業界全体の信頼性を向上させるための需要の増加は、エンジニアが機器のすべてのコンポーネントを考慮する必要があることを意味します。ベアリングシステムは機械の重要な部品であり、それらの故障は壊滅的で費用のかかる結果をもたらす可能性があります。ベアリングの設計は、特に高温または低温、真空、腐食性雰囲気などの極端な動作条件で、信頼性に大きな影響を与えます。この記事では、エンジニアが機器の高い信頼性と優れた長寿命性能を確保できるように、困難な環境に対応するベアリングを指定する際の考慮事項について概説します。

ベアリングシステムは、ボール、リング、ケージ、潤滑剤などの多くの要素で構成されています。標準のベアリングは通常、過酷な環境に耐えられないため、個々の部品に特別な配慮を払う必要があります。最も重要な要素は、潤滑、材料、および特殊な熱処理またはコーティングであり、各要素を確認することで、ベアリングをアプリケーションに最適に構成できることを意味します。

高温での動作

航空宇宙産業の作動システムで使用されるような高温アプリケーションは、標準的なベアリングに課題をもたらす可能性があります。さらに、ユニットがますます小さくなり、電力密度が高くなるにつれて、機器の温度が上昇しており、これは平均的なベアリングにとって問題となります。

潤滑

ここでは、潤滑が重要な考慮事項です。オイルとグリースの最高作動温度は、その時点で劣化と蒸発を開始し、ベアリングの故障につながります。標準グリースは多くの場合、最高温度が約120°Cに制限されており、一部の従来の高温グリースは最大180°Cの温度に耐えることができます。

ただし、さらに高温が必要な用途では、特殊なフッ素系潤滑グリースが利用可能であり、250°Cを超える温度が達成可能です。液体潤滑が不可能な場合、固体潤滑は、さらに高温での低速で信頼性の高い動作を可能にするオプションです。この場合、二硫化モリブデン（MOS2）、二硫化タングステン（WS2）、グラファイト、またはポリテトラフルオロエチレン（PTFE）は、非常に高温に長期間耐えることができるため、固体潤滑剤として推奨されます。

材料

300°Cを超える温度になると、特別なリングとボールの材料が必要になります。AISI M50は高温鋼であり、高温で高い耐摩耗性と耐疲労性を示すため、通常推奨されます。BG42は、300°Cでの高温硬度が良好なもう1つの高温鋼であり、耐食性が高く、極端な温度での疲労や摩耗の影響を受けにくいため、一般的に指定されています。

高温ケージも必要であり、PTFE、ポリイミド、ポリアミドイミド（PAI）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などの特殊なポリマー材料で供給することができます。高温オイル潤滑システムの場合、ベアリングケージは青銅、真ちゅう、または銀メッキ鋼から製造することもできます。

コーティングと熱処理

高度なコーティングと表面処理をベアリングに適用して、摩擦に対抗し、腐食を防ぎ、摩耗を減らし、高温でのベアリングの性能を向上させることができます。たとえば、スチール製のケージを銀でコーティングして、パフォーマンスと信頼性を向上させることができます。潤滑剤の故障/飢餓の場合、銀メッキは固体潤滑剤のように機能し、ベアリングが短時間または緊急時に動作し続けることを可能にします。

低温での信頼性

スケールのもう一方の端では、低温は標準的なベアリングにとって問題になる可能性があります。

潤滑

低温アプリケーション、たとえば-190°Cの範囲の温度での極低温ポンプアプリケーションでは、オイル潤滑がワックス状になり、ベアリングが故障します。MOS2やWS2などの固体潤滑は、信頼性を向上させるのに理想的です。さらに、これらの用途では、圧送される媒体が潤滑剤として機能する可能性があるため、媒体とうまく機能する材料を使用して、これらの低温で動作するようにベアリングを特別に構成する必要があります。

