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NSK提高軸承（chéng）性能的產品設計與（yǔ）技術

2020-11-26 來源：- 作者：-

在（zài）軸承行業競爭日（rì）趨激烈的今天，各大軸承（chéng）公司都爭（zhēng）相在提高軸承產（chǎn）品性能方麵下功夫，以期用高性能的產品贏得市場，立於不敗之地。本文以NSK提高（gāo）海上風力發電機的軸承（chéng）設計、以及通過材料和表麵處理提高軸承可靠性為例，介紹NSK在提高軸承性能（néng）方麵的（de）設計與技術（shù）。

1、引言

作為在全世界位居前列的國際軸承公司，NSK擁有能夠自主研發到銷售、技術服務的全（quán）套經（jīng）營體製。在自主研發方麵，NSK投入大量（liàng）資金，以（yǐ）四大核心技術為平台，重點（diǎn）研發提高軸承（chéng）性能的產（chǎn）品（pǐn）設計、材料及製造工藝。本文介（jiè）紹NSK在提高軸承產品性能方麵的最新研（yán）發成果。

2、提高海上風力發（fā）電機性（xìng）能的軸承設計（jì）

風能係統對軸承有（yǒu）兩個關鍵要（yào）求：高性能和惡劣條件下的高使用壽命。這些要求尤其（qí）適用於風力渦輪機（jī）容量仍在增加的海（hǎi）上（shàng）風場。NSK最近開始為9.5MW渦輪機配套軸承，並且已經在為（wéi）12MW級的海上渦輪機（jī）開（kāi）發軸承。

然而，對風力發電機軸承提出高要（yào）求的不僅僅是（shì）性（xìng）能能力。在海上，由（yóu）於風速很高，甚至更大的靜載荷和（hé）動載（zǎi）荷作用在轉子（zǐ）上，因此（cǐ），整個傳動係統負荷（hé）很大。在陸上（shàng）風電機組中，主軸承承（chéng）受的載（zǎi）荷（hé）高達1MN；在海上風電機組中，則更大。

鑒於此，對（duì）風力（lì）發電機軸承（chéng）的使用（yòng）壽命提出（chū）了越來越高的要（yào）求。對於陸上（shàng）渦（wō）輪機，製造（zào）商傳統上（shàng）規（guī）定軸承的設計使用壽命必須（xū）為175000小時，相當於20年。然而，由於海上風能係統的高投資成本和接入困難，規定了25年的使用壽（shòu）命（mìng），這是計入了極高動態負（fù）荷的（de）一個重大挑戰。

這些（xiē）載荷顯然對軸承的選擇有影響。在直驅風力發電機中，越來越多地選（xuǎn）擇雙列圓錐滾子軸承作（zuò）為主軸承。與以往常用的圓柱滾（gǔn）子軸承相（xiàng）比（bǐ），圓（yuán）錐滾子軸承具有預緊力可（kě）調的優點，從而可以獲（huò）得更高的係統剛度（dù）。這種軸承（chéng）的內徑高達2.7米（mǐ），這甚至挑戰了最先進的設計和製（zhì）造理念。

對於齒輪傳動係統的情況，附加驅動部件的重量通過發電機可以有更小的設計來補償。每個功率容量等級的（de）主轉子軸承都有不同的設計概念。高達5兆瓦的係統通常采用球麵滾柱軸承，而對於6兆瓦及以上的係統，首選兩個圓錐滾（gǔn）柱軸承或（huò）雙列圓錐滾柱軸承與圓柱（zhù）滾柱軸承組（zǔ）合。

2.1 集成軸承

在齒（chǐ）輪傳動係（xì）統中，帶有兩級或三級行星級的齒輪箱現在很常見（jiàn）。通常這些行星（xīng）級與斜齒輪級結合在一（yī）起。幾年來，人們一直傾向於使用所謂的集成行（háng）星（xīng）齒輪（lún）。為此，NSK（與齒輪製造（zào）商密切合作）開發了（le）無外圈的多列圓錐和圓柱滾子軸承。因此，行星輪的孔用作（zuò）軸（zhóu）承的外滾道（dào）。

在（zài）某些應用中，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（le）在所有（yǒu）軸承上獲得均勻（yún）載荷，整套軸承的孔徑和外切直徑具有非常嚴格的（de）公差。

另一個趨勢是從（cóng）單一（yī）供應商處采購渦輪機的所有軸承。這種市場趨勢是NSK決定擴大其風電業務部門產（chǎn）品組合的具體（tǐ）原因之一，盡管該公司已經為變速箱和發電機開（kāi）發和製造各種類型的軸承20年了。

