文章出處:知識(shí)中心 網(wǎng)責(zé)任編輯: 洛陽(yáng)軸承 閱讀量: 發(fā)表時(shí)間:2020-09-16 08:36:02
以全球軸承工業(yè)的視野,截取二十一世紀(jì)以來近20年的歷史跨度,在系統(tǒng)分析世界著名軸承公司主導(dǎo)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,從技術(shù)和產(chǎn)品2個(gè)層面闡述了軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,從減摩化、輕量化、單元化、智能化和魯棒性等不同維度解析了軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向,并對(duì)未來總的發(fā)展方向及具體發(fā)展議題進(jìn)行了展望。
滾動(dòng)軸承(以下簡(jiǎn)稱軸承)產(chǎn)品技術(shù),是指將軸承作為一整類產(chǎn)品,其所包含的技術(shù)內(nèi)涵或體現(xiàn)的技術(shù)特性,如高精度、高轉(zhuǎn)速、低噪聲、高載荷容量、長(zhǎng)壽命與高可靠性等。產(chǎn)品技術(shù)的背后,是具體的設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、潤(rùn)滑技術(shù)、密封技術(shù)等,這些都屬于產(chǎn)品技術(shù)的支承技術(shù)[1]。
對(duì)于軸承產(chǎn)品技術(shù)的方向性、趨勢(shì)性、潮流性的判斷,需要放在一個(gè)較大的時(shí)空概念下才能更好地審視、洞察和判斷,否則只是短期時(shí)段、局部領(lǐng)域的曇花一現(xiàn)的個(gè)案,而構(gòu)不成引領(lǐng)性的風(fēng)向標(biāo)。因此,必須以全球軸承工業(yè)的視野,截取一個(gè)較長(zhǎng)的歷史跨度,系統(tǒng)分析研究 “頭部企業(yè)”(世界著名軸承公司)的主導(dǎo)產(chǎn)品,才可以梳理出脈絡(luò)比較清晰的技術(shù)發(fā)展方向。
1 軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1技術(shù)進(jìn)步與突破
20世紀(jì)80-90年代,軸承產(chǎn)品技術(shù)最突出的主流方向是加強(qiáng)型、低噪聲和長(zhǎng)壽命,另外在高精度方面,除了P4(高精密級(jí))、P2(超高精密級(jí))的標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)及SP,UP,P2A等特殊公差等級(jí)之外,又提出了NRRO, 即“非重復(fù)跳動(dòng)”指標(biāo)。而進(jìn)入21世紀(jì)以來的二十年間,軸承在追求高性能與長(zhǎng)壽命方面,又達(dá)到了新高度。
1.1.1高性能
轉(zhuǎn)速方面,重點(diǎn)聚焦于使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的脂潤(rùn)滑軸承,其dm·n值已可達(dá)到了2.0×106mm·r/min,而過去的脂潤(rùn)滑推薦值僅為0.6×106mm·r/min。
載荷能力方面,基本上各類型軸承都普遍有所提高,如軸承額定動(dòng)載荷計(jì)算公式中的bm系數(shù),許多公司又做了調(diào)整,以應(yīng)用最為廣泛的深溝球軸承為例,bm系數(shù)在原1.3的基礎(chǔ)上又提高了15%。
耐受溫度方面,軸承常規(guī)的適用溫度為-40~120℃,而現(xiàn)在對(duì)有些通用軸承耐受低溫極限要求已到-55℃(此溫度下,部分軸承零件材料將會(huì)面臨低溫脆性即“冷脆”的風(fēng)險(xiǎn))。
低噪聲方面,軸承類型已從深溝球軸承、圓柱滾子軸承等擴(kuò)展到對(duì)使用要求一直比較“粗放”的調(diào)心滾子軸承。
摩擦力矩方面,已從精密儀器軸承延伸到汽車軸承、家電軸承、風(fēng)電軸承、工業(yè)齒輪箱軸承等。---
軸承在很多應(yīng)用場(chǎng)合,都要求具備“全能”的技術(shù)特性。上述的高性能,體現(xiàn)在具體的軸承上很多都是疊加的,也即綜合性能要優(yōu)良卓越。
