К механическим узлам, предназначенным для использования в вакууме, предъявляются особые требования. Не являются исключением и подшипники, используемые в вакуумных приложениях в качестве опор для валов и осей. Это связано с тем, что в безвоздушной среде выходят на первый план свойства деталей, не имеющие особого значения в других ситуация, а другие, важные при обычном применении, отходят на второй план. Например, такая важнейшая для применяемых в атмосфере подшипников характеристика как частота вращения не играет особой роли, так как в условиях вакуума обычно достаточно скорости в 300-500 оборотов.
Требования к подшипникам, используемым в вакуумной среде
Одним из основных требований к вакуумным подшипникам является их чистота. Обычный опорный узел, смазанный простой смазкой, легко становится источником загрязнения вакуума из-за повышенного давления паров смазочного вещества. Поэтому, чаще всего, в камерах такого оборудования устанавливают не смазываемые детали. При небольших частотах вращения такой подход вполне допустим, а кроме этого, акцент в этой сфере делается на подшипниках из керамики, не требующих дополнительного смазывания. В том же случае, когда деталь в вакууме работает под большой нагрузкой и вращается с большой скоростью, могут применяться специальные вакуумные смазки, давление паров которых минимально.
Из-за особенностей вакуумной среды, выбор материалов для подшипников сильно сужается. Как правило, в этом оборудовании применяют опоры качения и скольжения двух основных типов:
- Из стойких к коррозии сталей;
- Гибридные (керамика – сталь)
- Керамические.
Стальные и гибридные опоры рекомендуется использовать в оборудовании, которое в процессе работы нагревается не более чем до 100°С. При росте показателей температуры, их склонность к заклиниванию заметно возрастает. Полностью керамические опоры качения могут применяться при высоких температурах, но при этом следует помнить о том, что керамика более хрупкая, чем сталь.
Керамика – оптимальное решение для вакуумной среды
В целом, при существовании выбора, эксперты рекомендуют отдавать предпочтение именно изделиям из керамики, которые лучше адаптированы для вакуумной среды. Некоторые известные подшипниковые бренды, такие как SKF, NSK и Koyo, предлагают потребителям специальные решения, адаптированные к работе в условиях вакуума. Керамические подшипники таких спецсерий предлагают следующие особенности:
- Не нуждаются в смазке;
- Могут очищаться при помощи воды или сжатого воздуха;
- Химически инертны;
- Не имеют магнитных свойств;
- Не проводят электрический ток;
- Устойчивы как к нагреванию, так и к понижению температуры до -80°С;
- Высокая точность изготовления.
Для производства продукции с такими характеристиками используют нитрид кремния (Si3N4), а также оксид циркония (ZrO2). Нитрид кремния в этой области применения, имеет ряд преимуществ перед оксидом циркония. В первую очередь, это термостойкость – кремниевые детали могут эксплуатироваться при температурах до +800°С, в то время как температура циркониевых ограничена 400°С. Также узлы вращения из нитрида кремния лучше выдерживают статические и динамические нагрузки и обладают более низкой поверхностной усталостью. Единственный минус деталей из Si3N4 – это их высокая стоимость. Как правило, эти узлы дороже, изготовленных из оксида циркония, в 2 раза.
Гораздо реже можно встретить в вакуумном оборудовании опоры качения из карбида кремния (SiC). Эти подшипники выдерживают температуру до 1300°С и отлично переносят высокие моментные нагрузки, вибрации и даже удары. Цена таких продуктов достаточно высока, что связано с особенностями их производства. Чаще всего узлы из карбида кремния, ориентированные на использование в вакууме, выпускают под заказ, небольшими партиями. Наиболее востребованными на мировом рынке считаются опоры из SiC, выпущенные шведским концерном SKF, лидирующим в производстве опор специального назначения.
Использование подшипников в вакууме
Наиболее востребованы подшипники для работы в вакууме в аэрокосмической отрасли. Именно в этой сфере человеческой деятельности механизмам чаще всего приходится работать в безвоздушной среде или при экстремально низких давлениях. Также потребителем этих узлов является приборостроение – многие установки для работы с элементарными частицами имеют вакуумные элементы. В последнее время возрос спрос на такие детали в такой области как электроника. Оборудование, выпускающее электронные компоненты высокой сложности, оснащают вакуумными камерами, обеспечивающими максимальную чистоту сборки. Манипуляторы, выполняющие операции в «чистых» объемах комплектуют керамическими подшипниками в вакуумном исполнении.