Традиционные подшипники компрессоров — например, свинцово-бронзовые, роликовые элементы или биметаллические втулки — значительно подвержены износу при недостаточной смазке в узлах компрессоров.

Использование металлополимеров дает уникальное преимущество благодаря их само-смазывающимся свойствам, что делает их более надежным решением в подобных условиях. Также они обладают рядом других преимуществ, включая отсутствие свинца, снижение уровня шума и уменьшение трения по сравнению с другими скользящими подшипниками.

Одна из основных сложностей при внедрении металлополимеров в конструкцию устройства связана с разнообразием монтажных зазоров по сравнению с классическими типами подшипников, что влияет на уровень эффективности.

Путем модификации конструкции системы и/или операций по подбору размеров для управления зазорами, металлополимеры были внедрены в конструкции компрессоров, предлагаемых клиентам. В данной статье рассматриваются различия между металлополимерами и традиционными компрессорными подшипниками в аспектах конструктивных решений, структуры и эксплуатационных характеристик.

Работа компрессоров во многом зависит от сочетания смазочных материалов и хладагентов в системах кондиционирования воздуха и холодильных установках, состоящих из множества других компонентов. Теоретически, нагрузки и скорости могут обеспечить гидродинамическую смазку в большинстве компрессорных применений.

Следует отметить, что смешанная и граничная смазка часто возникает в ряде случаев, таких как:

• Запуск оборудования
• Остановка оборудования
• “Вымывание” компрессорного масла вследствие миграции газа
• Снижение вязкости смазки из-за разбавления хладагентом

Длительность условий граничной или смешанной смазки зависит от конструкции системы, обеспечивающей установившийся поток.

Надежность и уровень производительности традиционных компрессорных подшипников — таких как свинцово-бронзовые, роликовые элементы или биметаллические втулки — в значительной степени зависят от условий смазки.

Применение граничной и смешанной смазки приводит к контакту сопрягаемых поверхностей, что может вызывать повышенное трение и ненужный износ.

В отличие от них, металлополимерные втулки обладают важным преимуществом благодаря своей само-смазывающейся природе: контакт поверхностей не вызывает значительного износа или трения. Металлополимеры обеспечивают более надежные варианты смазки в специфичных условиях.

Внедрение металлополимерных втулок в коммерческое использование компрессоров насчитывает около двух десятилетий, однако для многих сегментов отрасли это остается относительно новой технологией.

Коммерческий успех металлополимеров связан с преодолением определенных конструктивных сложностей, возникающих из-за отличий от классических подшипников компрессоров. Основное внимание в статье уделено различиям металлополимеров в отношении конструкции системы, структуры и эксплуатационных характеристик.

Структура металлополимеров

Металлополимерные втулки обычно представляют собой многослойную композитную структуру, включающую:

• Жесткую стальную основу
• Промежуточный слой — зачастую бронзовую сетку или пористый слой
• Полимерное покрытие, пропитанное в промежуточный слой

Полимерное покрытие чаще всего состоит из ПТФЭ (политетрафторэтилен) для большинства компрессорных применений, а также различных наполнителей.

Смесь ПТФЭ и наполнителей определяет основные эксплуатационные свойства втулки, например, металлополимерная втулка с промежуточным слоем из пористой бронзы (см. рисунок 1).

Металлополимерные втулки обычно изготавливаются в два этапа из полосового материала. Такая полоса включает адгезию промежуточного слоя к стальной основе и пропитку полимером.

Материал в виде полосы может быть нарезан и свернут во втулку, а окончательные размеры предусматривают запрессовку в корпус для получения заданного внутреннего диаметра. Такой тип втулки называется разрезной, так как в отличие от литых бронзовых или металлических втулок, она не является полным цилиндром.

Точность окончательных размеров втулки зависит от производственных и измерительных возможностей. Обычные допуски на общую толщину стенки втулки могут составлять от 20 до 45 мкм в зависимости от толщины полосы.

Этот допуск характерен для стандартных изделий, однако в некоторых случаях возможно обеспечить более жесткий контроль допусков.

