NSK提高軸承性能的產(chǎn)品設(shè)計與技術(shù)
在軸承行業(yè)競爭日趨激烈的今天，各大軸承公司都爭相在提高軸承產(chǎn)品性能方面下功夫，以期用高性能的產(chǎn)品贏得市場，立于不敗之地。本文以NSK提高海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸承設(shè)計、以及通過材料和表面處理提高軸承可靠性為例，介紹NSK在提高軸承性能方面的設(shè)計與技術(shù)。
1、引言
作為在全世界位居前列的國際軸承公司，NSK擁有能夠自主研發(fā)到銷售、技術(shù)服務(wù)的全套經(jīng)營體制。在自主研發(fā)方面，NSK投入大量資金，以四大核心技術(shù)為平臺，重點研發(fā)提高軸承性能的產(chǎn)品設(shè)計、材料及制造工藝。本文介紹NSK在提高軸承產(chǎn)品性能方面的最新研發(fā)成果。
2、提高海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的軸承設(shè)計
風(fēng)能系統(tǒng)對軸承有兩個關(guān)鍵要求：高性能和惡劣條件下的高使用壽命。這些要求尤其適用于風(fēng)力渦輪機(jī)容量仍在增加的海上風(fēng)場。NSK最近開始為9.5MW渦輪機(jī)配套軸承，并且已經(jīng)在為12MW級的海上渦輪機(jī)開發(fā)軸承。
然而，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承提出高要求的不僅僅是性能能力。在海上，由于風(fēng)速很高，甚至更大的靜載荷和動載荷作用在轉(zhuǎn)子上，因此，整個傳動系統(tǒng)負(fù)荷很大。在陸上風(fēng)電機(jī)組中，主軸承承受的載荷高達(dá)1MN；在海上風(fēng)電機(jī)組中，則更大。
鑒于此，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承的使用壽命提出了越來越高的要求。對于陸上渦輪機(jī)，制造商傳統(tǒng)上規(guī)定軸承的設(shè)計使用壽命必須為175000小時，相當(dāng)于20年。然而，由于海上風(fēng)能系統(tǒng)的高投資成本和接入困難，規(guī)定了25年的使用壽命，這是計入了極高動態(tài)負(fù)荷的一個重大挑戰(zhàn)。
這些載荷顯然對軸承的選擇有影響。在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，越來越多地選擇雙列圓錐滾子軸承作為主軸承。與以往常用的圓柱滾子軸承相比，圓錐滾子軸承具有預(yù)緊力可調(diào)的優(yōu)點，從而可以獲得更高的系統(tǒng)剛度。這種軸承的內(nèi)徑高達(dá)2.7米，這甚至挑戰(zhàn)了最先進(jìn)的設(shè)計和制造理念。
對于齒輪傳動系統(tǒng)的情況，附加驅(qū)動部件的重量通過發(fā)電機(jī)可以有更小的設(shè)計來補償。每個功率容量等級的主轉(zhuǎn)子軸承都有不同的設(shè)計概念。高達(dá)5兆瓦的系統(tǒng)通常采用球面滾柱軸承，而對于6兆瓦及以上的系統(tǒng)，首選兩個圓錐滾柱軸承或雙列圓錐滾柱軸承與圓柱滾柱軸承組合。
2.1 集成軸承
在齒輪傳動系統(tǒng)中，帶有兩級或三級行星級的齒輪箱現(xiàn)在很常見。通常這些行星級與斜齒輪級結(jié)合在一起。幾年來，人們一直傾向于使用所謂的集成行星齒輪。為此，NSK（與齒輪制造商密切合作）開發(fā)了無外圈的多列圓錐和圓柱滾子軸承。因此，行星輪的孔用作軸承的外滾道。
在某些應(yīng)用中，使用四列整體圓柱滾子軸承。每級加上四顆行星，一組軸承總共包括16行。為了在所有軸承上獲得均勻載荷，整套軸承的孔徑和外切直徑具有非常嚴(yán)格的公差。
