高温轴承：承载能力指南

高温轴承对于在高温工况下运行的设备至关重要。即使在严苛工况下，它们也能确保设备平稳、安全运行。

正确理解并优化承载能力，有助于设备提升运行性能并延长使用寿命，同时提高能效，减少停机时间和成本，并增强生产效率与运行可靠性。

本文将阐述高温轴承为何 高温轴承 之所以重要，并说明如何通过理解承载能力来提升性能与使用寿命。

本文将介绍影响承载能力的关键因素以及优化性能的实用建议，同时指出在严苛工况下选型时应避免的常见错误，帮助您保持设备平稳运行并减少停机时间。

高温轴承中的承载能力是什么？

承载能力的定义

承载能力是指轴承在不发生损坏或过度磨损的前提下能够安全承受的最大载荷。它有助于轴承长期保持良好工作状态，并延长整机使用寿命。

静载荷额定值（C₀）：静载荷额定值（C₀）是轴承在不发生损伤的前提下能够承受的最大载荷。该指标适用于轴承静止并承受静载荷的工况。

动载荷额定值（C）：动载荷额定值（C）是轴承在旋转过程中能够承受的最大载荷。该额定值以规定转数为依据，通常为 100 万转。它反映了轴承在使用过程中承载而不致过早磨损或失效的能力。

静载荷与动载荷

• 静载荷额定值（C₀）适用于静止工况，重点考察轴承在不发生位移的载荷作用下抵抗变形的能力。

• 动载荷额定值（C）适用于运动工况，重点考察轴承在长期旋转载荷作用下保持稳定工作而不失效的能力。

静载荷额定值（C₀）

• 轴向载荷：静载荷额定值可用于判断轴承在静止状态下能够承受多大的轴向载荷（推力或拉力），且不会产生永久变形。C₀ 值越高，表示轴承在不受损的前提下可承受更大的轴向力。

• 径向载荷：在轴承静止时，静载荷额定值同样适用于径向载荷（侧向力）。静载荷额定值越高的轴承，能够承受更大的径向力而不致损坏。

• 复合载荷：当轴向力和径向力同时作用时，轴承必须同时承受这两类载荷，并在不损坏的前提下协同应对这些作用力。静载荷额定值有助于确保轴承在此类复合应力下仍保持结构完整。

动额定载荷（C）

• 轴向载荷：动额定载荷反映轴承在旋转过程中承受轴向载荷的能力。额定值越高，表示轴承在不易磨损或失效的情况下，可承受更大的载荷。

• 径向载荷：动额定载荷同样适用于轴承旋转时的径向载荷。动额定载荷较高的轴承能够承受更大的径向力，且不易快速磨损。

• 复合载荷：动额定载荷体现轴承承受轴向载荷和径向载荷的能力，用于衡量轴承在运转状态下抵抗这些作用力的水平。轴承必须具备同时承受两类载荷的结构能力，才能保证运行平稳并避免失效。