Конструкция системы

В большинстве случаев конструкция подшипниковой системы определяется зазором между валом и рабочей поверхностью подшипника. В компрессорах этот зазор критичен для эффективности. Наблюдаются различия в типичных зазорах при сравнении традиционных компрессорных подшипников и металлополимерных втулок.

Типовой диапазон зазоров металлополимеров

Поверхность самого полимера является ключевым элементом, определяющим производительность подшипника. Технологические возможности ограничивают точность, с которой можно контролировать допуск в композитных структурах.

Точная формовка и измерение втулки, состоящей из композита бронзы, стали и полимера, представляет собой сложную задачу, которая постоянно совершенствуется.

На данный момент механическая обработка металлополимеров на основе ПТФЭ не предусмотрена.

Тонкий слой полимера на промежуточной бронзовой структуре может играть решающую роль в эксплуатационных возможностях поверхности подшипника. Если этот слой снять механически, получится бронзово-полимерная матрица, которая зачастую уступает по характеристикам полноценной полимерной поверхности.

Существует заметная разница между стандартными металлополимерными втулками и типичными зазорами подшипников с вытянутой игольчатой обоймой (см. таблицу 1). Зазоры определены по ISO H7 и N6 для валов и корпусов, хотя конкретные значения могут варьироваться у разных производителей.

Таблица 1. Сравнение диапазонов зазоров (мкм)

Биметаллические или бронзовые втулки не включены, так как обычно подвергаются механической обработке после установки, что позволяет поддерживать более узкий диапазон зазоров.

Высокоточные игольчатые подшипники доступны там, где требуется уменьшить диапазон зазора. Биметаллические и роликовые подшипники способны обеспечивать более жесткие допуски, хотя это не всегда требуется при применении металлополимеров.

Коммерческие применения в компрессорах

Металлополимерные втулки используются в компрессорных установках последние двадцать лет, способствуя повышению производительности и надежности.

Отмечаются различия в диапазонах зазоров между традиционными компрессорными подшипниками и металлополимерными втулками, применяемыми в поршневых и аксиально-пластинчатых компрессорах (см. таблицы 2 и 3).

Таблица 2. Сравнение диапазонов зазоров в поршневых компрессорах (мкм).

Таблица 3. Сравнение диапазонов зазоров в аксиально-пластинчатых компрессорах (мкм).

Каждый производитель разрабатывает свою конструкцию компрессора, поэтому требуемые диапазоны зазоров могут отличаться. Например, коммерческие зазоры спиральных компрессоров для определенного диаметра вала могут иметь отдельный диапазон для металлополимеров (см. таблицу 4).

Таблица 4. Диапазон зазоров спирального компрессора (мкм).

Металлополимеры могут эффективно работать при больших зазорах по сравнению с игольчатыми или биметаллическими подшипниками. В некоторых случаях требуется корректировка диапазона зазоров для обеспечения необходимой производительности.

Применение металлополимера вместо классического компрессорного подшипника требует анализа для определения оптимального диапазона зазоров и достижения наилучших эксплуатационных характеристик.

Производительность

Результативность работы металлополимерных втулок в компрессорах зависит не только от зазора, но и от способности материала выдерживать температуры, нагрузки, скорости и уровень коррозионного воздействия, характерные для таких условий.

Типичные причины выхода из строя подшипников в компрессорах — усталость, износ и кавитация. Развитие полимерных технологий позволило комбинировать наполнители в ПТФЭ, благодаря чему производители металлополимеров выпускают материалы, способные выдерживать усталость и износ на уровне, равном или превосходящем традиционные компрессорные подшипники.

Самосмазывающиеся свойства материала при граничной и предельной смазке играют ключевую роль. Хотя устойчивость к кавитации уступает биметаллам, она достаточна для условий работы компрессорных подшипников.

Два образца металлополимера на основе ПТФЭ и свинцово-бронзовой втулки были проанализированы на износостойкость (см. рисунок 2). Каждый из свинцово-бронзовых подшипников и одна металлополимерная втулка испытывались в одинаковых условиях, а скорость и нагрузка для второго образца металлополимера были удвоены.

