斯凱孚（SKF）現實世界裏的混合陶瓷軸（zhóu）承
2020-11-30 來源：- 作者：-
斯凱孚（SKF）工程師們破解了軸承性能方麵的一大謎題。如今，他（tā）們每（měi）天都會使用這個發現（xiàn）成果（guǒ）260多次，幫助客戶設計一些在世界上最嚴（yán）苛應用條件下使用（yòng）的設備。謎題的根源是什麽？為什麽混合陶瓷軸承具有很高的工作性能？
50多年以來，采用陶瓷氮化矽滾動體和鋼製套圈的混合陶瓷軸承一直都是機床主軸這類有高轉速和高精度應用需求的行業中的首選軸承。如今，混合陶瓷軸承（chéng）重（chóng）量輕、絕緣性能好，且在苛刻的潤（rùn）滑和汙染工況下也能保持良好性能的優勢，適合應用在從電動汽車（chē）動力傳動係統到工業泵、壓（yā）縮（suō）機等諸多新的應用領域。
工程師們從經（jīng）驗中獲知，混合陶瓷軸承在這些應用中性能極佳，使用壽命通常比傳統的全鋼製軸承長很多倍。然而直到最近，用於估算軸承工作（zuò）壽命的計算模型仍然給出相（xiàng）反的（de）結果。
出現的問題
在斯凱（kǎi）孚研究和技（jì）術發展中心首席科學家Guillermo Morales-Espejel看來，這是因為工程師計算（suàn）軸承額定壽命的標準公式不能準確反映軸（zhóu）承在真實工作中麵臨的挑戰。他解釋說：“傳統的軸承壽命模型基於次表麵疲（pí）勞。當軸承旋轉時，部件會持續處於（yú）承受載荷和不承受載荷（hé）的狀態多達數百萬次的循（xún）環（huán）後，到達材料疲勞極限，最（zuì）終導致（zhì）失效。”
材料的疲勞性能為人們所熟知（zhī），工程師可以將應用中預期的載荷和轉速數據代入公（gōng）式，以確定某個給定軸承設計型號的額定壽（shòu）命。主要使用（yòng）軸承的（de）額定（dìng）動載荷C來量化軸承的次（cì）表（biǎo）麵性能，各型號軸承的額定動載荷C可（kě）參見SKF的（de）總產品型錄或在線產品型錄。
上述傳統模型應用廣泛，且被納入國際標準。但Morales-Espejel解（jiě）釋說此模型（xíng）並不完全適用於混合軸承。“因為陶瓷滾動體比鋼的剛度更大，它們在載荷下變形較小。這（zhè）意味著載荷會集中在（zài）較小的材料區域內（nèi），導致應力增加並加快次表（biǎo）麵疲勞。”
然而，更重（chóng）要的是，現實環境中的經驗（yàn）並不總是與（yǔ）傳統模型吻合。Morales-Espejel解釋（shì）說，“根據我們的行業經驗（yàn），大多數軸承失效都是由於表麵問題而非零部（bù）件自身的問題。根本原因通常是由潤滑不良或汙染導致的損壞。”人們對上述分（fèn）析沒有爭議，ISO281等現代標準也增加了校（xiào）正係數來考慮這些影響。
全新的模型
然而，在基於次表麵的模（mó）型（xíng）中引入校正（zhèng）係數仍不能代表運行（háng）中的軸承的真實性能。因此，Morales-Espejel和斯凱孚同事們在2012年開始嚐試更好的（de）辦法。他表示，要建立全新的軸承壽（shòu）命模型，需要滿足三個條件。“首先，需要材料的次表麵疲勞模型，我們手頭上已經有這個模型（xíng）。其次，需要表麵疲勞模型。最後，需要耐久性測試（shì）的數據，我們能夠使用這些數（shù）據進行模型的（de）校準和驗（yàn）證。”
斯凱孚團隊在（zài）接下來的兩年（nián）裏致力於新模型（xíng）的研究，吸收了材料科（kē）學和摩擦學幾十年來的研究成果。采（cǎi）用此方法（fǎ）時，需要詳細了解軸承表麵性（xìng）能，包括（kuò）其摩（mó）擦特性和在載荷下（xià）灰塵顆粒在軸承表麵形成凹痕的方式（shì）。盡管2015年在漢諾威工業博覽會已經展示（shì）了作為（wéi）通用軸承壽命模型（GBLM）的初始概念模型，但當（dāng）時並未涉及對混合陶瓷軸承進行建模。
Morales-Espejel解釋說，“你需要數據來校準和驗證任何軸承壽命模型（xíng），為了收集足夠的數據，隻能靠艱苦的工作，沒有任何捷（jié）徑。我們需要繪製曲線圖來描述軸承在各種載荷和表（biǎo）麵工況下的性能。對於曲線上的每個點都需要測（cè）試約30個軸承，同時預期其中（zhōng）的數個軸承會失（shī）效。”