耐高温应用中载荷能力的重要性

高温环境会对轴承及其零部件产生显著影响

• 材料：高温会削弱材料性能，使其强度、韧性下降，甚至发生变形。若轴承未按高温工况设计，便可能因此过早失效。

• 润滑：热量会使润滑剂发生劣化，降低其使用效果。润滑不足会导致摩擦增大，进而引起过热、磨损，并可能造成轴承损伤。

• 内部游隙：材料在高温下膨胀，会改变轴承内部游隙。这不仅会影响轴承运转的平稳性，还可能导致磨损加剧，甚至在极端工况下发生卡死。

载荷能力与轴承常见故障密切相关，例如磨损、偏斜和早期失效。

• 轴承磨损：当轴承承受超过其额定能力的载荷时，会产生过大的摩擦，导致磨损加快并可能损伤轴承。长期如此还会使轴承表面劣化，降低其工作效率和使用寿命。

• 偏斜：如果轴承载荷过大或分布不均，就可能引发安装或运行偏斜，从而造成受力不均，增加磨损与振动，并最终导致轴承失效。

• 早期失效：轴承过载会使其比预期更早发生失效。过大的应力可能导致材料强度下降、过热或结构破坏。

影响高温轴承载荷能力的关键因素

材料组成

陶瓷材料

• 特性：陶瓷材料，如氮化硅，具有高强度、表面光滑、耐磨且耐热等特点。此外，其本身还具有非磁性。

• 用途：这类材料广泛用于精密设备、航空航天和医疗器械等对可靠性要求极高的领域。

石墨涂层钢材

• 特点：石墨涂层钢材兼具钢材的强度与石墨的减摩性能，特别适用于干燥或高温工况。

• 用途：这类轴承适用于高温设备，或润滑剂难以发挥作用的场合。

特殊合金

• 特点：不锈钢、青铜等特殊合金兼具强度、耐热性和耐腐蚀性能。

• 用途：这类材料广泛用于汽车和工业机械，也常用于对耐久性要求较高的船用设备。

润滑技术

石墨润滑

• 工作原理：石墨润滑利用细微石墨颗粒在运动部件之间形成一层薄膜。石墨作为固体润滑剂，可减少表面之间的直接接触。

• 降低摩擦：石墨天然的润滑特性可减小轴承表面之间的摩擦，使其运转更平稳，并避免产生过多热量。

• 提升承载能力：通过降低摩擦，石墨润滑有助于轴承承受更高载荷，从而避免过热和磨损，延长轴承使用寿命。同时，它还能使载荷分布更加均匀，提升轴承在受力条件下的运行性能。

其他润滑方式

• 润滑脂：润滑脂常用于轴承，以形成更厚的润滑膜。这有助于保护轴承免受污染，并减少磨损。其可耐受中高温工况。

• 润滑油：油润滑适用于高速轴承。其流动性好，可有效降低摩擦，并能将热量从轴承中带走，从而提升承载能力和使用寿命。

• 固体润滑剂：在无法使用液体润滑剂的环境中，例如真空腔体内，必须采用固体润滑剂。这类润滑剂可在相应工况下提供必要保护并降低摩擦。石墨和二硫化钼无需依赖润滑油或润滑脂即可实现减摩。

