не следует использовать в качестве универсальных проектных пределов без учета размеров подшипника, скорости вращения, температуры, условий водоснабжения и всей системы вал-подшипник.

PREM

PREM — это инженерный эластомер, используемый компанией Techemer в насосах с водяной смазкой и в морских валах.

Это особенно полезно в тех случаях, когда требуется повышенная несущая способность в сочетании со стабильной работой в воде. Типичные области применения включают подшипники вертикальных насосов и подшипниковые системы дейдвудных труб.

Как и в случае с любым подшипниковым материалом, окончательный выбор должен основываться на фактическом давлении в подшипнике, скорости вращения вала, условиях водоснабжения, габаритах и ​​способе установки.

hRBR

Чистая вода и вода, содержащая осадок, предъявляют совершенно разные требования к подшипнику.

Смазочный материал Techemer hRBR предназначен для применения в условиях наличия песка, ила и других абразивных частиц в смазочной воде. Сочетание износостойкости и эластичности делает его пригодным для использования в насосах с отложениями, гидроэнергетическом оборудовании, земснарядах, рабочих судах и других системах, работающих в сложных условиях водоемов.

В этой области простой выбор самого твердого материала может ввести в заблуждение. Подшипник и вал работают в паре. То, как частицы перемещаются через зазор, задерживаются ли они там и как взаимодействуют с поверхностью вала, имеет такое же значение, как и твердость самого подшипника.

Керамические подшипники с водяной смазкой

Керамические подшипники полезны в отдельных областях применения, где износ, коррозия, воздействие химических веществ или перепады температур затрудняют использование традиционных полимерных решений.

В системах керамических подшипников Techemer могут использоваться подшипниковые поверхности из карбида кремния (SiC), металлические корпуса, жесткие втулки вала и эластомерные амортизирующие конструкции.

Типичные области применения включают насосы, гидроэнергетическое оборудование и оборудование для работы с агрессивными или абразивными средами.

Керамика не является автоматически лучшим выбором только потому, что она тверже. Необходимо учитывать ударные нагрузки, выравнивание, сопряжение валов, монтаж и вибрацию.

Как выбрать правильный материал для подшипника с водяной смазкой

Практический выбор материала начинается с условий эксплуатации.

Эта таблица является отправной точкой, а не спецификацией материала.

Для двух насосов одинакового размера могут потребоваться разные подшипники, если один перекачивает чистую воду из резервуара, а другой — взвешенный песок. То же самое относится к судам, турбинам и другому оборудованию, работающему на воде.

Где используются подшипники с водяной смазкой?

Подшипники дейдвудной трубы и гребного вала

A подшипник дейдвудной трубы с водяной смазкойПодшипник поддерживает вал гребного винта, в то время как морская вода или подаваемая вода смазывает и охлаждает его.

Эти подшипники работают не только в режиме вращения вала. На их работу влияют нагрузки от гребного винта, соосность вала, вибрация, воздействие морской воды и маневрирование на низких скоростях.

Втулка вала имеет не меньшее значение. Даже качественный подшипниковый материал в сочетании с неподходящей или поврежденной втулкой может привести к быстрому износу.

По этой причине при выборе подшипника дейдвудной трубы следует рассматривать подшипник и втулку вала как единую трибологическую систему, а не как два независимых компонента.

Подшипники руля

Подшипники руля работают в условиях иного режима смазки.

Рулевой вал движется медленно и колеблется на ограниченном угле, вместо того чтобы непрерывно вращаться с высокой скоростью. Поэтому поддерживать полную гидродинамическую водяную пленку может быть сложнее.

Высокие статические нагрузки, удары, воздействие морской воды и граничная смазка становятся все более важными факторами. В таких условиях особенно актуальными могут быть упругость материала и трение на низких скоростях.

Направляющие подшипники гидротурбины

Направляющие подшипники гидротурбины контролируют радиальное перемещение вала и помогают поддерживать соосность ротора.