2.2 研究WEC（白色蝕刻（kè）裂紋）

鑒於海上風力渦輪機對軸承的性能要求非常（cháng）嚴苛，風電行業顯然對軸承損壞非（fēi）常敏感。技術專長使克服幾乎所有典型的軸承損壞成（chéng）為可能。例如，先進的（de）設計方法與（yǔ）高純度的（de）鋼相結合，確保（bǎo）已經實際消除了風（fēng）力發電機組軸承中的經典軸承疲勞失（shī）效。

然（rán）而，軸承行業仍在（zài）研究（jiū）的一個領域是WEC（白色蝕刻裂紋（wén））。這些裂紋是軸承損（sǔn）壞（huài）的跡象，在軸承使用壽（shòu）命的早期出現。典型的損傷症狀是滾道（dào）下方（fāng）的白色結構（因（yīn）此得名），導致裂紋的形成，最終導致軸（zhóu）承失（shī）效。

長期以來，人們對WEC形成的確切原因還不（bú）清（qīng）楚，盡管一係列（liè）實（shí）驗表明，這種缺陷最有可（kě）能是氫滲（shèn）透造成的，但氫的來源仍然沒有得到（dào）充分的解釋。

進一步的研究表明，氫氣的產生（shēng）是（shì）在操（cāo）作過程中發生的。最初的假設是氫來自潤滑劑及（jí）其（qí）添加劑的碳氫鏈；一種在典型損傷症狀後得到證實的理論能夠（gòu）在實驗（yàn）室用某些類型的油和油脂重現。

因此，NSK開發了（le）一種（zhǒng）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成功完成，但這（zhè）種材料製成的軸承目前（qián）正在進行實（shí）地試驗。

2.3 應用狀態監視

由於故障安全特性和長壽命要求，風能（néng）係統中的軸承是（shì）狀態監測係統（CMS）的理想候選設備，該係統使用外部安（ān）裝或集成的傳感器來連續監測軸承的狀態。可以及時檢測和報告（gào）指示軸承損壞的異常情況。

現代CMS由海上（shàng）風電（diàn）場部署，以便及早發現異常情況（kuàng），從而對係統的維護周期（qī）進（jìn）行相應規（guī）劃。NSK預（yù）計這類係統具有巨大的市場潛力。

3、提（tí）高軸承可靠（kào）性的（de）材料和表麵處理技術

使用專（zhuān）用軸承鋼和表麵處理可顯著提高軸承的可靠性，進（jìn）而有助於降低（dī）機械和設（shè）備的總擁有成本。

3.1 材料純度、工藝與專用熱處理

100cr6（或（huò）日本（běn）標準SUJ2）等合金軸承（chéng）鋼（gāng）的（de）疲勞壽命（mìng）主（zhǔ）要取決於（yú）夾雜物含量。尤其是氧化物或非金（jīn）屬夾（jiá）雜物，會（huì）在滾道表（biǎo）麵下產（chǎn）生負麵影響。因為在（zài）氧（yǎng）化過程中，氧化鋁夾雜物能導致軸承疲勞壽命大幅度降低。由於氧化鋁夾雜物相對（duì）較硬，並且鋼材加工時，可能會破裂（例如在鍛造過程中），夾雜物收縮並（bìng）削弱組織（zhī）。

NSK與領先的鋼鐵製（zhì）造商合作，開發了Z鋼、EP鋼和BNEQUARET等材料，以防止此類負麵影響（xiǎng）。其（qí）中（zhōng）一些材料是用特殊（shū）的熔煉工（gōng）藝製造的，這種工藝可以減（jiǎn）少非金屬含量並延長疲勞壽（shòu）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。NSK的SHX鋼要經過特殊的（de）熱處理提高耐磨性。在研製過（guò）程中，通過（guò）四球試驗、軋輥（gǔn）試驗、材料和表麵疲勞壽命試驗等綜（zōng）合耐磨（mó）試（shì）驗，證明了SHX鋼的性能。將最佳熱處理與特殊合金相結合形成NSK超強韌鋼等材料。

使用碳氮共滲等工藝對鋼進行淬（cuì）火，使（shǐ）其在受汙染潤滑條件下的使用壽命提高一倍（bèi）。在（zài）潤（rùn）滑劑含有正常雜質的環（huán）境中，軸承的（de）使用壽命甚至可以提高10倍。

