滚动轴承产品技术发展的现状与方向(续完)

 新闻资讯     |      2020-09-18 14:13
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。

2  轴承产品技术发展方向的解析

轴承产品技术近一时期的主要发展方向,若按不同维度进行解析,主要可凝练概括如下。

 

2.1 减摩化

在全球经济社会绿色发展的大趋势下,减摩化(也称为节能化等)已成为轴承产品技术发展方向中最重要的主题。NTN直接声称轴承为“eco-products”即生态产品。SKF推出的E2深沟球轴承,即使与其探索者轴承相比,摩擦损耗又降低了至少30%以上;其开发的X-Tracker低摩擦汽车轮毂轴承单元,与传统轮毂轴承单元相比,摩擦力矩减少25%,以在中型车上的应用为例,可减少1.3g/km的CO2排放。NSK的GR系列深沟球轴承,摩擦力矩减少40%~50%。JTEKT持续开发的低摩擦力矩圆锥滚子轴承,从1990年到2015年,共经历了4代,从第1代到第4代,摩擦力矩降低幅度依次环比为10%,20%,50%和65%,其中第3代LFT-Ⅲ的成果曾获得日本摩擦技术奖,第4代LFT-Ⅳ则被称为“下一代超低摩擦力矩圆锥滚子轴承”[6]。NSK更是从1980年开始至2017年,将圆锥滚子轴承不断升级迭代到了第6代,摩擦力矩累计降低了70%左右[7]

 

2.2 轻量化

轻量化既是节能化的一个实现路径,本身还具有节材的价值。现代机械设计的目标函数中,轻量化往往是一个核心指标,尤其是对于航天、航空飞行器而言,追求减轻质量已到了按“克”计量的程度。汽车轻量化也是其关键技术之一,特别是对于新能源汽车的“续航里程焦虑”,除了不断提高动力电池的能量密度之外,整车实现轻量化以降低能耗就是另外一条“逆向思维”的解决路径。轴承本身不仅在做轻量化的贡献,而且使得配套的驱动电动机、变速箱等总成部件也可以由于紧凑化而进一步轻量化,成效更为显著。

 

轻量化产品比较突出的有NTN开发的微型汽车用超轻轮毂轴承单元,仅重1.0kg,为“世界最轻”的汽车轮毂轴承单元[8];减速机用角接触球轴承,与原产品相比,径、轴向尺寸分别减小30%和25%,质量减轻55%。SKF轻型轮毂轴承单元总质量减少约30%,而性能与可靠性仍与原产品相同。

 

本身自带轻量化特征的轴承,如滚针轴承,具有替代其他类型轴承的独特优势,如NSK自动变速箱用密封冲压外圈滚针轴承,壁厚仅为1.5mm,为“世界最薄”,可替代原用滑动轴承即衬套。随着转速等“短板”性能的改善,滚针轴承的拓展空间将会越来越大。

 

现代材料、润滑及密封等技术的显著进步,使得轴承寿命大大增长。换言之,在同样使用寿命的要求下,可以用更小规格的轴承替代原用尺寸较大的轴承——这些也是轴承实现轻量化的“开放型”思路,而不仅仅局限于在轴承外形尺寸上“做减法”。

 

2.3 单元化

轴承产品的组件化和单元化并不是一个新鲜事物,如早期推出的第1,2,3代汽车轮毂轴承单元,第1,2代汽车离合器轴承单元,计算机硬盘驱动器主轴轴承单元,洗衣机轴承单元等,而后期又陆续开发了第4,5,6代汽车轮毂轴承单元,免维护重型卡车轴承单元,汽车涡轮增压器轴承单元,铁路轴箱轴承单元,机床主轴轴承单元及滚珠丝杠组配轴承单元,工程机械行星轮滚针轴承单元,风电主轴双列圆锥滚子轴承单元等。由于农业机械要求维护方便、更换简单,轴承单元化成为一种很好的解决方案,如SKF和Schaeffler开发出了多种播种机圆盘轴承单元,联合收割机逐稿器振动曲轴用轴承单元,振动筛驱动和过桥输送机构的惰轮轴承单元,免维护犁盘轴承单元等,应用领域不断扩展,类型品种不断增加。

 

需要特别指出的是,轴承产品单元化是一个很好的发展方向,但不可泛化与滥用,为单元化而单元化,而不是面向实际应用。典型案例莫如第4代汽车轮毂轴承单元,其是将内、外圈带凸缘的轮毂轴承与等速万向节集成于一体,形成了连接与传动的两大功能,创意非常好,但从提出到现在已经过去了20多年,商用的例子极少。深究其根本原因,就是违背了机械设计中最基本的可靠性准则,将轮毂轴承和等速万向节2个易损件结合在一起,使用可靠性大大降低,而且更换成本大大提高(2个部件分置时哪件坏了更换哪件,集成后无论哪件损坏都需整体更换)。第5,6代汽车轮毂轴承单元实际上也存在相同的问题,注定在商用化道路上比较艰难。因此,开发轴承单元品时,不仅要从结构和功能上进行构思,更要从使用性能上,尤其是可靠性、维修性、经济性上加以综合考虑,否则市场将会给出最好的答案。

 

