斯凱孚（SKF）工程師們破解了軸承性能方面的一大謎題。如今，他們每天都會(huì)使用這個(gè)發(fā)現(xiàn)成果260多次，幫助客戶設(shè)計(jì)一些在世界上最嚴(yán)苛應(yīng)用條件下使用的設(shè)備。謎題的根源是什么？為什么混合陶瓷軸承具有很高的工作性能？
50多年以來，采用陶瓷氮化硅滾動(dòng)體和鋼制套圈的混合陶瓷軸承一直都是機(jī)床主軸這類有高轉(zhuǎn)速和高精度應(yīng)用需求的行業(yè)中的首選軸承。如今，混合陶瓷軸承重量輕、絕緣性能好，且在苛刻的潤(rùn)滑和污染工況下也能保持良好性能的優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用在從電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)到工業(yè)泵、壓縮機(jī)等諸多新的應(yīng)用領(lǐng)域。
工程師們從經(jīng)驗(yàn)中獲知，混合陶瓷軸承在這些應(yīng)用中性能極佳，使用壽命通常比傳統(tǒng)的全鋼制軸承長(zhǎng)很多倍。然而直到最近，用于估算軸承工作壽命的計(jì)算模型仍然給出相反的結(jié)果。
出現(xiàn)的問題
在斯凱孚研究和技術(shù)發(fā)展中心首席科學(xué)家Guillermo Morales-Espejel看來，這是因?yàn)楣こ處熡?jì)算軸承額定壽命的標(biāo)準(zhǔn)公式不能準(zhǔn)確反映軸承在真實(shí)工作中面臨的挑戰(zhàn)。他解釋說：“傳統(tǒng)的軸承壽命模型基于次表面疲勞。當(dāng)軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，部件會(huì)持續(xù)處于承受載荷和不承受載荷的狀態(tài)多達(dá)數(shù)百萬(wàn)次的循環(huán)后，到達(dá)材料疲勞極限，最終導(dǎo)致失效。”
材料的疲勞性能為人們所熟知，工程師可以將應(yīng)用中預(yù)期的載荷和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)代入公式，以確定某個(gè)給定軸承設(shè)計(jì)型號(hào)的額定壽命。主要使用軸承的額定動(dòng)載荷C來量化軸承的次表面性能，各型號(hào)軸承的額定動(dòng)載荷C可參見SKF的總產(chǎn)品型錄或在線產(chǎn)品型錄。
上述傳統(tǒng)模型應(yīng)用廣泛，且被納入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但Morales-Espejel解釋說此模型并不完全適用于混合軸承。“因?yàn)樘沾蓾L動(dòng)體比鋼的剛度更大，它們?cè)谳d荷下變形較小。這意味著載荷會(huì)集中在較小的材料區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致應(yīng)力增加并加快次表面疲勞。”
然而，更重要的是，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的經(jīng)驗(yàn)并不總是與傳統(tǒng)模型吻合。Morales-Espejel解釋說，“根據(jù)我們的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)軸承失效都是由于表面問題而非零部件自身的問題。根本原因通常是由潤(rùn)滑不良或污染導(dǎo)致的損壞。”人們對(duì)上述分析沒有爭(zhēng)議，ISO281等現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)也增加了校正系數(shù)來考慮這些影響。
全新的模型
然而，在基于次表面的模型中引入校正系數(shù)仍不能代表運(yùn)行中的軸承的真實(shí)性能。因此，Morales-Espejel和斯凱孚同事們?cè)?012年開始嘗試更好的辦法。他表示，要建立全新的軸承壽命模型，需要滿足三個(gè)條件。“首先，需要材料的次表面疲勞模型，我們手頭上已經(jīng)有這個(gè)模型。其次，需要表面疲勞模型。最后，需要耐久性測(cè)試的數(shù)據(jù)，我們能夠使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。”
斯凱孚團(tuán)隊(duì)在接下來的兩年里致力于新模型的研究，吸收了材料科學(xué)和摩擦學(xué)幾十年來的研究成果。采用此方法時(shí)，需要詳細(xì)了解軸承表面性能，包括其摩擦特性和在載荷下灰塵顆粒在軸承表面形成凹痕的方式。盡管2015年在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)已經(jīng)展示了作為通用軸承壽命模型（GBLM）的初始概念模型，但當(dāng)時(shí)并未涉及對(duì)混合陶瓷軸承進(jìn)行建模。