Подшипник должен надежно работать при непрерывной радиальной нагрузке, учитывая фактическое качество воды на станции. В местах с высоким содержанием осадка в речной воде абразивный износ может стать одной из главных проблем проектирования.

Зазоры, стабильность размеров, состояние поверхности вала и вибрация также заслуживают пристального внимания.

Подшипники водяных насосов

Подшипники с водяной смазкой широко используются в вертикальных, горизонтальных, смешанных и осевых насосах.

Вертикальные насосы предъявляют особые требования, поскольку несколько направляющих подшипников могут поддерживать длинный вал. Небольшие погрешности в выравнивании могут накапливаться, а вибрация и неравномерная нагрузка могут ускорить износ подшипников.

Качество воды также существенно влияет на проблему. Направляющий подшипник, работающий в чистой воде, не обязательно подойдет для того же насоса, работающего в речной воде с большим количеством осадка.

Какой подшипник с водяной смазкой подходит для моего применения?

Приложение дает первую подсказку, но окончательное решение всегда должно основываться на данных, полученных в процессе эксплуатации.

Подшипник с водяной смазкойпротив подшипника с масляной смазкой

Водяная и масляная смазка решают одну и ту же основную проблему разными способами. Ни одна из систем автоматически не лучше другой.

Вода привлекательна в тех случаях, когда оборудование уже работает в воде и когда желательно исключить смазочное масло из зоны контакта подшипника. Однако масло имеет гораздо более высокую вязкость и обеспечивает иные пленкообразующие свойства.

Поэтому выбор должен основываться на конструкции оборудования, условиях эксплуатации, нагрузке, скорости и стратегии технического обслуживания, а не только на одном преимуществе.

Преимущества подшипников с водяной смазкой

Одним из наиболее очевидных преимуществ является исключение необходимости использования смазочного масла в месте контакта подшипника с поверхностью. Это особенно полезно в морском и водохозяйственном оборудовании, где утечка масла нежелательна.

Вода также обеспечивает прямое охлаждение. При использовании подходящего подшипникового материала одна и та же среда может как смазывать скользящие поверхности, так и отводить тепло, выделяемое при трении.

Полимерные, эластомерные и керамические подшипниковые материалы также обеспечивают коррозионную стойкость, что полезно в пресноводных и морских условиях.

Смазка водой также может сократить объем работ по техническому обслуживанию, связанных с маслом, хотя ее нельзя назвать полностью необслуживаемой. Состояние вала, зазоры в подшипниках, соосность, износ и подача воды по-прежнему требуют внимания.

Ограничения, которые следует учитывать инженерам

Главная проблема заключается в самой воде: её вязкость низка.

При нормальной рабочей скорости правильно спроектированный подшипник способен образовывать полезную гидродинамическую пленку. При запуске или на очень низких скоростях эта пленка значительно ослабевает. В этом случае материал подшипника играет более важную роль в регулировании трения и износа.

Накопление осадка создает еще одну проблему. Песок и ил могут попадать в зазор подшипника, нарушать водяную пленку и действовать как абразивные частицы.

Также важны водопоглощение материала, соосность вала и рабочий зазор. Даже подходящий материал может показать плохие результаты, если при расчете зазора не учитываются его размеры в воде.

Почему выходят из строя подшипники с водяной смазкой?

Преждевременный износ подшипников редко бывает вызван одной единственной проблемой.

Более эффективный способ расследования причин сбоя — это анализ всей системы в целом:

материал подшипника + вал/втулка + вода + нагрузка + скорость + зазор + соосность

Характер износа сам по себе часто предоставляет полезную информацию. Локальный износ может указывать на несоответствие или распределение нагрузки, в то время как обширные абразивные царапины могут свидетельствовать о загрязнении воды.

Как осадки влияют на подшипники, смазанные водой?

Осадки заслуживают особого внимания, поскольку они изменяют механизм смазки.

Попадание частиц в зазор подшипника может нарушить водяную пленку и вызвать абразивный износ трех тел между подшипником и втулкой вала. Интенсивность износа зависит от размера и концентрации частиц, а также от материала подшипника, твердости вала, зазора и конструкции водоотводной канавки.

