滾動(dòng)軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與方向

以全球軸承工業(yè)的視野，截取二十一世紀(jì)以來(lái)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(lái)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(chēng)軸承）產(chǎn)品技術(shù)，是指將軸承作為一整類(lèi)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(lái)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d_m·n值已可達(dá)到了2.0×10⁶mm·r/min，而過(guò)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(lèi)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b_m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，b_m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(lèi)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(chē)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(wú)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(chē)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(wú)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(wú)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(lái)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(guò)早期（無(wú)限壽命）→長(zhǎng)期（有限壽命）→近期（無(wú)限壽命）的演進(jìn)，又一次確立了軸承具有“無(wú)限壽命”的特性，即通過(guò)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(lái)存在于經(jīng)典理論暨教科書(shū)中的說(shuō)法：無(wú)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”C_u及“軸承壽命計(jì)算系統(tǒng)方法”的a_ISO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(kāi)來(lái)，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(guò)X射線對(duì)材料中馬氏體半高寬與殘余奧氏體的變化來(lái)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(lái)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(chēng)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(kāi)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(shuō)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(zhuān)用化”的范圍也越來(lái)越擴(kuò)大，如上述升級(jí)產(chǎn)品在許多專(zhuān)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(zhuān)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(hù)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(zhuān)用軸承進(jìn)一步創(chuàng)新提升

專(zhuān)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(kāi)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(kāi)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(chēng)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(chē)軸承。乘用車(chē)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(kāi)發(fā)的用于皮卡、大型SUV和商用車(chē)的第2.5，3代圓錐滾子輪轂軸承單元，通過(guò)集成化及低摩擦技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了汽車(chē)的可靠性和燃油效率；SKF的輕型汽車(chē)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(chē)用免維護(hù)（無(wú)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(chē)，而原來(lái)僅能滿足設(shè)計(jì)時(shí)速為275 km的E2，E3系列列車(chē)^[4]；SKF，Schaeffler，NTN及NSK提供于中國(guó)高鐵動(dòng)車(chē)組的軸箱軸承，均能滿足列車(chē)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(guò)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(lái)發(fā)展最為迅猛的專(zhuān)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(xiāo)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(xiāo)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(zhuān)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(zhuān)用軸承有風(fēng)電軸承、機(jī)器人軸承、新能源汽車(chē)軸承以及高鐵軸承、醫(yī)療器械軸承等，其中大多都依賴(lài)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(chē)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(lái)源：軸承雜志社）

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