另一個趨勢是從單一供應(yīng)商處采購渦輪機(jī)的所有軸承。這種市場趨勢是NSK決定擴(kuò)大其風(fēng)電業(yè)務(wù)部門產(chǎn)品組合的具體原因之一，盡管該公司已經(jīng)為變速箱和發(fā)電機(jī)開發(fā)和制造各種類型的軸承20年了。
2.2 研究WEC（白色蝕刻裂紋）
鑒于海上風(fēng)力渦輪機(jī)對軸承的性能要求非常嚴(yán)苛，風(fēng)電行業(yè)顯然對軸承損壞非常敏感。技術(shù)專長使克服幾乎所有典型的軸承損壞成為可能。例如，先進(jìn)的設(shè)計方法與高純度的鋼相結(jié)合，確保已經(jīng)實際消除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承中的經(jīng)典軸承疲勞失效。
然而，軸承行業(yè)仍在研究的一個領(lǐng)域是WEC（白色蝕刻裂紋）。這些裂紋是軸承損壞的跡象，在軸承使用壽命的早期出現(xiàn)。典型的損傷癥狀是滾道下方的白色結(jié)構(gòu)（因此得名），導(dǎo)致裂紋的形成，最終導(dǎo)致軸承失效。
長期以來，人們對WEC形成的確切原因還不清楚，盡管一系列實驗表明，這種缺陷最有可能是氫滲透造成的，但氫的來源仍然沒有得到充分的解釋。
進(jìn)一步的研究表明，氫氣的產(chǎn)生是在操作過程中發(fā)生的。最初的假設(shè)是氫來自潤滑劑及其添加劑的碳?xì)滏?；一種在典型損傷癥狀后得到證實的理論能夠在實驗室用某些類型的油和油脂重現(xiàn)。
因此，NSK開發(fā)了一種新材料，這種材料具有更高的抗氫滲透性和氫脆裂紋形成能力。雖然實驗室試驗已經(jīng)成功完成，但這種材料制成的軸承目前正在進(jìn)行實地試驗。
2.3 應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)視
由于故障安全特性和長壽命要求，風(fēng)能系統(tǒng)中的軸承是狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（CMS）的理想候選設(shè)備，該系統(tǒng)使用外部安裝或集成的傳感器來連續(xù)監(jiān)測軸承的狀態(tài)?？梢约皶r檢測和報告指示軸承損壞的異常情況。
現(xiàn)代CMS由海上風(fēng)電場部署，以便及早發(fā)現(xiàn)異常情況，從而對系統(tǒng)的維護(hù)周期進(jìn)行相應(yīng)規(guī)劃。NSK預(yù)計這類系統(tǒng)具有巨大的市場潛力。
3、提高軸承可靠性的材料和表面處理技術(shù)
使用專用軸承鋼和表面處理可顯著提高軸承的可靠性，進(jìn)而有助于降低機(jī)械和設(shè)備的總擁有成本。
3.1 材料純度、工藝與專用熱處理
100cr6（或日本標(biāo)準(zhǔn)SUJ2）等合金軸承鋼的疲勞壽命主要取決于夾雜物含量。尤其是氧化物或非金屬夾雜物，會在滾道表面下產(chǎn)生負(fù)面影響。因為在氧化過程中，氧化鋁夾雜物能導(dǎo)致軸承疲勞壽命大幅度降低。由于氧化鋁夾雜物相對較硬，并且鋼材加工時，可能會破裂（例如在鍛造過程中），夾雜物收縮并削弱組織。
NSK與領(lǐng)先的鋼鐵制造商合作，開發(fā)了Z鋼、EP鋼和BNEQUARET等材料，以防止此類負(fù)面影響。其中一些材料是用特殊的熔煉工藝制造的，這種工藝可以減少非金屬含量并延長疲勞壽命。
熱處理是另一個影響鋼的特性，從而也影響軸承性能的參數(shù)。NSK的SHX鋼要經(jīng)過特殊的熱處理提高耐磨性。在研制過程中，通過四球試驗、軋輥試驗、材料和表面疲勞壽命試驗等綜合耐磨試驗，證明了SHX鋼的性能。將最佳熱處理與特殊合金相結(jié)合形成NSK超強韌鋼等材料。
