NSK提高軸承性能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與技術(shù)
在軸承行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，各大軸承公司都爭(zhēng)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(chǎng)，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(jì)、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(jì)與技術(shù)。
1、引言
作為在全世界位居前列的國(guó)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(yíng)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(tái)，重點(diǎn)研發(fā)提高軸承性能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(jì)
風(fēng)能系統(tǒng)對(duì)軸承有兩個(gè)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(chǎng)。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(jí)的海上渦輪機(jī)開發(fā)軸承。
然而，對(duì)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(dòng)載荷作用在轉(zhuǎn)子上，因此，整個(gè)傳動(dòng)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(duì)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(duì)于陸上渦輪機(jī)，制造商傳統(tǒng)上規(guī)定軸承的設(shè)計(jì)使用壽命必須為175000小時(shí)，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(jì)入了極高動(dòng)態(tài)負(fù)荷的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
這些載荷顯然對(duì)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(diǎn)，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(jì)和制造理念。
對(duì)于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的情況，附加驅(qū)動(dòng)部件的重量通過發(fā)電機(jī)可以有更小的設(shè)計(jì)來補(bǔ)償。每個(gè)功率容量等級(jí)的主轉(zhuǎn)子軸承都有不同的設(shè)計(jì)概念。高達(dá)5兆瓦的系統(tǒng)通常采用球面滾柱軸承，而對(duì)于6兆瓦及以上的系統(tǒng)，首選兩個(gè)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(dòng)系統(tǒng)中，帶有兩級(jí)或三級(jí)行星級(jí)的齒輪箱現(xiàn)在很常見。通常這些行星級(jí)與斜齒輪級(jí)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(jí)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(gè)趨勢(shì)是從單一供應(yīng)商處采購(gòu)渦輪機(jī)的所有軸承。這種市場(chǎng)趨勢(shì)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(duì)軸承的性能要求非常嚴(yán)苛，風(fēng)電行業(yè)顯然對(duì)軸承損壞非常敏感。技術(shù)專長(zhǎng)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(jì)方法與高純度的鋼相結(jié)合，確保已經(jīng)實(shí)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(gè)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(zhǎng)期以來，人們對(duì)WEC形成的確切原因還不清楚，盡管一系列實(shí)驗(yàn)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(rùn)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(shí)的理論能夠在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)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(shí)地試驗(yàn)。
2.3 應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)視
由于故障安全特性和長(zhǎng)壽命要求，風(fēng)能系統(tǒng)中的軸承是狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)軸承的狀態(tài)。可以及時(shí)檢測(cè)和報(bào)告指示軸承損壞的異常情況。
現(xiàn)代CMS由海上風(fēng)電場(chǎng)部署，以便及早發(fā)現(xiàn)異常情況，從而對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)周期進(jìn)行相應(yīng)規(guī)劃。NSK預(yù)計(jì)這類系統(tǒng)具有巨大的市場(chǎng)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(huì)在滾道表面下產(chǎn)生負(fù)面影響。因?yàn)樵谘趸^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(duì)較硬，并且鋼材加工時(shí)，可能會(huì)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(zhǎng)疲勞壽命。
熱處理是另一個(gè)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(yàn)、軋輥試驗(yàn)、材料和表面疲勞壽命試驗(yàn)等綜合耐磨試驗(yàn)，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(qiáng)韌鋼等材料。
使用碳氮共滲等工藝對(duì)鋼進(jìn)行淬火，使其在受污染潤(rùn)滑條件下的使用壽命提高一倍。在潤(rùn)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(shì)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(diǎn)研究材料表面以下可能會(huì)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(diǎn)蝕或WSF（白色結(jié)構(gòu)剝落）。NSK認(rèn)為，這些情況是由動(dòng)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(dòng)力學(xué)、混合摩擦、電荷/電流、化學(xué)因素、滑移/滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)和氫擴(kuò)散。
NSK的材料開發(fā)不僅僅是鋼鐵。對(duì)塑料材料以及黃銅等有色金屬也進(jìn)行了測(cè)試，以便對(duì)保持架的特性進(jìn)行精確的有針對(duì)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(shí)，陶瓷和陶瓷涂層發(fā)揮越來越大的作用。在這個(gè)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(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是潤(rùn)滑劑。摩擦學(xué)是NSK研究和開發(fā)組織的一項(xiàng)獨(dú)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(shí)驗(yàn)室成功地復(fù)制了WEC，NSK隨后開發(fā)出對(duì)策，包括對(duì)馬氏體硬化軸承鋼以及特定的其他材料進(jìn)行拋光。這個(gè)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(gè)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(dòng)態(tài)額定載荷通常可以提高23%，這在滾動(dòng)軸承中相當(dāng)于疲勞壽命的兩倍。
對(duì)于由于潤(rùn)滑不良或潤(rùn)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(shí)延遲WEC的潛在損壞。一系列NSK測(cè)試表明，損傷開始前的時(shí)間是原來的兩倍。
另一個(gè)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(yàn)中，一直測(cè)量常規(guī)鋼軸承套圈的使用壽命，直到檢測(cè)出WEC損傷的那一刻。然后，使用AWS-TF重復(fù)測(cè)試序列。在測(cè)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(cè)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(diǎn)放在軸承材料、加工工藝、熱處理以及對(duì)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(jì)到制造，再到試驗(yàn)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(gè)性化解決方案，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，贏得市場(chǎng)份額。