材料

ベアリングの耐疲労性と耐摩耗性を向上させるために使用できる材料の1つは、マルテンサイト系の完全硬化、高窒素、耐食性鋼であるSV30®です。セラミックボールも優れた性能を発揮するのでお勧めです。材料の固有の機械的特性は、劣悪な潤滑条件で優れた動作を提供することを意味し、低温で確実に動作するのにはるかに適しています。

ケージの素材も可能な限り耐摩耗性があるように選択する必要があります。ここでの適切なオプションには、PEEK、ポリクロロトリフルオロエチレン（PCTFE）、およびPAIプラスチックが含まれます。

熱処理

リングは、低温での寸法安定性を向上させるために、特別に熱処理する必要があります。

内部設計

低温での作業に関するさらなる考慮事項は、ベアリングの内部設計です。ベアリングは一定レベルのラジアル遊びで設計されていますが、温度が下がると、ベアリングコンポーネントが熱収縮するため、ラジアル遊びの量が減少します。動作中にラジアルプレイのレベルがゼロに低下すると、ベアリングが故障します。低温用途向けのベアリングは、室温でより多くのラジアル遊びを備えて設計し、低温で許容レベルの動作ラジアル遊びを可能にする必要があります。

真空圧の処理

電子機器、半導体、LCDの製造に存在するような超高真空環境では、圧力は10〜7mbarより低くなる可能性があります。超高真空軸受は、通常、製造環境内の作動装置で使用されます。もう1つの典型的な真空アプリケーションは、製造環境用の真空を生成するターボ分子ポンプ（TMP）です。この後者のアプリケーションでは、ベアリングは高速で動作する必要があることがよくあります。

潤滑

これらの条件での注油が重要です。このような高真空では、標準の潤滑グリースが蒸発し、ガスも放出されます。効果的な潤滑が不足すると、ベアリングが故障する可能性があります。したがって、特殊な潤滑剤を使用する必要があります。高真空環境（約10〜7 mbarまで）の場合、PFPEグリースは、蒸発に対する耐性がはるかに高いため、使用できます。超高真空環境（10-9mbar以下）の場合、固体潤滑剤とコーティングを使用する必要があります。

中真空環境（約10〜2mbar）の場合、特殊な真空グリースを慎重に設計および選択することで、40,000時間（約5年）以上の連続使用の長寿命を実現し、高速で動作するベアリングシステムを実現できます。達成。

耐食性

腐食性環境での使用を目的としたベアリングは、他の腐食性化学物質の中でも特に酸、アルカリ、塩水にさらされる可能性があるため、特別に構成する必要があります。

材料

材料は、腐食性環境にとって重要な考慮事項です。標準のベアリング鋼は腐食しやすく、ベアリングの早期故障につながります。この場合、セラミックボールを使用したSV30リング材料は、耐食性に優れているため、検討する必要があります。実際、研究によると、SV30材料は、塩水噴霧環境で他の耐食鋼よりも何倍も長持ちする可能性があります。制御された塩水噴霧試験では、SV30鋼は1,000時間の塩水噴霧試験後にわずかな腐食の兆候を示し（グラフ1を参照）、SV30の高い耐食性がテストリングにはっきりと見られます。ジルコニアや炭化ケイ素などの特殊なセラミックボール材料を使用して、腐食性物質に対するベアリングの耐性をさらに高めることもできます。

メディアの潤滑からより多くを得る

最後の困難な環境は、媒体が潤滑剤として機能するアプリケーションです。たとえば、冷媒、水、油圧作動油などです。これらすべてのアプリケーションで、材料が最も重要な考慮事項であり、SV30 –セラミックハイブリッドベアリングが最も実用的で信頼性の高いソリューションを提供することがよくあります。

結論

極端な環境では、標準のベアリングに多くの操作上の課題があり、早期に故障する原因になります。これらのアプリケーションでは、ベアリングを慎重に構成して、目的に適合し、優れた長期性能を提供する必要があります。ベアリングの高い信頼性を確保するために、潤滑、材料、表面コーティング、および熱処理に特別な注意を払う必要があります。