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滚动轴承产品技术发展的现状与方向

滚动轴承产品技术发展的现状与方向


以全球轴承工业的视野,截取二十一世纪以来近20年的历史跨度,在系统分析世界著名轴承公司主导产品的基础上,从技术和产品2个层面阐述了轴承产品技术发展现状,从减摩化、轻量化、单元化、智能化和鲁棒性等不同维度解析了轴承产品技术发展方向,并对未来总的发展方向及具体发展议题进行了展望。

滚动轴承(以下简称轴承)产品技术,是指将轴承作为一整类产品,其所包含的技术内涵或体现的技术特性,如高精度、高转速、低噪声、高载荷容量、长寿命与高可靠性等。产品技术的背后,是具体的设计技术、材料技术、润滑技术、密封技术等,这些都属于产品技术的支承技术[1]


对于轴承产品技术的方向性、趋势性、潮流性的判断,需要放在一个较大的时空概念下才能更好地审视、洞察和判断,否则只是短期时段、局部领域的昙花一现的个案,而构不成引领性的风向标。因此,必须以全球轴承工业的视野,截取一个较长的历史跨度,系统分析研究 “头部企业”(世界著名轴承公司)的主导产品,才可以梳理出脉络比较清晰的技术发展方向。

1 轴承产品技术发展现状

1.1技术进步与突破

20世纪80-90年代,轴承产品技术最突出的主流方向是加强型、低噪声和长寿命,另外在高精度方面,除了P4(高精密级)、P2(超高精密级)的标准公差等级及SP,UP,P2A等特殊公差等级之外,又提出了NRRO, 即“非重复跳动”指标。而进入21世纪以来的二十年间,轴承在追求高性能与长寿命方面,又达到了新高度。


1.1.1高性能

转速方面,重点聚焦于使用方便、维护简单、绿色环保的脂润滑轴承,其dm·n值已可达到了2.0×106mm·r/min,而过去的脂润滑推荐值仅为0.6×106mm·r/min。


载荷能力方面,基本上各类型轴承都普遍有所提高,如轴承额定动载荷计算公式中的bm系数,许多公司又做了调整,以应用最为广泛的深沟球轴承为例,bm系数在原1.3的基础上又提高了15%。


耐受温度方面,轴承常规的适用温度为-40~120℃,而现在对有些通用轴承耐受低温极限要求已到-55℃(此温度下,部分轴承零件材料将会面临低温脆性即“冷脆”的风险)。


低噪声方面,轴承类型已从深沟球轴承、圆柱滚子轴承等扩展到对使用要求一直比较“粗放”的调心滚子轴承。


摩擦力矩方面,已从精密仪器轴承延伸到汽车轴承、家电轴承、风电轴承、工业齿轮箱轴承等。­­­      


轴承在很多应用场合,都要求具备“全能”的技术特性。上述的高性能,体现在具体的轴承上很多都是叠加的,也即综合性能要优良卓越


高性能背后是以相关技术的显著进步为基石的,如软件方面有轴承CAD技术的普及化,有限元及仿真设计分析技术的下沉化,摩擦学应用技术的深度化等,还包括材料、装备等各个方面硬件的有力支撑。


1.1.2长寿命

著名品牌的电机轴承、机床轴承等,疲劳寿命已足以满足要求而基本无需考虑。电机轴承多采用密封结构,因此主要以润滑脂寿命为判断准则;机床轴承则主要以磨损寿命或精度寿命为失效依据。


汽车轴承:如轮毂、变速箱等关键部位轴承,要求设计寿命达到10×105km甚至12×105km公里。


铁路轴承:SKF最新推出的轴箱轴承,其大修(分解检修)周期可由常规的10×105km提高到17×105km [2]


盾构机主轴轴承:要求无故障使用寿命10000h或10km。


风电轴承:使用寿命要求20年,这可能是迄今为止对轴承寿命要求最长的应用领域。


轴承寿命的显著提高,贡献最大的首先是原材料的技术进步,如日本、欧洲和美国的高纯净度真空脱气轴承钢,达到了特殊冶炼方法的电渣重熔钢或真空电弧重熔钢的疲劳寿命水平,包括特殊材料(如高温钢M50NiL、高氮钢Cronidur30等)及特殊热处理(如纳米级贝氏体淬火、高残余奥氏体热处理等)的应用;其次,润滑(如长寿命润滑剂)、密封(如高性能密封结构与材料)、结构设计(如加强型优化设计)、精密加工(如高尺寸形状精度与低表面粗糙度的磨削超精)、质量控制(如超声波无损检测)等也发挥着重要作用。