以下为免润滑轴承与传统润滑脂润滑轴承的对比：

运行工况与载荷分布

低转速

• 影响：低速应用中的轴承由于摩擦和发热较小，能够承受更大的载荷。

• 示例：输送机用于以缓慢且可控的速度输送重型物料。此类系统中的轴承必须能够承载重量，并避免过快磨损。

轴向载荷（沿轴线方向）

• 影响：轴向载荷沿轴线方向施加推力或拉力。轴承需要在不发生偏移或损坏的情况下承受这些力。

• 示例：工业烘炉通常采用轴承支撑旋转托盘或料架。这些轴承必须承受沿轴向作用的力，以确保设备平稳运行。

径向载荷（垂直于轴线方向）

• 影响：径向载荷以与轴线成直角的方向施加压力。轴承必须有效承受这种应力，以避免损坏或偏移。

• 示例：冶金生产中的冷却床需要轴承支撑用于输送金属的重型辊子。这些轴承必须在承受重量的同时保持可靠运行。

实际应用案例

• 输送机：此类设备通常在低转速和高径向载荷条件下运行。轴承必须在摩擦较小的情况下承载重量，以确保平稳运转。

• 烘炉：在托盘或料架旋转过程中，轴承需要承受轴向载荷，并能够耐受沿轴线方向的压力。

• 冷却床：轴承在输送金属过程中承受较大的径向载荷，必须具备足够的承载能力以支撑重量。

环境挑战

污染物、湿度以及腐蚀性环境会通过以下方式降低轴承的运行效率和承载能力

• 污染物（灰尘、粉尘等）：污染物进入轴承后，会引起摩擦、磨损和损伤，从而降低轴承效率，并削弱其承受重载的能力。

• 湿度（潮气）：水分会在轴承内部引发锈蚀和腐蚀，削弱材料强度，增加摩擦，并最终可能导致轴承失效。

• 腐蚀性工况：接触化学品或盐分会使轴承材料发生腐蚀，进而造成损伤、磨损加剧，并降低承载能力，使轴承无法有效支撑所需载荷。

以下是防护轴承免受污染物、潮气和腐蚀性工况影响的几种方法

• 迷宫密封：这类密封通过多道屏障阻止灰尘和污物进入轴承，在恶劣环境中具有良好的防护效果。

• 唇形密封：唇形密封具有柔性密封唇，可与轴承表面形成紧密接触，既能防止水分和污染物侵入，又能保持润滑剂留在内部，适用于中等转速和载荷工况。

• 金属密封或弹性体密封：这类密封可有效阻隔有害化学介质或高压环境的影响，特别适用于化工、海工等严苛工况下的轴承防护。

• 接触式密封：接触式密封旨在与轴承内表面形成严密密封，防止灰尘和潮气等污染物侵入轴承，从而降低摩擦，并提高轴承在复杂工况下的使用寿命。

• 非接触式密封：这类密封在不接触轴承表面的前提下实现防污染效果，可减少磨损和摩擦，适用于轻度污染工况。

• 润滑脂密封或油封：这类密封可将润滑脂或润滑油保持在轴承内部，提供额外的防污染和防潮保护，有助于降低腐蚀和磨损风险。

如何根据额定载荷计算并选型轴承

载荷能力计算

当量静载荷（P₀）

这是一个综合载荷，其在轴承上产生的应力与实际载荷相同。

P0=X⋅Fa+Y⋅Fr

• P₀ = 当量静载荷

• F_a = 轴向载荷（沿轴线方向）

• F_r = 径向载荷（垂直于轴线）

• X 和 Y = 载荷系数（取决于轴承类型）

所需基本额定静载荷（C₀req）

这是在静止工况下避免轴承损伤所需的承载能力。

C0req=P0/f0

• C₀req = 所需额定载荷

• P₀ = 当量静载荷（前文已计算）

• f₀ = 安全系数（通常为 1.5 至 2）

使用制造商载荷额定表

载荷额定表中的关键术语

动额定载荷（C）

轴承在旋转过程中可承受的载荷，用于预测轴承寿命。

• 基本额定静载荷（C₀）：

静止轴承在不产生永久变形的情况下可承受的载荷。

• 当量动载荷（P）：

作用于轴承上的力的组合，包括径向力和轴向力。

• 寿命预期（L₁₀）：

在特定载荷下，某一组轴承中 90% 发生失效前的转数或小时数

查阅载荷额定表时，应先明确工况需求，例如载荷类型是径向载荷、轴向载荷，还是两者并存。同时还需考虑运行速度和所需寿命。随后在表中筛选符合尺寸要求的轴承，并确认基本额定动载荷（C）高于实际载荷，且基本额定静载荷（C₀）能够承受重载静止工况。

可用公式 L10=(C/P)3 检查轴承寿命是否满足要求，其中 P 为实际载荷。同时，还应确认轴承的转速额定值适用于您的工况。应选择能够同时满足这些条件的轴承。

轴承选型最佳实践

明确应用工况要求

• 工作温度范围：明确轴承在运行过程中将承受的最高和最低温度，包括正常工况以及启动、停机等极端工况。

• 载荷条件：评估轴承需要承受的径向载荷和轴向载荷，并同时考虑静载荷（轴承静止时）与动载荷（运行过程中）。

• 转速要求：确定该应用所需轴承的转速，单位为每分钟转数（RPM）。

• 使用环境：评估轴承是否会接触潮气、粉尘或化学介质，并判断这些污染物对轴承性能及使用寿命的潜在影响。

选择合适的轴承材料

• 钢制轴承：适用于中等高温工况，可优先选用热处理钢或合金钢等材料。

• 陶瓷轴承：陶瓷轴承特别适用于高温工况，同时具备良好的耐腐蚀性能，可确保长期稳定运行。

• 特殊涂层：可考虑采用带防护涂层的轴承，以进一步提升耐久性。

选择合适的润滑方式

• 高温润滑脂：应确保其适配工作温度范围，并具备良好的抗氧化性能。

• 干式润滑：在高温工况下可采用石墨或二硫化钼等固体润滑剂。

• 油润滑：适用于高速应用，但在极端温度下可能出现性能劣化。

确认轴承结构设计

• 密封轴承与开放式轴承：密封轴承可有效防止污染物侵入；开放式轴承则更有利于散热。

• 内部游隙：应选用较大的内部游隙（如 C3、C4），以补偿热膨胀带来的尺寸变化。

• 保持架材料：在高温条件下，可选用金属保持架或耐热高分子保持架，以确保运行稳定性。

兼顾使用寿命与维护需求

• 耐久性：应选择能够承受长期高温暴露的材料和润滑剂。

• 维护需求：应明确轴承是否需要定期补脂或检查。

审查制造商技术规格

请查阅制造商数据表中的最高温度等级、转速限制和额定载荷能力。

测试与验证

在实际工况下进行试运行，以确保轴承性能符合预期。

建议向制造商或轴承专家咨询专业意见。他们可根据您的具体需求和工况，帮助选择最合适的轴承。

提升高温轴承的承载能力

安装方法

正确的对中与固定方式对于确保轴承高效运行至关重要。这有助于将载荷均匀分布于轴承各部位，避免不必要的应力，并延长轴承使用寿命。

安装时应在轴承与轴承座之间预留足够间隙，以便轴承在温度升高时能够自由热膨胀。可选用带有较大游隙的轴承（如 C3 或 C4）以满足这一要求。

安装过程中应避免轴承配合过紧。可考虑采用能够在高温下保持稳定、且不易变形的材料或涂层。

维护措施

新轴承的跑合有助于提升其性能，并确保运行更加平稳。应先以轻载运行，使各部件逐步磨合并降低摩擦；随后缓慢增加载荷，同时监测温度和噪声变化。

应确保轴承润滑充分，以避免磨损和过热。良好的润滑有助于延长轴承寿命，并保持高效运行。

定期检查是监控载荷工况、防止过载的关键。应检查轴承是否存在磨损迹象、异常噪声或温升变化。

应确认轴承仍在承受正确载荷，并在必要时进行调整。定期为轴承补充润滑并清洁保养，以维持其正常功能。及早发现问题有助于避免损坏，并延长轴承使用寿命。

升级为专用轴承

对于严苛工况，应选用具有石墨润滑或高强度材料等先进特性的轴承。石墨润滑适用于高温环境，并可有效降低摩擦。采用陶瓷或高强度合金等耐用材料制造的轴承，寿命更长，且更能抵抗磨损、腐蚀和重载。这类轴承适用于极端工况，可提供可靠运行表现。

