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跨国轴承公司高端轴承科技发展趋势
发布时间:2020年08月20日 阅读: 1752

 

一、基于动力学仿真分析的设计技术


滚动轴承动力学仿真分析研究的是轴承零件的运动和载荷的关系。
  滚动轴承的动力学研究分为四个阶段:静力学模型、拟静力学模型、拟动力学模型、动力学模型。
  目前我国轴承设计计算的先进水平是采用静力学模型、拟静力学模型,采用拟动力学模型的凤毛麟角,量大面广的中小轴承企业,还处在模仿设计和经验设计阶段。而SKF等国际跨国轴承公司已应用基于动力学仿真分析的设计技术。
  跨国轴承公司在已构建的轴承分析设计理论基础上,结合多年的研发经验和数据积累,开发了各自的轴承动力学建模和仿真分析软件,支撑轴承分析设计工作。
  NSK的Aramaki开发了滚动轴承动力学分析软件包BRAIN,并分别以圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、四点接触球轴承为实例,开展轴承力矩、PV值等相关实验,以验证程序的准确性。
  SKF的Stake等开发了BEAST软件,用于滚动轴承动力学仿真分析。该软件可用于保持架运动特性分析。
  SCHAEFFLER已开发了动力学建模和仿真软件BearingX。Sadeghi等构建具有6自由度的圆柱滚子轴承动力学分析模型。该模型可分析转速、滚动体尺寸变化、保持架的对称性等对保持架稳定性的影响。
SCHAEFFLER的X-life新产品比上一代标准产品承载能力提高20%,寿命提高70%,摩擦降低50%。
性能提升主要是通过以下三个方面实现:一是对表面质量的改善,使用全新的方法Abbott曲线来评价精加工表面的质量,通过对Rk,Rvk,Rpk三个参数的限定,在增加实际接触面积减少应力的同时保留润滑油脂的存贮空间。二是采用优化的材料和热处理,使得其具有更强的对抗污染和防止裂纹产生的能力,从而提高寿命。三是优化了内部的结构,使用更加符合应用的内部油沟和滚道面的型线设计。
在X-life的基础上,SCHAEFFLER进一步提高产品性能。SCHAEFFLER研发的新型轴承专用材料Mancrodur,提高Mn的含量,降低Cr的含量,结合X-life和碳氮共渗技术,可获得更细密的组织以提高耐磨性和抵抗裂纹的产生同时具有更高的表面压应力。可以在X-life的基础上将额定动载荷再提高30%,同时原材料成本和生产成本比采用传统轴承钢大幅降低。
SCHAEFFLER采用KBE大幅度提高方案的有效性,缩短研发周期,快速给客户提供最佳解决方案。KBE(Knowledge Based Engineering)结合SCHAEFFLER多年的轴承设计经验和综合知识,能辅助设计工程师根据客户的尺寸,载荷等需求快速提供轴承设计方案,并且充分应用零件的标准化完成最佳的成本设计。KBE工具和设计软件如Pro/E,计算软件如BearingX等完美对接,具备设计计算和数据库一体化功能,并且链接SAP系统,能快速创建生产所需的物料号和清单,高效辅助设计人员完成客户定制以及生产数据对接。

二、滚动接触疲劳寿命计算

  
20世纪40年代,瑞典科学家Lundberg和Palmgren以滚动接触条件下的赫兹接触理论为基础,并考虑材料内部缺陷的概率分布,提出了著名的轴承滚动接触疲劳寿命设计计算的理论公式(简称为L-P理论)。经过数十年的修正,形成了滚动轴承疲劳寿命计算的国际标准。
  但是,基于L-P理论形成的国际标准,并不完全适用于表面起源型疲劳失效的寿命计算,对于航空发动机主轴轴承,常见的高速轻载打滑擦伤这类失效形式,L-P理论则完全不适用。对此,现在还没有广泛认可的寿命设计计算模型。
  在这种情况下,国际跨国轴承公司致力于更符合轴承实际运转情况的性能分析工具的开发。如SKF开发的BEAST软件。没有采用滚道控制等假设进行动力学仿真。NSK的BRAIN软件抛弃了传统轴承计算的“纯滚动”的假设,实现了对轴承旋转的动态多功能、全方位的仿真分析。

三、轴承无限寿命设计


在轴承工业发展初期,曾经提出过轴承无限寿命的概念并有所应用。这种概念认为,若轴承承受的载荷小于其载荷容量(滚动体与滚道之间的最大接触应力与材料规定强度相等时的轴承载荷),则轴承有可能永久使用。但后来更多的理论认为:即使轴承安装正确、润滑良好、使用得当,但由于承受反复交变应力,最终也会由于疲劳而失效,不可能永远运转下去。因此,轴承寿命只可能是有限寿命。
瑞典SKF公司于1984年发表的新寿命理论又重新引入了轴承具有无限寿命的概念:在润滑、清洁度及其他运转条件理想的情况下,若轴承承受的载荷低于疲劳载荷极限Pu,将不会产生疲劳损坏,即轴承寿命是无限的。对于常规轴承钢,Pu基于的接触应力约为1500MPa。
对轴承进行无限寿命设计时,具体的Pu可参考SKF的轴承产品样本,也可根据轴承额定静载荷C0进行估算。对于球轴承,1.png;对于调心球轴承,2.png;对于其他轴承,3.png
将无限寿命的概念引入轴承设计的目的是为了实现轴承服役的高可靠性,确保轴承在设计应力下的长期安全运转。

