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    滾動軸承產品技術發展的現狀與方向


    以全球軸承工業的視野,截取二十一世紀以來近20年的歷史跨度,在系統分析世界著名軸承公司主導產品的基礎上,從技術和產品2個層面闡述了軸承產品技術發展現狀,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品技術發展方向,并對未來總的發展方向及具體發展議題進行了展望。

    滾動軸承(以下簡稱軸承)產品技術,是指將軸承作為一整類產品,其所包含的技術內涵或體現的技術特性,如高精度、高轉速、低噪聲、高載荷容量、長壽命與高可靠性等。產品技術的背后,是具體的設計技術、材料技術、潤滑技術、密封技術等,這些都屬于產品技術的支承技術[1]。


    對于軸承產品技術的方向性、趨勢性、潮流性的判斷,需要放在一個較大的時空概念下才能更好地審視、洞察和判斷,否則只是短期時段、局部領域的曇花一現的個案,而構不成引領性的風向標。因此,必須以全球軸承工業的視野,截取一個較長的歷史跨度,系統分析研究 “頭部企業”(世界著名軸承公司)的主導產品,才可以梳理出脈絡比較清晰的技術發展方向。

    1 軸承產品技術發展現狀

    1.1技術進步與突破

    20世紀80-90年代,軸承產品技術最突出的主流方向是加強型、低噪聲和長壽命,另外在高精度方面,除了P4(高精密級)、P2(超高精密級)的標準公差等級及SP,UP,P2A等特殊公差等級之外,又提出了NRRO, 即“非重復跳動”指標。而進入21世紀以來的二十年間,軸承在追求高性能與長壽命方面,又達到了新高度。


    1.1.1高性能

    轉速方面,重點聚焦于使用方便、維護簡單、綠色環保的脂潤滑軸承,其dm·n值已可達到了2.0×106mm·r/min,而過去的脂潤滑推薦值僅為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,如軸承額定動載荷計算公式中的bm系數,許多公司又做了調整,以應用最為廣泛的深溝球軸承為例,bm系數在原1.3的基礎上又提高了15%。


    耐受溫度方面,軸承常規的適用溫度為-40~120℃,而現在對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面臨低溫脆性即“冷脆”的風險)。


    低噪聲方面,軸承類型已從深溝球軸承、圓柱滾子軸承等擴展到對使用要求一直比較“粗放”的調心滾子軸承。


    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、風電軸承、工業齒輪箱軸承等。---      


    軸承在很多應用場合,都要求具備“全能”的技術特性。上述的高性能,體現在具體的軸承上很多都是疊加的,也即綜合性能要優良卓越。


    高性能背后是以相關技術的顯著進步為基石的,如軟件方面有軸承CAD技術的普及化,有限元及仿真設計分析技術的下沉化,摩擦學應用技術的深度化等,還包括材料、裝備等各個方面硬件的有力支撐。


    1.1.2長壽命

    著名品牌的電機軸承、機床軸承等,疲勞壽命已足以滿足要求而基本無需考慮。電機軸承多采用密封結構,因此主要以潤滑脂壽命為判斷準則;機床軸承則主要以磨損壽命或精度壽命為失效依據。


    汽車軸承:如輪轂、變速箱等關鍵部位軸承,要求設計壽命達到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)周期可由常規的10×105km提高到17×105km [2]。


    盾構機主軸軸承:要求無故障使用壽命10000h或10km。


    風電軸承:使用壽命要求20年,這可能是迄今為止對軸承壽命要求最長的應用領域。


    軸承壽命的顯著提高,貢獻最大的首先是原材料的技術進步,如日本、歐洲和美國的高純凈度真空脫氣軸承鋼,達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(如納米級貝氏體淬火、高殘余奧氏體熱處理等)的應用;其次,潤滑(如長壽命潤滑劑)、密封(如高性能密封結構與材料)、結構設計(如加強型優化設計)、精密加工(如高尺寸形狀精度與低表面粗糙度的磨削超精)、質量控制(如超聲波無損檢測)等也發揮著重要作用。


    在長壽命的技術背景中,一些基礎性研究成果所帶來的變化及影響是相當深刻的。


    軸承壽命概念方面,經過早期(無限壽命)→長期(有限壽命)→近期(無限壽命)的演進,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數據表明,軸承存在一個“疲勞極限”,只要低于這一應力值或載荷值,軸承將不會發生疲勞破壞。這一概念徹底推翻了半個多世紀以來存在于經典理論暨教科書中的說法:無論怎樣設計合理、制造精良、安裝正確、潤滑良好、維護得當,軸承都不可能永遠運轉下去,最終總會因為疲勞而失效。


    在軸承疲勞機理方面,在歐、日、美等軸承工業發達國家,由于軸承鋼的純凈度水平已經達到了相當高的程度,軸承疲勞機理已從第1種的“內部起源型為主”轉為第2種的“表面起源型為主”。另外,白色組織(WEA)作為第3種疲勞機理,也已獲得廣泛共識。


    在軸承壽命計算方面:1)在國際標準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,將最高可靠度由原99%擴展至了99.95%;基于SKF的研究成果,引入了“疲勞載荷極限”Cu及“軸承壽命計算系統方法”的aISO壽命修正系數。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疲勞分離開來,引入了表面疲勞模式。