2.4 智能化

智能轴承的雏形是20世纪80年代开始面世的“带ABS防抱死系统传感器的汽车轮毂轴承”,因而最早被称为是“带传感器轴承”。之后,逐渐扩展应用至很多领域,如铁路、风电、机床、机器人、伺服电动机、电动汽车及摩托车等。目前,在铁路与风电行业中,智能轴承应用比较突出。这是由于铁路运输要求高可靠性与高安全性,对其运行状态必须随时监控,采用智能轴箱轴承及智能牵引电机轴承等能方便满足这一使用需求;而风电场一般都地处偏远,人工巡检非常困难,采用智能轴承,对偏航、变桨、主轴、齿轮箱、发电机等关键部位进行远程监控,能很好地解决这一应用场景中最大的“痛点”问题。

 

智能轴承最基本的监测参数是温度和振动,更先进的还有转速、转向、位置、开关、应力、应变、载荷、扭矩、润滑等,相关功能也在不断扩展,如SKF在2013年发布的洞悉(Insight)轴承,是一个“能够实时进行轴承状态信息无线传输的集成式自供电传感器套件 ”,其宣传语为 “轴承状态监测领域的突破性创新”“领先实现了轴承作为机械‘大脑’的梦想”。洞悉智能轴承的关键技术包括微型化、自供电、简易性和智能组网,功能强大。



智能轴承的形态一般是直接在轴承上内嵌或外挂传感器,其中内嵌式更符合智能轴承本身成为一个完整产品的定义,因此几大国际著名轴承公司,如SKF,Schaeffler,NSK,NTN等均重点致力于此类产品的自主研发。Schaeffler推出的一款VarioSense Bearings智能轴承另辟蹊径,其形态是“标准轴承+传感器集束”,即轴承本身的外形尺寸与结构不变,而与之组合的传感器集束则按模块化方式配置多种不同的传感器。这种将智能轴承打造成一款“标准化产品”的创意具有工业化思想,市场应用前景广阔。

若将带传感器的轴承称为“智能轴承1.0”的话,目前则已经进入了“智能轴承2.0”时代,即“从感知到执行”,如搭载有微电动机等“执行器”的智能轴承,可以实现状态感知、信号采集、数据传输、运算分析、状态控制的全闭环处理。

 

SKF在2014年与2018年出版的最新中、英文轴承样本上,智能轴承已成为“封面产品”,这从另一个侧面预示着其扮演主角的高光时刻即将来临。

 

2.5 鲁棒性

robust或robustness的音译是鲁棒性,意译则是抗变换性、健壮性、稳健性、耐受性等,在整个工程技术界都是一个出现较晚的词汇,导入轴承工业领域时间更短,是一个直到现在仍比较生疏的冷僻概念,但近来却越来越成为“高频热词”。如Schaeffler的X-life圆柱滚子轴承用MPAX黄铜实体保持架MPAX就采用了“鲁棒性设计”(robust design),以更加耐受层冲击振动载荷与高速运转;NSK最新推出的机床轴承就直接称为“robust”系列,不仅耐烧粘,而且具有耐磨损、抗疲劳等其他突出性能。SKF对压缩机与泵类轴承的设计目标之一,就是提高其耐受非理想工况下的鲁棒性。NTN针对风电齿轮箱轴承,“增强可靠的鲁棒性定制方案”成为技术准则。对于工程机械与农业机械用轴承,具备鲁棒性已成为基本要求,类似的这些“非道路车辆”,作业环境更为复杂苛刻(颠簸振动、尘土泥水、严寒酷暑),因此要求配套轴承必须具有很强的适用性和耐受性。

 

2.6 其他方面

除了上述几个方面比较突出之外,加强型、低噪声等仍是轴承产品技术发展的重要方向,尽管技术已经成熟,基本上达到了目前研发与制造手段所能企及的顶端,但一直还在持续提高。

3 轴承产品技术未来发展方向的展望

将目前的轴承产品技术发展方向与现代制造装备产业的未来发展趋势相结合,可以对未来做出如下展望:

 

3.1 总的发展方向

在轴承“精度、性能和寿命”三大特征技术质量中,精度基本已置顶,可以满足现阶段及可见未来的需求,而高性能与长寿命则是轴承产品技术发展追求的永恒方向,似乎没有止境

 

3.2 具体发展议题

1)节能减排是国际社会应对环境污染、气候变化的广泛共识与一致行动,轴承减摩化将不断升级

 

2)在高速化成为提高电动机(特别是新能源汽车驱动电动机)、压缩机等动力机械功率密度的主流趋势推动下,轴承速度性能将进一步提升

 

3)鲁棒性将扩展成为许多轴承的基本技术要求。

 

4)智能轴承使简单机械都可以实现数字化和物联网,因此,智能轴承被称为是“与工业4.0无缝对接的产品”,这一言简意赅、直达本质的定义,预示着智能轴承具有广阔的发展空间,而内嵌式、微型化、多参数、多功能无疑是其最主要的技术特征。

 

5)同时可承受径、轴向联合载荷的圆锥滚子轴承径向截面小,特别适用于轻量化发展趋势的滚针轴承以及18,19尺寸系列的深沟球轴承、角接触球轴承等,将会继续扩大其应用

 

6)随着方便运维的密封轴承更广范围的渗透,高性能(长寿命、低噪声、宽温域、环保型等)润滑脂的研发仍将是一个持久的“热点”

 

7)保持架长期处于轴承研究中的“薄弱环节”,随着对其在轴承性能提升中制约作用的认识不断深化,关于新型保持架的设计、材料及加工技术研究将保持较高的活跃度

 

8)导入表面疲劳模型的轴承寿命理论,不久将可能成为新的轴承寿命计算准则,纳入国际标准

 

9)基于大数据应用和模型算法的完善,轴承剩余寿命的预测将会更加精准化,并走向实用化与工具化。
 

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