四、热处理工艺


美国科罗拉多矿校的Speer等提出淬火—碳分配(quenching—partitining·QP)热处理工艺,通过QT热处理工艺,在钢内稳定一定量的残余奥氏体,以提高钢的强度和韧性。这一工艺颠覆了传统的淬火钢残余奥氏体越少越好的理念。
与QT热处理工艺异曲同工的是日本NSK开发的抗磨粒磨损钢及其热处理工艺。日本NSK公司采用自行开发的STF(Super-TF)钢和HTF(Hi-TF)钢制造风机增速器轴承。增速器在工作过程中,齿轮磨损产生的微小金属颗粒,在轴承工作表面形成压痕,压痕边缘形成高的应力集中,成为疲劳源,导致剥落,缩短轴承使用寿命。NSK公司开发的用中碳合金钢STF和HTF钢碳氮共渗,通过严格控制碳氮共渗工艺,使零件表面得到较多的稳定的残余奥氏体(约30~35%)和大量细小的碳化物、碳氮化物。后者可保证表面的硬度和耐磨性,使压痕不易形成;前者可以降低压痕的边缘效应,阻止疲劳源的形成和扩展,从而大大提高轴承在如风电增速器、汽车变速箱这样的在污染润滑工况下的使用寿命。
此外,SKF的MRC公司通过改进热处理工艺,使M50NiL轴承钢的断裂韧性从350MPa·m提高到近700MPa·m。

五、润滑技术和润滑脂


国外大公司对高效、长寿命润滑技术和润滑脂的开发和应用十分重视。SKF有一支实力很强的润滑研究团队,研发建立了一种润滑脂寿命(或补充润滑脂间隔)实证模型,开发了应用于不同轴承产品的润滑脂,同时开发了新型油气润滑结构、微量供油系统,使轴承极限转速提高了10%~20%。NSK将摩擦润滑技术列为四大核心技术之一,应用其开发的润滑脂,轴承的dmn值达到1.8×106mm·r/min时,寿命可达2万h。


六、轴承的集成化


SKF开发的应用于1.5兆瓦~6兆瓦风力发电机组主轴的SKF Nautilus(鹦鹉螺)轴承,将轴承与机架集为一体,并直接连接到轮毂上,承担转子的全部载荷。这种紧凑型结构的轴承有很高的刚度,并能减小机舱的尺寸和重量。
NSK开发的风力发电机组增速器用无外圈轴承,齿轮内径面直接作为轴承的滚道使用,从而省略了外圈的设计。该设计能够彻底解决外圈打滑的问题,同时通过轴承特殊配列的设定,还可以实现更高的承载能力,提高该部位的运转可靠性。
  SCHAEFFLER开发的专门应用于CT设备的能即时安装的FAG SIMTUS系统,将电动直驱系统集成在轴承上,提供完整且易于安装的整体解决方案,完全满足医院放射学诊疗中所采用的计算机辅助成像程序的严格要求,集成在轴承上的高分辨率测量系统,有助于计算机断层扫描成像程序运行,使扫描时间大大缩短,成像更为清晰,系统操作噪声明显降低。
SCHAEFFLER最新研发的角接触滚子单元,是兼具圆锥滚子轴承高承载力和球轴承低摩擦力的多重优点的新型轴承形式,在变速箱领域具备很大的应用潜力。
SCHAEFFLER、JTEKT、NTN等跨国轴承公司对轿车轮毂轴承集成化的发展过程,如下图。

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轿车轮毂轴承集成化发展过程


七、轴承的智能化


现在世界上还没有一套真正意义上的智能轴承,但是跨国轴承公司在轴承的智能化上作了很大的努力,也有所建树。SKF在风力发电机组轴承上安装SKF WindCon系统,通过传感器,对轴承运行状况进行远程监测。依据运行数据的收集和分析,对已经发生的故障诊断报警,对即将发生的故障诊断预警。同时,SKF WindCon还可与SKF WindLub自润滑系统集成,依据检测结果,适时、适量、位置精准地注入润滑脂,使轴承始终处于良好的润滑状态,有助于提高轴承的可靠性,降低维修成本,延长使用寿命。SCHAEFFLER也研制了带传感器,集成了SmartCheck状态检测系统的轴承,对轴承进行在线和离线状态检测,并可对轴承运行状态进行自主分析及模拟。同时,集成了自动注脂器,适时调整润滑状态。这种轴承已广泛应用于电机、齿轮箱、压缩机等领域。
    SCHAEFFLER的VarioSense轴承可同时提供多个传感器信号,在一个紧凑的单元中对机械设备和和生产流程进行监控,5个截面宽度为7mm的传感器可集成到传感器簇环,这些元件记录机器中的各种物理量,通过集成传感器、执行器、控制器和软件用于驱动器控制,过程状态检测或剩余寿命计算。作为工业4.0的产品解决方案,这些创新的功能不断提升了机器的可利用率,也为很多新商业模式提供可能。