    軸承剩余壽命評估方面,NSK首創了“疲勞度指數”這一概念,通過X射線對材料中馬氏體半高寬與殘余奧氏體的變化來推測軸承剩余使用壽命。Schaeffler則基于實際載荷譜,即以名義額定壽命減去當前已運行時間來計算軸承剩余使用壽命。

    1.2產品升級與創新  

    1.2.1通用軸承普遍實現了升級換代

    通用軸承也稱為標準軸承,對其的一般認知似乎是通用性較強但技術含量不高的軸承,但國際著名軸承公司在21世紀開始,幾乎同步進行了升級換代。如:SKF的Explorer(探索者)軸承(1999年起)及其升級版(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換代,大多公司實現的是“垂直換代”,即完全替代原“標準軸承”,或者說是“重新定義了標準軸承”。改進的技術內容,主要是進一步“提高了軸承的承載能力與壽命,減小了軸承的摩擦力矩(即提高了軸承轉速),降低了軸承振動噪聲”等綜合性能。如NSK的HPS調心滾子軸承壽命提高了2倍,極限轉速提高了20%以上;NTN的ULTAGE深溝球軸承,以用于高速伺服電動機為例,潤滑脂壽命提高了約5倍,轉速提高了2倍以上,噪聲又降低了3dB(A)。


    通用軸承量大面廣,其技術性能的普遍提高,相當于從底部提升了軸承產品的整體技術水平,實際意義非常巨大。


    由于通用軸承技術質量水平的大幅度提高,“通用軸承專用化”的范圍也越來越擴大,如上述升級產品在許多專用軸承領域都得到廣泛應用,且表現優異。通用軸承專用化這一現象的泛化與增強,既有利于軸承企業的批量化組織生產,又有利于軸承用戶的低成本使用維護,將大大促進技術性與經濟性的相得益彰。


    1.2.2專用軸承進一步創新提升

    專用軸承直接面向配套主機,需要滿足各種苛刻的個性化要求(包括極端工況和極限性能),集成著許多先進甚至是尖端技術的應用,是軸承工業聚焦于性能提升與科技創新的核心產品載體。


    1)機床主軸軸承。以角接觸球軸承為代表,SKF推出有CD,CE和FB 3種結構形式,分別適用于重載、高速和超高速,實現了工況的全覆蓋;Schaeffler在RS,HS系列的基礎上,又開發了M系列,其結合了前2個系列的優點,且可靠性進一步提高;NSK開發了全新一代“robust”系列軸承,具有低溫升、抗咬合、長壽命等綜合優良性能,其中用于超高速軸承的SHX耐熱鋼,比航空發動機主軸軸承用M50鋼更抗咬合、耐磨損及更優的疲勞壽命[3]。


    2)電機軸承。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年磨球機的發明(作者注:即現代軸承工業發祥的標志)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、平順靜音的技術特點,適用于空調器、吸塵器、CPU冷卻風扇等高效能電動機。


    3)汽車軸承。乘用車用第3代輪轂軸承單元逐步成為市場主導產品。NSK開發的用于皮卡、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的應用,進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,不僅質量減輕30%,而且在腐蝕性環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(無需更換密封件和潤滑脂)圓錐滾子輪轂軸承單元,質保期50×10km,設計壽命100×104 km,終生免維護,而先前的第2代輪轂軸承單元的設計壽命僅要求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、保持架和陶瓷滾動體等,在工作溫度350℃下,轉速可達250 000 r/min ,而傳統的增壓器用軸承只能在工作溫度150℃下達到50 000 r/min。



    4)鐵路軸承-。NSK新研發的雙列圓柱滾子軸箱軸承,適用于設計時速320 km的E5系列高速列車,而原來僅能滿足設計時速為275 km的E2,E3系列列車[4];SKF,Schaeffler,NTN及NSK提供于中國高鐵動車組的軸箱軸承,均能滿足列車運營時速200~350km且具有長交路、高密度、寬溫域、復雜地質條件的苛刻要求;Schaeffler最新推出的牽引電動機用J20G絕緣軸承,套圈噴涂陶瓷,耐受擊穿電壓達到DC5 000 V(過去一般為DC1 000 V,最高為DC 3 000 V),是目前國際上最領先水平。



    5)風電軸承。風電軸承是近20年來發展最為迅猛的專用軸承,創新產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,提高風機運行的可靠性。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,同時提高了軸承的載荷能力,柔性銷結構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,耐受腐蝕和改善潤滑劑表面的附著力,而且可以有效防止白色組織裂紋的發生;NSK采用自主研發的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,使用壽命改進至1.8倍。礦山機械軸承——TIMKEN的DuraSpe××功率密度系列圓錐滾子軸承用于水泥立磨機,承載能力提高了28%,使用壽命提高至原軸承的2倍[5]。振動機械軸承——NSK的CA—VS3 ,CA—VS4調心滾子軸承,與原CA—VS軸承相比,最高可增長壽命至2倍,提高額定動載荷至25%。


    這一時期,在細分市場上形成較大增量的專用軸承風電軸承、機器人軸承、新能源汽車軸承以及高鐵軸承、醫療器械軸承等,其中大多都依賴于中國市場的快速發展。而風電設備的大功率化(8 MW、10 MW、12 MW甚至更大)、新能源汽車驅動電動機的高速化等發展趨勢,也給關鍵部位配套軸承提出了不小挑戰,各種解決方案的創新也極大地促進了軸承產品技術水平向高階躍升。

    (來源:軸承雜志社)



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