使用碳氮共滲等工藝對鋼進(jìn)行淬火，使其在受污染潤滑條件下的使用壽命提高一倍。在潤滑劑含有正常雜質(zhì)的環(huán)境中，軸承的使用壽命甚至可以提高10倍。
3.2 開發(fā)新材料
新材料的開發(fā)通常是根據(jù)工業(yè)發(fā)展趨勢或應(yīng)用要求的變化而進(jìn)行的。NSK材料專家著手改善一種特殊鋼的合金成分，這種材料能防止?jié)L道中形成裂紋和壓痕，并阻止裂紋和壓痕擴(kuò)展。此外，這種特殊的鋼特別純凈。NSK還引入了BNEQUARTET技術(shù)。該技術(shù)所采用的一系列措施，使軸承在高負(fù)荷和惡劣環(huán)境條件下的使用壽命增加了一倍。
在風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)方面，重點研究材料表面以下可能會發(fā)生WEC形式的軸承損壞。NSK在材料的蝕刻和拋光橫截面上，觀察到這些由微觀結(jié)構(gòu)變化形成的脆性鐵素體白色結(jié)構(gòu)。改變后的結(jié)構(gòu)不再能夠承受所施加的高負(fù)荷。WECS形成并擴(kuò)展，導(dǎo)致表面缺陷，如點蝕或WSF（白色結(jié)構(gòu)剝落）。NSK認(rèn)為，這些情況是由動力系統(tǒng)內(nèi)部件相互作用的影響引起的。這些因素包括動力學(xué)、混合摩擦、電荷/電流、化學(xué)因素、滑移/滑動運動和氫擴(kuò)散。
NSK的材料開發(fā)不僅僅是鋼鐵。對塑料材料以及黃銅等有色金屬也進(jìn)行了測試，以便對保持架的特性進(jìn)行精確的有針對性的改進(jìn)。此外，當(dāng)需要調(diào)整軸承的導(dǎo)電性能和耐磨性時，陶瓷和陶瓷涂層發(fā)揮越來越大的作用。在這個問題上，NSK最近推出了一種稱為HDY2的陶瓷開發(fā)，它具有優(yōu)化的絕緣和導(dǎo)熱特性。
最后，材料開發(fā)的另一個重點領(lǐng)域是潤滑劑。摩擦學(xué)是NSK研究和開發(fā)組織的一項獨立核心能力，與材料技術(shù)并駕齊驅(qū)。
3.3 減少WEC損傷
由于在實驗室成功地復(fù)制了WEC，NSK隨后開發(fā)出對策，包括對馬氏體硬化軸承鋼以及特定的其他材料進(jìn)行拋光。這個額外的過程已經(jīng)證明能夠顯著延遲WEC損傷的發(fā)生。降低WEC損壞概率的另一個有效方法是使用NSK的硬鋼制成的軸承套圈。使用這種材料和表面處理的組合，動態(tài)額定載荷通常可以提高23%，這在滾動軸承中相當(dāng)于疲勞壽命的兩倍。
對于由于潤滑不良或潤滑油污染而引起的表面磨損，使用STF軸承可大大降低磨損，同時延遲WEC的潛在損壞。一系列NSK測試表明，損傷開始前的時間是原來的兩倍。
另一個有利的措施是使用由“抗白色結(jié)構(gòu)韌性”（AWS-TF）材料制成的軸承套圈，這是一種NSK專有材料，專門為防止WEC損壞而開發(fā)。在一系列廣泛的試驗中，一直測量常規(guī)鋼軸承套圈的使用壽命，直到檢測出WEC損傷的那一刻。然后，使用AWS-TF重復(fù)測試序列。在測量到使用壽命是傳統(tǒng)鋼軸承套圈的8倍后，材料中仍未檢測到WEA（白色腐蝕區(qū)域）。
4、小結(jié)
由以上介紹可以看出，在提高軸承性能方面，NSK把重點放在軸承材料、加工工藝、熱處理以及對WEC的研究與防控上。由此，NSK開發(fā)出Z鋼、EP鋼、BNEQUARET、“抗白色結(jié)構(gòu)韌性”（AWS-TF）材料等一系列新材料，配合特殊的熔煉工藝、NSK專有熱處理技術(shù)，從軸承設(shè)計到制造，再到試驗、狀態(tài)監(jiān)測，形成一整套科學(xué)、完善的技術(shù)。這使NSK能夠根據(jù)用戶需求，定制個性化解決方案，提高企業(yè)競爭力，贏得市場份額。