Morales-Espejel解釋說，“你需要數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)和驗(yàn)證任何軸承壽命模型，為了收集足夠的數(shù)據(jù)，只能靠艱苦的工作，沒有任何捷徑。我們需要繪制曲線圖來描述軸承在各種載荷和表面工況下的性能。對(duì)于曲線上的每個(gè)點(diǎn)都需要測(cè)試約30個(gè)軸承，同時(shí)預(yù)期其中的數(shù)個(gè)軸承會(huì)失效。”
斯凱孚團(tuán)隊(duì)還需對(duì)使用鋼滾動(dòng)體和陶瓷滾動(dòng)體的軸承進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)在潤(rùn)滑不良和污染環(huán)境中工作的軸承進(jìn)行比較。所有這些工作加起來需要完成數(shù)百次軸承測(cè)試。總之，在荷蘭和奧地利的斯凱孚工廠的科學(xué)家和技術(shù)人員需要再花四年時(shí)間來開發(fā)測(cè)試程序并修改概念模型。這項(xiàng)工作終于在一年前完成，Morale-Espejel和他的團(tuán)隊(duì)最終確定了全新的混合軸承GBLM。
對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的深入了解
全新模型對(duì)工程師和設(shè)計(jì)師意味著什么？Morales-Espejel解釋說，“我們已經(jīng)知道混合軸承在很多常見工況下都具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)軸承載荷很大，但能夠在清潔、潤(rùn)滑良好的環(huán)境中工作時(shí)，次表面疲勞可能是最終的失效模式，鋼軸承的性能可能比混合陶瓷軸承更好。但很多軸承都是在較小的載荷下工作，并且很有可能存在潤(rùn)滑不良或污染情況。我們的模型將能顯示混合軸承方案是否能在那些應(yīng)用中具有較長(zhǎng)的使用壽命，并能夠量化這些差異。”
為了顯示差異程度，Morales-Espejel和他的同事們針對(duì)一些有代表性的真實(shí)應(yīng)用進(jìn)行了計(jì)算。如果應(yīng)用在水泵中的軸承在油浴潤(rùn)滑和導(dǎo)致潤(rùn)滑不良的稀油條件下工作，混合軸承的額定壽命比同等鋼軸承長(zhǎng)8倍。對(duì)于在潤(rùn)滑油受污染的情況下運(yùn)行的螺桿壓縮機(jī)軸承，混合陶瓷軸承的額定壽命比傳統(tǒng)鋼軸承長(zhǎng)100倍。
恰逢其時(shí)
在斯凱孚應(yīng)用工程師進(jìn)行廣泛的內(nèi)部測(cè)試后，用于混合陶瓷軸承的GBLM計(jì)算模型現(xiàn)已成為公司客戶支持工具包的標(biāo)準(zhǔn)組成部分。它的出現(xiàn)可謂是正逢其時(shí)。制造技術(shù)的進(jìn)步提高了混合軸承的利用率，并縮小了混合軸承與傳統(tǒng)軸承設(shè)計(jì)的成本差距。同時(shí)，混合陶瓷軸承可以在越來越多的應(yīng)用中可以帶來性能優(yōu)勢(shì)。
Morales-Espejel表示，“使用粘度更低的潤(rùn)滑油和盡可能少的潤(rùn)滑是當(dāng)前行業(yè)的重大轉(zhuǎn)變。人們對(duì)節(jié)能的追求和更加嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)共同推進(jìn)了這個(gè)轉(zhuǎn)變。”他還指出，在從鐵路機(jī)車到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)再到工業(yè)泵的應(yīng)用中，只有混合陶瓷軸承能夠在諸如鐵路和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)泵等應(yīng)用中同時(shí)兼具低能耗性能和高可靠性。
另一重要增長(zhǎng)領(lǐng)域是電動(dòng)交通。汽車、卡車和火車的電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)需要軸承在高速度、高加速度、高溫、潤(rùn)滑不良的情況下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。這些軸承還必須耐受軸電流的影響，因?yàn)檩S電流會(huì)破壞潤(rùn)滑油膜并損壞滾動(dòng)表面。混合陶瓷軸承具備出色的電絕緣性能及其他諸多優(yōu)勢(shì)，成為此類應(yīng)用最為理想的解決方案。
Morales-Espejel表示，混合陶瓷軸承技術(shù)受到關(guān)注的程度是如此之高，以致公司的應(yīng)用工程師和客戶目前使用斯凱孚的GBLM計(jì)算工具平均每天高達(dá)260次。但是他強(qiáng)調(diào)，混合陶瓷軸承在與傳統(tǒng)軸承的比較中并不總是獨(dú)占鰲頭，但這恰恰是全新建模方法如此重要的原因。“我們的觀點(diǎn)不是用混合軸承設(shè)計(jì)取代所有的鋼-鋼軸承，而是僅在經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的情況下才如此。我們的混合軸承GBLM確保客戶基于穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)做出上述決定。”