在长寿命的技术背景中,一些基础性研究成果所带来的变化及影响是相当深刻的。


轴承寿命概念方面,经过早期(无限寿命)→长期(有限寿命)→近期(无限寿命)的演进,又一次确立了轴承具有“无限寿命”的特性,即通过几十年大量的试验数据表明,轴承存在一个“疲劳极限”,只要低于这一应力值或载荷值,轴承将不会发生疲劳破坏。这一概念彻底推翻了半个多世纪以来存在于经典理论暨教科书中的说法:无论怎样设计合理、制造精良、安装正确、润滑良好、维护得当,轴承都不可能永远运转下去,最终总会因为疲劳而失效。


在轴承疲劳机理方面,在欧、日、美等轴承工业发达国家,由于轴承钢的纯净度水平已经达到了相当高的程度,轴承疲劳机理已从第1种的“内部起源型为主”转为第2种的“表面起源型为主”。另外,白色组织(WEA)作为第3种疲劳机理,也已获得广泛共识


在轴承寿命计算方面:1)在国际标准ISO 281:2007《Rolling bearings­­­ - Dynamic load ratings and rating life》中,基于最小寿命理论给出了大于90%可靠度的新的a1修正系数,将最高可靠度由原99%扩展至了99.95%;基于SKF的研究成果,引入了“疲劳载荷极限”Cu及“轴承寿命计算系统方法”的aISO寿命修正系数。2)SKF继1989年提出修正轴承寿命模型后,又于2015年提出了广义轴承寿命模型,将表面疲劳与次表面引发疲劳分离开来,引入了表面疲劳模式。


轴承剩余寿命评估方面NSK首创了“疲劳度指数”这一概念,通过X射线对材料中马氏体半高宽与残余奥氏体的变化来推测轴承剩余使用寿命。Schaeffler则基于实际载荷谱,即以名义额定寿命减去当前已运行时间来计算轴承剩余使用寿命。

1.2产品升级与创新  

1.2.1通用轴承普遍实现了升级换代

通用轴承也称为标准轴承,对其的一般认知似乎是通用性较强但技术含量不高的轴承,但国际著名轴承公司在21世纪开始,几乎同步进行了升级换代。如:SKF的Explorer(探索者)轴承(1999年起)及其升级版(2011年起),Schaeffler的X-life轴承(2003年起),NSK的HPS(High Performance Standard)轴承(2004年起),NTN的ULTAGE(安特杰)轴承(2004年起)。


这些通用轴承的升级换代,大多公司实现的是“垂直换代”,即完全替代原“标准轴承”,或者说是“重新定义了标准轴承”。改进的技术内容,主要是进一步“提高了轴承的承载能力与寿命,减小了轴承的摩擦力矩(即提高了轴承转速),降低了轴承振动噪声”等综合性能。如NSK的HPS调心滚子轴承寿命提高了2倍,极限转速提高了20%以上;NTN的ULTAGE深沟球轴承,以用于高速伺服电动机为例,润滑脂寿命提高了约5倍,转速提高了2倍以上,噪声又降低了3dB(A)。


通用轴承量大面广,其技术性能的普遍提高,相当于从底部提升了轴承产品的整体技术水平,实际意义非常巨大。


由于通用轴承技术质量水平的大幅度提高,“通用轴承专用化”的范围也越来越扩大,如上述升级产品在许多专用轴承领域都得到广泛应用,且表现优异。通用轴承专用化这一现象的泛化与增强,既有利于轴承企业的批量化组织生产,又有利于轴承用户的低成本使用维护,将大大促进技术性与经济性的相得益彰。


1.2.2专用轴承进一步创新提升

专用轴承直接面向配套主机,需要满足各种苛刻的个性化要求(包括极端工况和极限性能),集成着许多先进甚至是尖端技术的应用,是轴承工业聚焦于性能提升与科技创新的核心产品载体。


1)机床主轴轴承。以角接触球轴承为代表,SKF推出有CD,CE和FB 3种结构形式,分别适用于重载、高速和超高速,实现了工况的全覆盖;Schaeffler在RS,HS系列的基础上,又开发了M系列,其结合了前2个系列的优点,且可靠性进一步提高;NSK开发了全新一代“robust”系列轴承,具有低温升、抗咬合、长寿命等综合优良性能,其中用于超高速轴承的SHX耐热钢,比航空发动机主轴轴承用M50钢更抗咬合、耐磨损及更优的疲劳寿命[3]