3.2 開發（fā）新材料

新（xīn）材料的（de）開發（fā）通常是（shì）根據工業發（fā）展（zhǎn）趨勢或應用要求的變化而進行的。NSK材料專家著手改善一種特殊鋼（gāng）的合金（jīn）成分，這種材料能防止滾道（dào）中形成裂紋和壓（yā）痕，並阻止裂紋（wén）和壓痕擴展。此外，這種特殊的鋼特別純淨。NSK還引入了BNEQUARTET技術。該技術所采用的一係列措施，使軸承在高負荷和惡劣環境條件下的使用壽命增加了（le）一倍。

在風力渦輪機技術方麵，重（chóng）點（diǎn）研究材（cái）料表麵以下可能會發（fā）生WEC形式的軸（zhóu）承損壞。NSK在（zài）材料的蝕刻和拋光（guāng）橫截（jié）麵上，觀察到這些由微觀結構變化形成的脆性鐵素體白（bái）色結構。改變後的結構不再能夠承受所施（shī）加的高負荷。WECS形成並擴展，導致表（biǎo）麵缺陷，如點蝕或WSF（白色（sè）結（jié）構剝落）。NSK認為，這些情況是由動力係統內部（bù）件（jiàn）相互（hù）作用的影響引起的（de）。這（zhè）些（xiē）因素包括動力學、混合（hé）摩（mó）擦、電荷/電流、化學因素、滑移/滑動運（yùn）動和氫擴散。

NSK的材料開發不僅僅是（shì）鋼鐵。對塑料材料以及黃銅等有色金屬也進行了測試，以便對保持架的特性進行精確的有針對性的改（gǎi）進。此（cǐ）外，當需要調整（zhěng）軸承的導電性（xìng）能和耐磨性時，陶瓷和陶瓷塗層發揮（huī）越來（lái）越大的作用。在這個問題上，NSK最近推出（chū）了一種稱為HDY2的陶瓷開發，它具有（yǒu）優化的絕緣和導熱特性。

最（zuì）後，材料開發的另一個重（chóng）點領域是潤滑（huá）劑。摩擦學是NSK研究和開發組織的一項獨立核心能力，與材料技術並駕齊驅。

3.3 減少（shǎo）WEC損（sǔn）傷

由於在實驗室成功地複製了WEC，NSK隨後開發出對策，包括對馬氏體硬化軸承鋼以及（jí）特定的其他材料進行拋光。這（zhè）個額外（wài）的過程已經證明能夠顯著延遲WEC損傷的發生。降低WEC損壞概率的另一個有（yǒu）效方法是使用NSK的硬鋼製成的軸（zhóu）承套（tào）圈。使用這種材料和（hé）表麵處理的組合，動態額定載荷通常可以（yǐ）提高23%，這在滾動軸承中相當於疲勞壽命的兩倍（bèi）。

對於由於潤滑不良或潤滑油汙染（rǎn）而引起的表麵磨損，使用STF軸承可（kě）大大降低磨損，同時延遲（chí）WEC的潛在損壞。一係列（liè）NSK測試（shì）表明，損傷開始前的（de）時間是原來的兩倍。

另一個有利的措施是使用由（yóu）“抗白色結構韌性”（AWS-TF）材料製成的軸承套圈，這是一種NSK專有材料，專門為防止WEC損壞而開發（fā）。在一係列廣泛（fàn）的試驗中，一直測（cè）量（liàng）常規鋼軸承套圈的使（shǐ）用壽命，直到檢測出WEC損傷的那一刻。然後，使用AWS-TF重複測試序列（liè）。在測量到使（shǐ）用壽（shòu）命是傳統鋼軸承套圈的8倍後，材料中仍未檢測到WEA（白色腐蝕區域）。

4、小（xiǎo）結

由以上介紹可以看出，在提高軸承性（xìng）能方（fāng）麵，NSK把重點放在軸承材料、加工工藝、熱處理以及對WEC的研究（jiū）與防控上。由（yóu）此，NSK開發出Z鋼、EP鋼、BNEQUARET、“抗白色結構韌性”（AWS-TF）材料等一係列新材料，配合特殊的熔煉工藝、NSK專有熱處理技術，從軸承設計到製造，再到試（shì）驗、狀態監測，形成一（yī）整套科學、完善的（de）技術。這使NSK能夠根據用戶需求，定（dìng）製個性化解決方案，提高企業競爭力，贏得市場份額。

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