高性能背后是以相關(guān)技術(shù)的顯著進(jìn)步為基石的,如軟件方面有軸承CAD技術(shù)的普及化,有限元及仿真設(shè)計(jì)分析技術(shù)的下沉化,摩擦學(xué)應(yīng)用技術(shù)的深度化等,還包括材料、裝備等各個(gè)方面硬件的有力支撐。
1.1.2長(zhǎng)壽命
著名品牌的電機(jī)軸承、機(jī)床軸承等,疲勞壽命已足以滿足要求而基本無需考慮。電機(jī)軸承多采用密封結(jié)構(gòu),因此主要以潤(rùn)滑脂壽命為判斷準(zhǔn)則;機(jī)床軸承則主要以磨損壽命或精度壽命為失效依據(jù)。
汽車軸承:如輪轂、變速箱等關(guān)鍵部位軸承,要求設(shè)計(jì)壽命達(dá)到10×105km甚至12×105km公里。
鐵路軸承:SKF最新推出的軸箱軸承,其大修(分解檢修)周期可由常規(guī)的10×105km提高到17×105km [2]。
盾構(gòu)機(jī)主軸軸承:要求無故障使用壽命10000h或10km。
風(fēng)電軸承:使用壽命要求20年,這可能是迄今為止對(duì)軸承壽命要求最長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。
軸承壽命的顯著提高,貢獻(xiàn)最大的首先是原材料的技術(shù)進(jìn)步,如日本、歐洲和美國(guó)的高純凈度真空脫氣軸承鋼,達(dá)到了特殊冶煉方法的電渣重熔鋼或真空電弧重熔鋼的疲勞壽命水平,包括特殊材料(如高溫鋼M50NiL、高氮鋼Cronidur30等)及特殊熱處理(如納米級(jí)貝氏體淬火、高殘余奧氏體熱處理等)的應(yīng)用;其次,潤(rùn)滑(如長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑劑)、密封(如高性能密封結(jié)構(gòu)與材料)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如加強(qiáng)型優(yōu)化設(shè)計(jì))、精密加工(如高尺寸形狀精度與低表面粗糙度的磨削超精)、質(zhì)量控制(如超聲波無損檢測(cè))等也發(fā)揮著重要作用。
在長(zhǎng)壽命的技術(shù)背景中,一些基礎(chǔ)性研究成果所帶來的變化及影響是相當(dāng)深刻的。
在軸承壽命概念方面,經(jīng)過早期(無限壽命)→長(zhǎng)期(有限壽命)→近期(無限壽命)的演進(jìn),又一次確立了軸承具有“無限壽命”的特性,即通過幾十年大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,軸承存在一個(gè)“疲勞極限”,只要低于這一應(yīng)力值或載荷值,軸承將不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。這一概念徹底推翻了半個(gè)多世紀(jì)以來存在于經(jīng)典理論暨教科書中的說法:無論怎樣設(shè)計(jì)合理、制造精良、安裝正確、潤(rùn)滑良好、維護(hù)得當(dāng),軸承都不可能永遠(yuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)下去,最終總會(huì)因?yàn)槠诙А?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important;"/>
在軸承疲勞機(jī)理方面,在歐、日、美等軸承工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,由于軸承鋼的純凈度水平已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的程度,軸承疲勞機(jī)理已從第1種的“內(nèi)部起源型為主”轉(zhuǎn)為第2種的“表面起源型為主”。另外,白色組織(WEA)作為第3種疲勞機(jī)理,也已獲得廣泛共識(shí)。
在軸承壽命計(jì)算方面:1)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 281:2007《Rolling bearings--- - Dynamic load ratings and rating life》中,基于最小壽命理論給出了大于90%可靠度的新的a1修正系數(shù),將最高可靠度由原99%擴(kuò)展至了99.95%;基于SKF的研究成果,引入了“疲勞載荷極限”Cu及“軸承壽命計(jì)算系統(tǒng)方法”的aISO壽命修正系數(shù)。2)SKF繼1989年提出修正軸承壽命模型后,又于2015年提出了廣義軸承壽命模型,將表面疲勞與次表面引發(fā)疲勞分離開來,引入了表面疲勞模式。