Более жесткий подшипник не всегда является самым безопасным решением.

В некоторых условиях более податливый материал может вмещать частицы и уменьшать повреждения поверхности сопряженного вала. Это одна из причин, по которой компания Techemer использует hRBR в абразивных средах, таких как насосы с отложениями, гидроэнергетическое оборудование и дноуглубительные системы.

Окончательный выбор по-прежнему зависит от конкретного типа осадка. Информация о «загрязненной воде» недостаточна для инженерного подбора; гораздо полезнее размер частиц, концентрация и условия эксплуатации.

Как выбрать подшипник с водяной смазкой

На чертеже подшипника указаны его размеры. Однако он не говорит о том, будет ли подшипник работать.

Для проведения полезной инженерной оценки следует учитывать следующую информацию.

1. Применение

Начните с оборудования: дейдвудная труба, руль, гидротурбина, вертикальный насос, горизонтальный насос, земснаряд или другая система водоподготовки.

2. Размеры вала и подшипника

Диаметр вала, внутренний и внешний диаметры подшипника, а также длина определяют основную геометрию и проекционную площадь опоры.

3. Загрузка

Радиальные и, при необходимости, осевые нагрузки определяют интенсивность работы подшипника.

4. Скорость вращения вала

Скорость оказывает сильное влияние на образование водяной пленки. В системах с низкой скоростью и колебательными движениями больше времени проводится в режиме смешанной или граничной смазки.

5. Состояние воды

Пресная и морская вода — это только начало. Концентрация осадка, размер частиц, температура и химическое загрязнение могут изменить требования к материалам.

6. Условия запуска-остановки

Для насоса, работающего непрерывно, и для машины, запускающейся десятки раз в день, могут потребоваться подшипники с разными характеристиками.

Также следует указать предполагаемый период запуска без остановок.

7. Состояние вала или втулки

Материал, твердость, качество обработки поверхности и коррозионная стойкость — все эти факторы влияют на износ подшипника.

8. Ходовой зазор

Универсального зазора для всех подшипников с водяной смазкой не существует. На требуемое значение влияют диаметр, материал, водопоглощение, температура, нагрузка, скорость и способ установки.

9. Водяные канавки

Канавки распределяют охлаждающую и смазочную воду и способствуют перемещению загрязнений внутри подшипника. В то же время канавки уменьшают доступную площадь контакта подшипника.

Поэтому их количество, форма и местоположение должны быть выбраны с учетом специфики применения.

10. Материал

Только после понимания этих условий эксплуатации выбор материалов приобретает смысл.

Ключевые технические данные для выбора подшипников

Эти факторы взаимодействуют. Например, увеличение зазора изменяет не только посадку, но и опору вала, а также поведение водяной пленки. Поэтому проектирование подшипников следует рассматривать как систему, а не как список независимых параметров.

Реальное применение подшипника с водяной смазкой: насосная станция на реке Циньхуай.

Крупные насосные станции — хороший пример того, почему проектирование подшипников с водяной смазкой выходит за рамки простого выбора материалов.

На гидротехническом объекте в районе реки Циньхуай компания Techemer поставила полный комплект направляющих подшипников для открытого вертикального насоса.

В рамках проекта для интеграции подшипниковой облицовки с ее металлической основой был использован процесс горячей склейки Dx компании Techemer.

Для насоса такого масштаба одних только характеристик материалов недостаточно. Качество склеивания, геометрия подшипников, соосность вала, монтаж и расход воды — все это влияет на конечный результат.

Именно поэтому данные лабораторных исследований материалов не следует использовать в качестве замены полной конструкции подшипника.

Решения для подшипников с водяной смазкой от компании Techemer

Компания Techemer разрабатывает подшипники с водяной смазкой для морского применения, гидроэнергетики, насосного оборудования и эксплуатации в условиях суровых водных условий. В связи со значительными различиями в условиях эксплуатации используются различные системы материалов.

