2.5 跨國軸承公司高端軸承科技發展趨勢

2.5.1 基于動力學仿真分析的設計技術

滾動軸承動力學仿真分析研究的是軸承零件的運動和載荷的關系。

滾動軸承的動力學研究分為靜力學模型、擬靜力學模型、擬動力學模型和動力學模型。

目前，我國軸承設計計算的先進水平是采用靜力學模型、擬靜力學模型，采用擬動力學模型的鳳毛麟角，量大面廣的中小軸承企業還處在經驗設計等階段。而斯凱孚公司（簡稱斯凱孚，SKF）等國際跨國軸承公司已應用基于動力學仿真分析的設計技術。

跨國軸承公司在已構建的軸承分析設計理論基礎上，結合多年的研發經驗和數據積累，開發了各自的軸承動力學建模和仿真分析軟件，支撐軸承分析設計工作。

日本精工株式會社（簡稱日本精工，NSK）的Aramaki開發了滾動軸承動力學分析軟件包BRAIN，并分別以圓柱滾子軸承、調心滾子軸承和四點接觸球軸承為實例，開展軸承力矩、pv值等相關試驗，以驗證程序的準確性。

斯凱孚的Stake等開發了BEAST軟件，用于滾動軸承動力學仿真分析。該軟件可用于保持架運動特性分析。

舍弗勒公司（簡稱舍弗勒，SCHAEFFLER）已開發了動力學建模和仿真軟件BearingX。Sadeghi等構建了具有6自由度的圓柱滾子軸承動力學分析模型。該模型可分析轉速、滾動體尺寸變化、保持架的對稱性等對保持架穩定性的影響。

舍弗勒的X-life新產品比上一代標準產品承載能力提高20%，壽命提高70%，摩擦因數降低50%。

性能提升主要是通過以下3個方面實現：一是對表面質量的改善，使用全新的方法Abbott曲線來評價精加工表面的質量，通過對R_k、R_vk、R_pk 3個參數的限定，在增加實際接觸面積、減少應力的同時保留潤滑油脂的存儲空間。二是采用優化的材料和熱處理，使得其具有更強的抗污染和防止裂紋產生的能力，從而提高壽命。三是優化了內部的結構，使用更加符合應用的內部油溝和滾道面的型線設計。

在X-life的基礎上，舍弗勒進一步提高產品的性能。舍弗勒研發的新型軸承專用材料Mancrodur，提高Mn的含量，降低Cr的含量，結合X-life和碳氮共滲技術，可獲得更細密的組織以提高耐磨性和抵抗裂紋的產生，同時具有更高的表面壓應力。可以在X-life的基礎上將額定動載荷再提高30%，同時原材料成本和生產成本比采用傳統軸承鋼大幅降低。

舍弗勒采用KBE （Knowledge Based Engineering）大幅度提高方案的有效性，縮短研發周期，快速給客戶提供最佳解決方案。結合舍弗勒多年的軸承設計經驗和綜合知識，能輔助設計工程師根據客戶的尺寸、載荷等需求快速提供軸承設計方案，并且充分應用零件的標準化完成最佳的成本設計。KBE工具和設計軟件如Pro/E，計算軟件如BearingX等完美對接，具備設計計算和數據庫一體化功能，并且鏈接SAP系統，能快速創建生產所需的物料號和清單，高效輔助設計人員完成客戶定制產品以及生產數據對接。

2.5.2 滾動接觸疲勞壽命計算

20世紀40年代，瑞典科學家Lundberg和Palmgren以滾動接觸條件下的赫茲接觸理論為基礎，并考慮材料內部缺陷的概率分布，提出了著名的軸承滾動接觸疲勞壽命設計計算的理論公式（簡稱為L-P理論）。經過數10年的修正，形成了滾動軸承疲勞壽命計算的國際標準。

但是，基于L-P理論形成的國際標準并不完全適用于表面起源型疲勞失效的壽命計算，對于航空發動機主軸軸承常見的高速輕載打滑擦傷這類失效形式，L-P理論則完全不適用。對此，現在還沒有廣泛認可的壽命設計計算模型。

在這種情況下，國際跨國軸承公司致力于更符合軸承實際運轉情況的性能分析工具的開發。如斯凱孚開發的BEAST軟件，沒有采用滾道控制等假設進行動力學仿真。日本精工的BRAIN軟件拋棄了傳統軸承計算的“純滾動”的假設，實現了對軸承旋轉的動態多功能、全方位的仿真分析。

2.5.3 軸承無限壽命設計

在軸承工業發展初期，曾經提出過軸承無限壽命的概念并有所應用。這種概念認為，若軸承承受的載荷小于其載荷容量（滾動體與滾道之間的最大接觸應力與材料規定強度相等時的軸承載荷），則軸承有可能永久使用。但后來更多的理論認為，即使軸承安裝正確、潤滑良好、使用得當，但由于承受反復交變應力，最終也會由于疲勞而失效，不可能永遠運轉下去。因此，軸承壽命只可能是有限壽命。