八、适应主机发展开发高端轴承


(一)汽车轴承
NSK汽车轴承广泛应用于包括底盘系统、传动系统、发动机辅机在内的各个部位,适应各个应用部位的要求开发出了相应的产品。
有些路况相对恶劣的运行条件,对轮毂轴承的密封性能提出了更苛刻的要求。为适应这一特殊要求,NSK成功开发了高可靠性高密封性轮毂轴承,耐泥水试验结果表明,该新型轮毂轴承的密封性能是国际同类产品的3倍,使用寿命提高1倍以上。
随着变速箱技术的不断发展,变速箱用轴承也在不断进化。为了满足不同的使用环境要求,节能减排,NSK不断改善设计,减小圆锥轴承的摩擦力矩,迄今已开发出第六代低摩擦圆锥轴承,摩擦力矩累积降低约70%。
汽车发动机常年在高速高温状态下运行,其周边的辅机用轴承对密封性、耐高速及耐高温性能有着非常严格的要求。为此,NSK开发了一系列特殊密封及耐高温润滑脂等产品来满足这些要求。针对比较常见的交流发电机轴承的电蚀失效问题,NSK特别开发了新型导电润滑脂,大大提高了润滑脂的导电率,由此大幅降低了轴承发生电蚀损伤的风险。
为适应汽车“四化(智能化、电动化、网联化、共享化)”NSK进行了一系列探索,取得不少成果。
NSK针对混合动力车(HEV)、电动车(EV)及燃料电池车(FCV)等,开发出了一系列轴承产品,通过小型轻量化、低摩擦损失、静音性等产品特点,提高了汽车的可靠性,降低了能源消耗,有利于环境保护和提高汽车安全性、舒适性。
为了实现电动汽车的轻量化,驱动电机的高速化是必然发展趋势之一。然而,高速电机如果使用传统齿轮减速机构减速,会出现噪音大及齿轮寿命不足的问题。NSK依靠在轴承制造领域的精密机械加工及材料技术,开发出了无需齿轮,而是通过特殊油作为媒介来传递动力,实现减速的牵引驱动机构。该机构可与最高转速4万rpm的高速电机组合,实现电动车驱动系统整体的进一步小型化和轻量化。
针对EV,HEV驱动电机的高速化趋势,NSK开发了新一代高速电机用脂润滑球轴承,该产品通过保持架的优化设计及材料升级,以及适用于高速条件的润滑脂开发,有效降低高速运转条件下保持架磨损及发生咬粘的风险,实现dmn可超过1×106mm.r/min,与传统产品相比,在高速条件下,轴承寿命提高5倍,同时摩擦力矩减少20%。
(二)铁路车辆轴承
在铁道车辆领域,通常是基于走行时间或距离对车辆进行维护(大修等),确认包括轴承在内的功能部件的状态,进行必要的修理或更换。这种方式耗时且成本较高。为了实现铁道车辆用轴承在使用过程中的高可靠性、高安全性,NSK开发了铁道车辆状态监测系统。该系统可实时监测记录轴承的振动及温度,实时分析其状态及变化趋势,对于早期故障可提出预见性的维护建议。借助此系统,可有效地实现预防性维护,在避免故障突然发生的同时,延长轴承的点检周期,降低轴承的维护成本。

(三)风电轴承
在风力发电领域,增速器用滚动轴承会发生过早的故障,其中一个主要的失效模式是伴随着微观组织结构变化的剥落,由于能够在剥落区域的断面上观察到呈白色的微观组织,因此这种剥落被称为白色组织剥落(WSF)。针对白色组织剥落问题,NSK通过多年的潜心研究,推出了抗白色组织剥落的AWS-TF材料。这种材料采用NSK独自开发的特殊材料(优化合金成分),可有效抑制氢元素的入侵及扩散,延迟白色组织的形成,并且通过特殊的热处理技术,抑制微观裂纹的发生及扩展。采用AWS-TF材料的轴承其抗白色组织剥落寿命是标准轴承钢的7倍,为提高增速器长期运行的可靠性作出了重要贡献。
(四)机床轴承
    在机床领域,机床主轴用轴承追求高转速、高刚度、高精度以及考虑环保的设计。针对上述需求,NSK研发了能够实现高转速、高刚性、低发热的ROBUST角接触球轴承和圆柱滚子轴承并投入市场,获得了客户的一致好评。为了进一步满足机床主轴紧凑化的需求,NSK研究开发了外圈供油方式的ROBUST角接触球轴承标准系列并投入市场。该产品一改以往从轴承侧面供油的方式,通过外圈供油孔直接供油,实现向轴承内部润滑剂的供给。由于不再需要配置供油用隔圈,因此可实现主轴轴向尺寸更紧凑,也使加工性能得到了提高。



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