Per què la tensió de contacte dels coixinets de ceràmica híbrid és gran, però la seva vida útil és més llarga que la dels coixinets normals?

Els coixinets de ceràmica híbrids són adequats per a condicions de treball dures, com ara una mala lubricació i una contaminació greu [2-3]. A causa de la rigidesa inherentment més alta del material ceràmic, els coixinets ceràmics híbrids tenen una àrea de contacte hertziana lleugerament més petita, donant lloc a majors tensions de contacte i subsòl que un coixinet d'acer de la mateixa mida. En teoria, això condueix a una vida útil escurçada del coixinet. Tanmateix, s'ha observat que en algunes aplicacions específiques, els coixinets híbrids tenen una vida útil més llarga. Com explicar aquest fenomen anormal? Com modelar-lo? Aquest article no només respon a aquestes preguntes, sinó que també mostra que un model genèric de vida dels coixinets pot simular i explicar bé les observacions de camp. El model de vida útil dels coixinets genèrics de SKF per a coixinets híbrids ja està disponible.

El material de l'anell dels coixinets híbrids és l'acer dels coixinets i el material de l'element rodant és nitrur de silici de grau (Si3N4) (fig. 1). El nitrur de silici és un material ceràmic (és a dir, no metàl·lic) caracteritzat per una gran duresa, alt mòdul d'elasticitat, alta temperatura i resistència química, baixa densitat, baixa conductivitat elèctrica i baixa ductilitat. Com que els materials ceràmics de nitrur de silici són excel·lents aïllants, els coixinets ceràmics híbrids es poden utilitzar en motors i generadors de CA i CC per formar un aïllament efectiu entre la carcassa i l'eix. En comparació amb els coixinets totalment d'acer, els coixinets híbrids funcionen bé en condicions de mala lubricació i presència de contaminants sòlids, però les tensions de contacte són més elevades a causa de la major rigidesa dels elements rodants ceràmics sota la mateixa càrrega.

Figura 1 Els coixinets híbrids de boles i rodets estan disponibles en diferents segments de mida

A més, els coixinets híbrids ofereixen una capacitat de velocitat més alta i, en la majoria dels casos, una vida útil més llarga que un coixinet d'acer de la mateixa mida en les mateixes condicions de funcionament. Els coixinets híbrids també funcionen molt bé en condicions de gran acceleració, vibració o moviment de pèndol. Les aplicacions d'alta velocitat, com ara els eixos de màquina-eina i els turbocompressors, requereixen dissenys especials de coixinets, materials especials i sistemes de lubricació. S'espera que aquesta tendència continuï i moltes altres aplicacions industrials modernes reconeixeran i aprofitaran les capacitats úniques dels coixinets híbrids.

L'ús de la ceràmica com a material de suport es va proposar per primera vegada a la dècada de 1960 per fabricar coixinets de temperatura extrema per a aplicacions aeroespacials. S'ha demostrat que el nitrur de silici premsat en calent totalment dens té la millor resistència a la fatiga per contacte rodant (RCF) en comparació amb altres materials ceràmics mitjançant proves de fatiga per contacte de rodatge dels components. També es van observar diferències significatives en la resistència a la fatiga entre lots de producció de boles de ceràmica aparentment idèntiques. A la dècada de 1980, Lorösch et al. (1980) [4] van realitzar proves de vida a la fatiga en coixinets de boles de contacte angular ceràmics híbrids. Utilitzant boles de ceràmica de la més alta qualitat, van trobar que la resistència a la fatiga per contacte rodant dels coixinets ceràmics híbrids era comparable a la dels coixinets d'acer amb la mateixa càrrega, malgrat un augment del 12% de l'estrès de contacte. No obstant això, proves addicionals en un segon lot de boles de ceràmica van trobar una vida a fatiga més baixa, cosa que suggereix que la qualitat de les boles de ceràmica és fonamental per al rendiment de la vida a la fatiga.

La qualitat i la fiabilitat dels elements rodants ceràmics ha millorat significativament durant els últims anys. Gràcies a la introducció de mètodes d'assaig no destructiu (NDE) i als avenços continus en la purificació i sinterització de materials de nitrur de silici, els enginyers finalment van poder desenvolupar boles de ceràmica amb una resistència fiable a la fatiga per contacte rodant (Galbato et al., 1992)[5] ]. A causa d'això, l'ús de coixinets ceràmics híbrids en eixos de màquina-eina d'alta velocitat va augmentar significativament a la dècada de 1990, contribuint en gran mesura al rendiment i la precisió d'alta velocitat d'aquests components mecànics (Cundill, 1993) [6]. La figura 2 mostra la millora de la resistència a la fatiga de la ceràmica (Cundill, 1990) [7], que és
atribuït a la millora del procés de sinterització per premsa en calent durant tot el procés de fabricació i a la reducció contínua de la porositat i els defectes superficials (que ara es poden controlar mitjançant assaigs no destructius).

SUN RISES GROUP LIMITED Coixinets ceràmics híbrids SKF Visualització d'inventari;