2)电机轴承。Schaeffler的新一代C型深沟球轴承,减小摩擦力矩35%,降低噪声50%,宣称是“与1883年磨球机的发明(作者注:即现代轴承工业发祥的标志)相提并论的历史里程碑”;NSK的GR系列深沟球轴承,具有低能耗、平顺静音的技术特点,适用于空调器、吸尘器、CPU冷却风扇等高效能电动机。


3)汽车轴承。乘用车用第3代轮毂轴承单元逐步成为市场主导产品。NSK开发的用于皮卡、大型SUV和商用车的第2.5,3代圆锥滚子轮毂轴承单元,通过集成化及低摩擦技术的应用,进一步提高了汽车的可靠性和燃油效率;SKF的轻型汽车轮毂轴承单元,凸缘部位以铝合金代替钢材,不仅质量减轻30%,而且在腐蚀性环境和宽温域下仍能保持其刚度和耐久性;Schaeffler的重型卡车用免维护(无需更换密封件和润滑脂)圆锥滚子轮毂轴承单元,质保期50×10km,设计寿命100×104 km,终生免维护,而先前的第2代轮毂轴承单元的设计寿命仅要求30×104 km,50×104 km;JTEKT的“高温和高速用增压器用轴承单元”,采用耐高温材料的套圈、保持架和陶瓷滚动体等,在工作温度350℃下,转速可达250 000 r/min ,而传统的增压器用轴承只能在工作温度150℃下达到50 000 r/min。



4)铁路轴承­。NSK新研发的双列圆柱滚子轴箱轴承,适用于设计时速320 km的E5系列高速列车,而原来仅能满足设计时速为275 km的E2,E3系列列车[4];SKF,Schaeffler,NTN及NSK提供于中国高铁动车组的轴箱轴承,均能满足列车运营时速200~350km且具有长交路、高密度、宽温域、复杂地质条件的苛刻要求;Schaeffler最新推出的牵引电动机用J20G绝缘轴承,套圈喷涂陶瓷,耐受击穿电压达到DC5 000 V(过去一般为DC1 000 V,最高为DC 3 000 V),是目前国际上最领先水平。



5)风电轴承。风电轴承是近20年来发展最为迅猛的专用轴承,创新产品主要集中在主轴轴承和增速器轴承上。如TIMKEN的主轴用TDI型双列圆锥滚子轴承,可吸收轴向载荷,减低齿轮箱的磨损即延长其使用寿命;SKF的主轴用“鹦鹉螺”双列圆锥滚子轴承单元,可以方便连接,减轻重量,减小摩擦,提高风机运行的可靠性。TIMKEN的增速器行星轮集成式柔性销组件,将齿轮与轴承外圈一体化,杜绝了外圈“跑圈”的可能性,同时提高了轴承的载荷能力,柔性销结构还改善了齿轮的啮合性能;Schaeffler等公司的增速器中高速端轴承,采用氧化发黑涂层(黑化)处理,不仅可以减轻高速轻载打滑损伤,耐受腐蚀和改善润滑剂表面的附着力,而且可以有效防止白色组织裂纹的发生;NSK采用自主研发的AWS-TF钢,耐白色组织寿命提高7倍,耐表面剥落寿命提高3倍,韧性则提高了2倍。



6)其他专用轴承。轧机轴承——NTN的轧辊用密封四列圆锥滚子轴承,防水性能和承载能力提高至2倍,使用寿命改进至1.8倍。矿山机械轴承——TIMKEN的DuraSpe××功率密度系列圆锥滚子轴承用于水泥立磨机,承载能力提高了28%,使用寿命提高至原轴承的2倍[5]。振动机械轴承——NSK的CA—VS3 ,CA—VS4调心滚子轴承,与原CA—VS轴承相比,最高可增长寿命至2倍,提高额定动载荷至25%。


这一时期,在细分市场上形成较大增量的专用轴承风电轴承、机器人轴承、新能源汽车轴承以及高铁轴承、医疗器械轴承等,其中大多都依赖于中国市场的快速发展。而风电设备的大功率化(8 MW、10 MW、12 MW甚至更大)、新能源汽车驱动电动机的高速化等发展趋势,也给关键部位配套轴承提出了不小挑战,各种解决方案的创新也极大地促进了轴承产品技术水平向高阶跃升。

(来源:轴承杂志社)



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