在軸承剩余壽命評(píng)估方面,NSK首創(chuàng)了“疲勞度指數(shù)”這一概念,通過X射線對(duì)材料中馬氏體半高寬與殘余奧氏體的變化來推測(cè)軸承剩余使用壽命。Schaeffler則基于實(shí)際載荷譜,即以名義額定壽命減去當(dāng)前已運(yùn)行時(shí)間來計(jì)算軸承剩余使用壽命。
1.2產(chǎn)品升級(jí)與創(chuàng)新
1.2.1通用軸承普遍實(shí)現(xiàn)了升級(jí)換代
通用軸承也稱為標(biāo)準(zhǔn)軸承,對(duì)其的一般認(rèn)知似乎是通用性較強(qiáng)但技術(shù)含量不高的軸承,但國(guó)際著名軸承公司在21世紀(jì)開始,幾乎同步進(jìn)行了升級(jí)換代。如:SKF的Explorer(探索者)軸承(1999年起)及其升級(jí)版(2011年起),Schaeffler的X-life軸承(2003年起),NSK的HPS(High Performance Standard)軸承(2004年起),NTN的ULTAGE(安特杰)軸承(2004年起)。
這些通用軸承的升級(jí)換代,大多公司實(shí)現(xiàn)的是“垂直換代”,即完全替代原“標(biāo)準(zhǔn)軸承”,或者說是“重新定義了標(biāo)準(zhǔn)軸承”。改進(jìn)的技術(shù)內(nèi)容,主要是進(jìn)一步“提高了軸承的承載能力與壽命,減小了軸承的摩擦力矩(即提高了軸承轉(zhuǎn)速),降低了軸承振動(dòng)噪聲”等綜合性能。如NSK的HPS調(diào)心滾子軸承壽命提高了2倍,極限轉(zhuǎn)速提高了20%以上;NTN的ULTAGE深溝球軸承,以用于高速伺服電動(dòng)機(jī)為例,潤(rùn)滑脂壽命提高了約5倍,轉(zhuǎn)速提高了2倍以上,噪聲又降低了3dB(A)。
通用軸承量大面廣,其技術(shù)性能的普遍提高,相當(dāng)于從底部提升了軸承產(chǎn)品的整體技術(shù)水平,實(shí)際意義非常巨大。
由于通用軸承技術(shù)質(zhì)量水平的大幅度提高,“通用軸承專用化”的范圍也越來越擴(kuò)大,如上述升級(jí)產(chǎn)品在許多專用軸承領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用,且表現(xiàn)優(yōu)異。通用軸承專用化這一現(xiàn)象的泛化與增強(qiáng),既有利于軸承企業(yè)的批量化組織生產(chǎn),又有利于軸承用戶的低成本使用維護(hù),將大大促進(jìn)技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的相得益彰。
1.2.2專用軸承進(jìn)一步創(chuàng)新提升
專用軸承直接面向配套主機(jī),需要滿足各種苛刻的個(gè)性化要求(包括極端工況和極限性能),集成著許多先進(jìn)甚至是尖端技術(shù)的應(yīng)用,是軸承工業(yè)聚焦于性能提升與科技創(chuàng)新的核心產(chǎn)品載體。
1)機(jī)床主軸軸承。以角接觸球軸承為代表,SKF推出有CD,CE和FB 3種結(jié)構(gòu)形式,分別適用于重載、高速和超高速,實(shí)現(xiàn)了工況的全覆蓋;Schaeffler在RS,HS系列的基礎(chǔ)上,又開發(fā)了M系列,其結(jié)合了前2個(gè)系列的優(yōu)點(diǎn),且可靠性進(jìn)一步提高;NSK開發(fā)了全新一代“robust”系列軸承,具有低溫升、抗咬合、長(zhǎng)壽命等綜合優(yōu)良性能,其中用于超高速軸承的SHX耐熱鋼,比航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承用M50鋼更抗咬合、耐磨損及更優(yōu)的疲勞壽命[3]。
2)電機(jī)軸承。Schaeffler的新一代C型深溝球軸承,減小摩擦力矩35%,降低噪聲50%,宣稱是“與1883年磨球機(jī)的發(fā)明(作者注:即現(xiàn)代軸承工業(yè)發(fā)祥的標(biāo)志)相提并論的歷史里程碑”;NSK的GR系列深溝球軸承,具有低能耗、平順靜音的技術(shù)特點(diǎn),適用于空調(diào)器、吸塵器、CPU冷卻風(fēng)扇等高效能電動(dòng)機(jī)。
