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现实世界里的混合陶瓷轴承
时间:2021-05-12    点击:64
斯凯孚(SKF)工程师们破解了轴承性能方面的一大谜题。如今,他们每天都会使用这个发现成果260多次,帮助客户设计一些在世界上最严苛应用条件下使用的设备。谜题的根源是什么?为什么混合陶瓷轴承具有很高的工作性能?

50多年以来,采用陶瓷氮化硅滚动体和钢制套圈的混合陶瓷轴承一直都是机床主轴这类有高转速和高精度应用需求的行业中的首选轴承。如今,混合陶瓷轴承重量轻、绝缘性能好,且在苛刻的润滑和污染工况下也能保持良好性能的优势,适合应用在从电动汽车动力传动系统到工业泵、压缩机等诸多新的应用领域。

工程师们从经验中获知,混合陶瓷轴承在这些应用中性能极佳,使用寿命通常比传统的全钢制轴承长很多倍。然而直到最近,用于估算轴承工作寿命的计算模型仍然给出相反的结果。

出现的问题

在斯凯孚研究和技术发展中心首席科学家Guillermo Morales-Espejel看来,这是因为工程师计算轴承额定寿命的标准公式不能准确反映轴承在真实工作中面临的挑战。他解释说:“传统的轴承寿命模型基于次表面疲劳。当轴承旋转时,部件会持续处于承受载荷和不承受载荷的状态多达数百万次的循环后,到达材料疲劳极限,最终导致失效。”

材料的疲劳性能为人们所熟知,工程师可以将应用中预期的载荷和转速数据代入公式,以确定某个给定轴承设计型号的额定寿命。主要使用轴承的额定动载荷C来量化轴承的次表面性能,各型号轴承的额定动载荷C可参见SKF的总产品型录或在线产品型录。

上述传统模型应用广泛,且被纳入国际标准。但Morales-Espejel解释说此模型并不完全适用于混合轴承。“因为陶瓷滚动体比钢的刚度更大,它们在载荷下变形较小。这意味着载荷会集中在较小的材料区域内,导致应力增加并加快次表面疲劳。”

然而,更重要的是,现实环境中的经验并不总是与传统模型吻合。Morales-Espejel解释说,“根据我们的行业经验,大多数轴承失效都是由于表面问题而非零部件自身的问题。根本原因通常是由润滑不良或污染导致的损坏。”人们对上述分析没有争议,ISO281等现代标准也增加了校正系数来考虑这些影响。

全新的模型

然而,在基于次表面的模型中引入校正系数仍不能代表运行中的轴承的真实性能。因此,Morales-Espejel和斯凯孚同事们在2012年开始尝试更好的办法。他表示,要建立全新的轴承寿命模型,需要满足三个条件。“首先,需要材料的次表面疲劳模型,我们手头上已经有这个模型。其次,需要表面疲劳模型。最后,需要耐久性测试的数据,我们能够使用这些数据进行模型的校准和验证。”

斯凯孚团队在接下来的两年里致力于新模型的研究,吸收了材料科学和摩擦学几十年来的研究成果。采用此方法时,需要详细了解轴承表面性能,包括其摩擦特性和在载荷下灰尘颗粒在轴承表面形成凹痕的方式。尽管2015年在汉诺威工业博览会已经展示了作为通用轴承寿命模型(GBLM)的初始概念模型,但当时并未涉及对混合陶瓷轴承进行建模。

Morales-Espejel解释说,“你需要数据来校准和验证任何轴承寿命模型,为了收集足够的数据,只能靠艰苦的工作,没有任何捷径。我们需要绘制曲线图来描述轴承在各种载荷和表面工况下的性能。对于曲线上的每个点都需要测试约30个轴承,同时预期其中的数个轴承会失效。” 

斯凯孚团队还需对使用钢滚动体和陶瓷滚动体的轴承进行对比,并对在润滑不良和污染环境中工作的轴承进行比较。所有这些工作加起来需要完成数百次轴承测试。总之,在荷兰和奥地利的斯凯孚工厂的科学家和技术人员需要再花四年时间来开发测试程序并修改概念模型。这项工作终于在一年前完成,Morale-Espejel和他的团队最终确定了全新的混合轴承GBLM。 

对现实环境的深入了解

全新模型对工程师和设计师意味着什么?Morales-Espejel解释说,“我们已经知道混合轴承在很多常见工况下都具有优势。当轴承载荷很大,但能够在清洁、润滑良好的环境中工作时,次表面疲劳可能是最终的失效模式,钢轴承的性能可能比混合陶瓷轴承更好。但很多轴承都是在较小的载荷下工作,并且很有可能存在润滑不良或污染情况。我们的模型将能显示混合轴承方案是否能在那些应用中具有较长的使用寿命,并能够量化这些差异。”

为了显示差异程度,Morales-Espejel和他的同事们针对一些有代表性的真实应用进行了计算。如果应用在水泵中的轴承在油浴润滑和导致润滑不良的稀油条件下工作,混合轴承的额定寿命比同等钢轴承长8倍。对于在润滑油受污染的情况下运行的螺杆压缩机轴承,混合陶瓷轴承的额定寿命比传统钢轴承长100倍。

恰逢其时

在斯凯孚应用工程师进行广泛的内部测试后,用于混合陶瓷轴承的GBLM计算模型现已成为公司客户支持工具包的标准组成部分。它的出现可谓是正逢其时。制造技术的进步提高了混合轴承的利用率,并缩小了混合轴承与传统轴承设计的成本差距。同时,混合陶瓷轴承可以在越来越多的应用中可以带来性能优势。

Morales-Espejel表示,“使用粘度更低的润滑油和尽可能少的润滑是当前行业的重大转变。人们对节能的追求和更加严格的环境法规共同推进了这个转变。”他还指出,在从铁路机车到汽车发动机再到工业泵的应用中,只有混合陶瓷轴承能够在诸如铁路和汽车发动机和工业泵等应用中同时兼具低能耗性能和高可靠性。

另一重要增长领域是电动交通。汽车、卡车和火车的电动传动系统需要轴承在高速度、高加速度、高温、润滑不良的情况下可靠运转。这些轴承还必须耐受轴电流的影响,因为轴电流会破坏润滑油膜并损坏滚动表面。混合陶瓷轴承具备出色的电绝缘性能及其他诸多优势,成为此类应用最为理想的解决方案。

Morales-Espejel表示,混合陶瓷轴承技术受到关注的程度是如此之高,以致公司的应用工程师和客户目前使用斯凯孚的GBLM计算工具平均每天高达260次。但是他强调,混合陶瓷轴承在与传统轴承的比较中并不总是独占鳌头,但这恰恰是全新建模方法如此重要的原因。“我们的观点不是用混合轴承设计取代所有的钢-钢轴承,而是仅在经济实惠的情况下才如此。我们的混合轴承GBLM确保客户基于稳定可靠的数据做出上述决定。”
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郭生
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