TSTNИспользуется там, где необходимо сбалансировать низкое трение, износостойкость, грузоподъемность и характеристики системы «старт-стоп».

PREMПодходит для некоторых типов насосов и морских валов, требующих стабильной несущей способности.

hRBRПредназначен для работы с водой, содержащей осадок и абразивные частицы, в том числе для насосов, гидроэнергетики и дноуглубительных работ.

керамические подшипниковые системыОни доступны для отдельных областей применения в условиях жестких условий эксплуатации, где первостепенное значение приобретают износостойкость, коррозионная стойкость или химическая стойкость.

Выбор между ними должен основываться на эксплуатационных данных, а не на предпочтениях в отношении продукта.

Что следует отправить производителю подшипников с водяной смазкой?

При замене подшипника лучше всего начать с существующего чертежа. При разработке новой конструкции не менее важны и эксплуатационные данные.

Чем полнее эта информация, тем проще оценить материал, зазор, конструкцию подшипника и совместимость с валом.

Часто задаваемые вопросы

Как работает подшипник с водяной смазкой?

Вращение вала затягивает воду в рабочий зазор и может создавать гидродинамическую пленку, отделяющую вал от поверхности подшипника. Во время запуска и работы на низких скоростях подшипник может временно работать в режиме смешанной или граничной смазки.

Может ли подшипник, смазываемый водой, работать всухую?

Некоторые материалы могут выдерживать ограниченный сухой пуск или временное отключение водоснабжения. Это не означает, что они пригодны для непрерывной работы всухую. Возможность сухого пуска всегда следует подтверждать для конкретного материала и условий эксплуатации.

Могут ли подшипники с водяной смазкой работать в морской воде?

Да. Подшипники дейдвудной трубы, гребного вала и руля с водяной смазкой широко используются в морских системах. Материал подшипников, втулка вала и окружающие компоненты должны быть совместимы с морской водой.

Что произойдет, если в воде окажется песок?

Песок и другие взвешенные частицы могут нарушать водную пленку и вызывать абразивный износ. Выбор материала, твердость вала, зазор и конструкция канавок становятся особенно важными в воде, содержащей осадок.

Почему подшипник, смазываемый водой, быстро изнашивается?

К распространенным причинам относятся недостаточное количество воды, отложения, несоосность, неправильный зазор, плохое состояние вала, чрезмерная нагрузка и неподходящий материал. Перед заменой подшипника на аналогичный следует изучить характер износа.

Какой зазор должен быть у подшипника, смазываемого водой?

Универсального зазора не существует. Он зависит от диаметра подшипника, материала, температуры, водопоглощения, скорости вращения вала, нагрузки и способа установки. Зазор должен быть указан для конкретного подшипника и области применения.

В чём разница между подшипниками с водяной смазкой и самосмазывающимися подшипниками?

Смазка водой описывает способ смазки. Самосмазывающиеся свойства описывают характеристики трения материала подшипника. Некоторые материалы подшипников, смазываемые водой, также обладают самосмазывающимися свойствами, но эти два термина не взаимозаменяемы.

Лучше ли подшипник с водяной смазкой, чем подшипник с масляной смазкой?

Это зависит от области применения. Водяная смазка хорошо подходит для многих морских, гидроэнергетических и насосных систем и исключает использование смазочного масла в зоне контакта подшипников. Масляная смазка имеет другие пленкообразующие свойства и остается подходящей для многих других машин.

Нужна помощь в выборе подшипника с водяной смазкой?

Подшипник, подходящий к валу, не обязательно подходит для данного применения.

На работу подшипника с водяной смазкой влияют нагрузка, скорость, качество воды, наличие отложений, материал вала, рабочий зазор и условия запуска.

Если вы выбираете подшипник длядейдвудная труба, руль,гидротурбина,вертикальный насос,горизонтальный насосили водная система, загрязненная осадкамиОтправьте компании Techemer ваши существующие чертежи и условия эксплуатации.

Наши инженеры могут проанализировать заявку и помочь определить подходящее решение.материал, конструкция подшипника, зазор и сопряжение валов.