3)汽車軸承。乘用車用第3代輪轂軸承單元逐步成為市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品。NSK開發(fā)的用于皮卡、大型SUV和商用車的第2.5,3代圓錐滾子輪轂軸承單元,通過集成化及低摩擦技術(shù)的應(yīng)用,進(jìn)一步提高了汽車的可靠性和燃油效率;SKF的輕型汽車輪轂軸承單元,凸緣部位以鋁合金代替鋼材,不僅質(zhì)量減輕30%,而且在腐蝕性環(huán)境和寬溫域下仍能保持其剛度和耐久性;Schaeffler的重型卡車用免維護(hù)(無需更換密封件和潤(rùn)滑脂)圓錐滾子輪轂軸承單元,質(zhì)保期50×104 km,設(shè)計(jì)壽命100×104 km,終生免維護(hù),而先前的第2代輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)壽命僅要求30×104 km,50×104 km;JTEKT的“高溫和高速用增壓器用軸承單元”,采用耐高溫材料的套圈、保持架和陶瓷滾動(dòng)體等,在工作溫度350℃下,轉(zhuǎn)速可達(dá)250 000 r/min ,而傳統(tǒng)的增壓器用軸承只能在工作溫度150℃下達(dá)到50 000 r/min。
4)鐵路軸承-。NSK新研發(fā)的雙列圓柱滾子軸箱軸承,適用于設(shè)計(jì)時(shí)速320 km的E5系列高速列車,而原來僅能滿足設(shè)計(jì)時(shí)速為275 km的E2,E3系列列車[4];SKF,Schaeffler,NTN及NSK提供于中國(guó)高鐵動(dòng)車組的軸箱軸承,均能滿足列車運(yùn)營(yíng)時(shí)速200~350km且具有長(zhǎng)交路、高密度、寬溫域、復(fù)雜地質(zhì)條件的苛刻要求;Schaeffler最新推出的牽引電動(dòng)機(jī)用J20G絕緣軸承,套圈噴涂陶瓷,耐受擊穿電壓達(dá)到DC5 000 V(過去一般為DC1 000 V,最高為DC 3 000 V),是目前國(guó)際上最領(lǐng)先水平。
5)風(fēng)電軸承。風(fēng)電軸承是近20年來發(fā)展最為迅猛的專用軸承,創(chuàng)新產(chǎn)品主要集中在主軸軸承和增速器軸承上。如TIMKEN的主軸用TDI型雙列圓錐滾子軸承,可吸收軸向載荷,減低齒輪箱的磨損即延長(zhǎng)其使用壽命;SKF的主軸用“鸚鵡螺”雙列圓錐滾子軸承單元,可以方便連接,減輕重量,減小摩擦,提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。TIMKEN的增速器行星輪集成式柔性銷組件,將齒輪與軸承外圈一體化,杜絕了外圈“跑圈”的可能性,同時(shí)提高了軸承的載荷能力,柔性銷結(jié)構(gòu)還改善了齒輪的嚙合性能;Schaeffler等公司的增速器中高速端軸承,采用氧化發(fā)黑涂層(黑化)處理,不僅可以減輕高速輕載打滑損傷,耐受腐蝕和改善潤(rùn)滑劑表面的附著力,而且可以有效防止白色組織裂紋的發(fā)生;NSK采用自主研發(fā)的AWS-TF鋼,耐白色組織壽命提高7倍,耐表面剝落壽命提高3倍,韌性則提高了2倍。
6)其他專用軸承。軋機(jī)軸承——NTN的軋輥用密封四列圓錐滾子軸承,防水性能和承載能力提高至2倍,使用壽命改進(jìn)至1.8倍。礦山機(jī)械軸承——TIMKEN的DuraSpe××功率密度系列圓錐滾子軸承用于水泥立磨機(jī),承載能力提高了28%,使用壽命提高至原軸承的2倍[5]。振動(dòng)機(jī)械軸承——NSK的CA—VS3 ,CA—VS4調(diào)心滾子軸承,與原CA—VS軸承相比,最高可增長(zhǎng)壽命至2倍,提高額定動(dòng)載荷至25%。
這一時(shí)期,在細(xì)分市場(chǎng)上形成較大增量的專用軸承有風(fēng)電軸承、機(jī)器人軸承、新能源汽車軸承以及高鐵軸承、醫(yī)療器械軸承等,其中大多都依賴于中國(guó)市場(chǎng)的快速發(fā)展。而風(fēng)電設(shè)備的大功率化(8 MW、10 MW、12 MW甚至更大)、新能源汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的高速化等發(fā)展趨勢(shì),也給關(guān)鍵部位配套軸承提出了不小挑戰(zhàn),各種解決方案的創(chuàng)新也極大地促進(jìn)了軸承產(chǎn)品技術(shù)水平向高階躍升。
(來源:軸承雜志社)
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