斯凱（kǎi）孚團（tuán）隊還需對使用鋼滾動體和陶瓷滾動體的軸承進行對比，並對在潤（rùn）滑不（bú）良和汙染環境中工作的軸承進行比較。所有這些工作加起來需要完成數百次軸承測試。總之，在荷蘭和奧（ào）地利的斯（sī）凱孚工廠的（de）科學家和技術人員需要再花（huā）四年時間來開發測試程序並修改概（gài）念模型。這（zhè）項工（gōng）作終於在一年前完成，Morale-Espejel和他的團隊最終確定了全新的混合軸（zhóu）承（chéng）GBLM。
對現實環境的深入了解
全（quán）新模型對工程師和設計師（shī）意味著什麽？Morales-Espejel解釋（shì）說，“我們已經知道混（hún）合軸承在很多常見工況下都具有優勢。當軸承載荷很大，但能夠在（zài）清潔、潤滑良好的環境中工作時，次表麵（miàn）疲（pí）勞可（kě）能是最（zuì）終的失效模式，鋼軸承的（de）性能可能比混合陶瓷軸（zhóu）承更好。但很多軸承都是在較小的載荷下工作，並且很有可（kě）能存在潤滑不良或汙染情（qíng）況。我們的（de）模型將能顯示混合軸承方案是否能在那些應用中具有較長（zhǎng）的使用壽命，並能夠（gòu）量化這（zhè）些差異。”
為（wéi）了顯示差異程度，Morales-Espejel和他的同事們針（zhēn）對一些有代表（biǎo）性的真實應用進（jìn）行了計算。如果應用在水泵中的軸承在油浴潤滑和導致潤（rùn）滑不良的（de）稀油條件下工作，混合軸承的額定壽命比同等鋼軸承長8倍。對於在潤滑（huá）油受汙染的情況下運行的螺杆壓縮機軸承，混合（hé）陶瓷（cí）軸承的額定壽命比傳統鋼（gāng）軸承（chéng）長100倍。
恰逢其時（shí）
在斯凱孚應用工（gōng）程師進行廣泛的內部測試後，用於混合陶瓷軸承的GBLM計算模型現已成為公司客戶支持工具包的（de）標準組成部分。它（tā）的出現可（kě）謂是正逢其（qí）時。製（zhì）造技術的進步提高了混合軸承的利用率，並縮小了混合軸承與傳統軸承設（shè）計的成本差距。同時，混合陶（táo）瓷軸承可以在越來越多的應用中可以帶（dài）來性能優勢。
Morales-Espejel表示，“使用粘度更低的潤滑油和盡可能少的潤滑是當前行業的重大轉變。人們對節能的追（zhuī）求和更加嚴格的環境法規共同推（tuī）進（jìn）了這個（gè）轉（zhuǎn）變。”他還指出，在從鐵路（lù）機車到汽（qì）車發動機再（zài）到（dào）工業泵的應用中（zhōng），隻有混合陶瓷軸承能夠在諸如鐵路和汽車發動機和工業泵等應用中同時兼具低能耗性（xìng）能和高（gāo）可靠（kào）性（xìng）。
另一重要（yào）增長領域是電動交通。汽車、卡車和火車（chē）的電動傳動係統需（xū）要（yào）軸（zhóu）承在高速度、高加速度、高溫、潤滑不良的情況下可靠運轉。這（zhè）些軸承還必須耐受軸電流的影響，因為軸電流會破（pò）壞潤滑油（yóu）膜並損壞滾動表麵。混（hún）合（hé）陶瓷軸承具（jù）備出色（sè）的電絕緣性（xìng）能及其他諸多優勢，成（chéng）為此（cǐ）類應用最為理想的解決方案。
Morales-Espejel表示，混合陶瓷軸承技術受到關注（zhù）的程（chéng）度是如此之高，以致（zhì）公司的（de）應用工程師和客戶（hù）目前使用斯凱孚的GBLM計算工具平均（jun1）每天高達260次。但是他強調，混合陶瓷（cí）軸承（chéng）在與（yǔ）傳（chuán）統軸承的比較中（zhōng）並不總（zǒng）是獨占鼇頭，但這恰恰是全新建模方法如此重要的（de）原因。“我們的（de）觀點不（bú）是用混合軸承設（shè）計取代所有的（de）鋼-鋼軸承，而是僅在經濟實惠的情況下才如此。我們的混合軸承GBLM確保客戶基於穩定可靠的數據做出上述決定。”
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