Результаты показали, что износостойкость металлополимерной втулки значительно превосходит свинцово-бронзовую, даже при удвоенной скорости и нагрузке.

Гидродинамическая смазка в металлополимерных втулках

Типовые гидродинамические расчеты для скользящих подшипников могут использоваться для оценки образования масляной пленки и других важных факторов в конструкции подшипников.

В определенных условиях в металлополимерных втулках может проявляться уникальное явление: рабочие поверхности имеют меньший модуль упругости по сравнению с бронзой, биметаллом или сталью.

При высоких нагрузках могут возникать условия эластогидродинамической смазки (EHL), что приводит к увеличению толщины пленки по сравнению с традиционными скользящими подшипниками в аналогичных условиях.

Считается, что эластичность полимерной поверхности способствует более равномерному распределению нагрузки и увеличению толщины смазочного слоя.

Следует отметить, что даже при недостаточном образовании пленки металлополимерная втулка сохраняет преимущество за счет смазывающих свойств поверхности ПТФЭ.

Поддержание эффективности при использовании металлополимерных втулок

Более широкий диапазон установочных допусков, предоставляемый металлополимерами, означает, что основное внимание для поддержания эффективности системы должно быть уделено конструкции компрессора.

Увеличение диапазона допусков может привести к неисправностям сопрягаемых деталей компрессора из-за накопления допусков, что вызывает рост энергопотребления или снижение производительности.

Соответствующие испытания и анализ изменений в конструкции компрессора и подшипниковой системы позволили частично компенсировать этот фактор.

Размеры вала и корпуса могут быть доработаны для сокращения диапазона допусков до пределов возможностей производителя. Ведутся исследования с производителями металлополимерных подшипников по дальнейшему снижению диапазонов допусков изделий.

Металлополимеры могут также подвергаться операции доводки — дорнированию — после установки втулки. Этот процесс заключается в прохождении через втулку инструмента определенного диаметра.

Если внутренний диаметр втулки меньше диаметра дорнирующего инструмента, происходит компрессия полимерного слоя, что способствует сокращению диапазона допусков установленного внутреннего диаметра.

Избыточная компрессия полимерного материала может негативно сказаться на характеристиках, так как каждый материал ПТФЭ/наполнитель по-разному реагирует на операции доводки. Необходимую информацию можно получить у производителей металлополимеров для их фирменных материалов.

Результаты исследования влияния эффективного зазора на эффективность приведены ниже (см. рисунок 3).

Исследование было проведено производителем спиральных компрессоров, который сравнивал работу металлополимерной втулки и обработанной биметаллической втулки в различных диапазонах зазоров. Было выявлено повышение эффективности при использовании металлополимера в диапазоне зазоров, превышающем необходимый для биметаллических подшипников.

Для полного понимания особенностей работы полимерной втулки в конструкции компрессорных систем требуются дополнительные исследования и анализ.

Поскольку каждая конструкция уникальна, потребуется индивидуальная программа испытаний и анализа.

Заключение

При правильном проектировании металлополимеры способны обеспечить более высокую надежность подшипниковых систем по сравнению с классическими скользящими подшипниками. ПТФЭ как естественный смазочный материал обеспечивает лучшую стойкость к теплу и трению при предельной и граничной смазке.

Эластичность полимерной поверхности позволяет более эффективно компенсировать несоосности, чем классические компрессорные подшипники, что способствует лучшей совместимости системы с допусками в конструкции компрессора.

Использование металлополимеров в качестве прямой замены классических компрессорных подшипников не рекомендуется из-за различий в функциональности при различных зазорах.

Дальнейшие открытия в области полимерных материалов могут привести к разработке металлополимеров, пригодных для механической обработки после установки, что позволит контролировать зазоры.

Металлополимеры также представляют собой современную материалотехнологию, способствующую созданию более долговечных и надежных втулок, способных соответствовать инновациям компрессорной отрасли — отсутствие свинца, 13 SEER, CO2 — лучше, чем традиционные биметаллические, бронзовые или роликовые подшипники.