SKF 提供采用石墨润滑的轴承，非常适用于高温环境，并有助于降低摩擦。他们还提供采用陶瓷和高强度合金等耐用材料制造的轴承。这些材料具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，并能承受重载。凭借这些先进特性，SKF 轴承非常适合极端工况，可确保可靠且持久的运行表现。

常见错误及规避方法

忽视运行工况

忽视热量、污染物及载荷偏载等因素，可能导致轴承失效。若轴承未按耐高温要求设计，高温还会加速其性能劣化。

接触灰尘、湿气等污染物会引起磨损和腐蚀。载荷分布不对中会使轴承承受额外应力，从而缩短使用寿命。轴承选型时应充分考虑这些因素，以确保匹配正确并避免造成高额损失。

载荷需求判断失准

低估载荷或使轴承超负荷运行都会引发严重问题。过载会导致快速磨损和摩擦增大，进而可能造成温升过高并损坏轴承。

若低估载荷，轴承将以低效状态运行，使用寿命也会随之缩短。无论低估还是高估载荷，最终都可能导致失效，并引发高额维修费用和设备损坏。应始终根据载荷条件选择合适的轴承，以避免上述问题。

忽视定期维护

忽视维护会加速轴承磨损，并削弱其承载能力。缺乏规范保养时，润滑不良或污染物侵入等问题都可能造成损伤，进而引发非计划停机维修并增加成本。定期维护有助于延长轴承寿命，并保持其平稳运行。

应用与案例研究

实际应用场景

• 食品加工：耐高温轴承可承受高温和湿气，因此在温度波动较大或存在水汽、蒸汽的环境中仍能保持可靠运行。

• 钢铁制造：此类轴承能够承受极端温度和重载工况，因此非常适用于钢铁生产中常见的高应力、高温环境。

• 汽车生产：耐高温轴承具备耐热和耐湿性能，因此可在温度变化较大的场所，或可能接触水汽、蒸汽的环境中稳定工作。耐高温轴承广泛应用于烘箱、输送系统和涂装烘干线等设备。在烘箱中，它们能够承受强烈热负荷并确保运转平稳；在输送系统中，它们可在高温条件下保持有效运行；在涂装烘干线中，这类轴承则能在热环境下维持性能，从而保障工艺连续性和生产效率。

案例研究：承载能力的实际表现

在一家钢铁制造工厂中，输送系统采用了 SKF 耐高温轴承。这些系统长期承受极端高温和重载工况。

改用 SKF 轴承后，该工厂的载荷承受能力得到提升，磨损也明显降低。由此带来运行时间提升 30%，维护成本下降 25%。轴承故障减少以及维修停机时间缩短，是实现这些改善的重要原因。

常见问题

• 静态额定载荷与动载荷额定值有什么区别？

静态额定载荷是指轴承在静止状态下可承受的最大载荷；动载荷额定值则是指轴承在运转过程中在不发生损伤的前提下可承受的最大载荷。

• 如何计算轴承的当量静载荷？

计算轴承当量静载荷时，需要将径向载荷（Fr）和轴向载荷（Fa）结合起来。公式如下：

P0=X0⋅Fr2+Y0⋅Fa

其中：

P0= 等效静载荷（N 或 lbf）

Fr= 径向载荷（N 或 lbf）

Fa= 轴向载荷（N 或 lbf）

X0= 径向载荷系数（查轴承样本表）

Y0= 轴向载荷系数（查轴承样本表）

• 高温轴承的最佳材料有哪些？

高温轴承的优选材料包括陶瓷材料，例如氮化硅，其耐热性能优异。不锈钢或钛合金同样适用于高温工况，具有出色的综合性能。铬钢和碳石墨在耐久性与耐磨性方面也表现良好，亦可作为可选方案。

结论

了解高温轴承的承载能力，对于确保其可靠运行至关重要，同时也有助于避免过早失效。通过优化承载匹配，可显著延长轴承在严苛工况下的使用寿命。

根据实际需求选型轴承，对于保障设备平稳运行十分重要。定期维护有助于延长轴承使用寿命；遵循制造商指南，则可确保其正常工作并减少故障隐患。

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