斯凱孚于1984年發表的新壽命理論又重新引入了軸承具有無限壽命的概念：在潤滑、清潔度及其他運轉條件理想的情況下，若軸承承受的載荷低于疲勞載荷極限P_u，將不會產生疲勞損壞，即軸承壽命是無限的。對于常規軸承鋼，P_u基于的接觸應力約為1500MPa。

對軸承進行無限壽命設計時，具體的P_u可參考斯凱孚的軸承產品樣本，也可根據軸承額定靜載荷C₀進行估算。對于球軸承，；對于調心球軸承，；對于其他軸承，。

將無限壽命的概念引入軸承設計的目的是為了實現軸承服役的高可靠性，確保軸承在設計應力下的長期安全運轉。

2.5.4 熱處理工藝

美國科羅拉多礦業學院的Speer等提出淬火—碳分配（Quenching—Parti-Tioning，Q-P-T）熱處理工藝，通過Q-P-T熱處理工藝，在鋼內穩定一定量的殘留奧氏體，以提高鋼的強度和韌性。這一工藝顛覆了傳統的淬火鋼殘留奧氏體越少越好的理念。

與Q-P-T熱處理工藝異曲同工的是日本精工開發的抗磨粒磨損鋼及其熱處理工藝。日本精工采用自行開發的STF（Super-TF）鋼和HTF（Hi-TF）鋼制造風電增速器軸承。增速器在工作過程中，齒輪磨損產生的微小金屬顆粒在軸承工作表面形成壓痕，壓痕邊緣形成高的應力集中，成為疲勞源，導致剝落，縮短軸承的使用壽命。日本精工開發的用中碳合金鋼STF和HTF鋼碳氮共滲，通過嚴格控制碳氮共滲工藝，使零件表面得到較多的穩定的殘留奧氏體（30%～35%）和大量細小的碳化物、碳氮化物。后者可保證表面的硬度和耐磨性，使壓痕不易形成；前者可以降低壓痕的邊緣效應，阻止疲勞源的形成和擴展，從而大大提高軸承在風電增速器、汽車變速器等在污染潤滑工況下的使用壽命。

此外，斯凱孚的MRC公司通過改進熱處理工藝，使M50NiL軸承鋼的斷裂韌度從350MPa·m提高到近700MPa·m。

2.5.5 潤滑技術和潤滑脂

國外大公司對高效、長壽命潤滑技術和潤滑脂的開發和應用十分重視。斯凱孚有一支實力很強的潤滑研究團隊，研發并建立了一種潤滑脂壽命（或補充潤滑脂間隔）實證模型，開發了應用于不同軸承產品的潤滑脂，同時開發了新型油氣潤滑結構、微量供油系統，使軸承極限轉速提高了10%～20%。日本精工將摩擦潤滑技術列為四大核心技術之一，應用其開發的潤滑脂，軸承的d_mn值達到1.8×106mm·r/min時，壽命可達20000h。

2.5.6 軸承的集成化

斯凱孚開發的應用于1.5～6MW風力發電機組主軸的SKF Nautilus（鸚鵡螺）軸承，將軸承與機架集成為一體，并直接連接到輪轂上，承擔轉子的全部載荷。這種緊湊型結構的軸承有很高的剛度，并能減小機艙的尺寸和重量。

日本精工開發的風力發電機組增速器用無外圈軸承，齒輪內徑面直接作為軸承的滾道使用，從而省略了外圈的設計。該設計能夠徹底解決外圈打滑的問題，同時通過軸承特殊配列的設定，還可以實現更高的承載能力，提高該部位的運轉可靠性。

舍弗勒開發的專門應用于CT設備的能及時安裝的FAG SIMTUS系統，將電動直驅系統集成在軸承上，提供完整且易于安裝的整體解決方案，完全滿足醫院放射學診療中所采用的計算機輔助成像程序的嚴格要求，集成在軸承上的高分辨率測量系統，有助于計算機斷層掃描成像程序運行，使掃描時間大大縮短，成像更為清晰，系統操作噪聲明顯降低。

舍弗勒最新研發的角接觸滾子單元，是兼具圓錐滾子軸承高承載力、低成本和球軸承低摩擦力的多重優點的新型軸承形式，在變速器領域具備很大的應用潛力。

舍弗勒、捷太格特、日本精工等跨國軸承公司對轎車輪轂軸承集成化的發展過程如圖2-1所示。

2.5.7 軸承的智能化

現在世界上還沒有一套真正意義上的智能軸承，但是跨國軸承公司在軸承的智能化方面做了很大的努力，也有所建樹。斯凱孚在風力發電機組軸承上安裝SKF WindCon系統，通過傳感器對軸承運行狀況進行遠程監測。依據運行數據的收集和分析，對已經發生的故障診斷報警，對即將發生的故障診斷預警。同時，SKF WindCon還可與SKF WindLub自潤滑系統集成，依據檢測結果，適時、適量、位置精準地注入潤滑脂，使軸承始終處于良好的潤滑狀態，有助于提高軸承的可靠性，降低維修成本，延長使用壽命。舍弗勒也研制了帶傳感器，集成了Smart Check狀態檢測系統的軸承，對軸承進行在線和離線狀態檢測，并可對軸承運行狀態進行自主分析及模擬。同時，集成了自動注脂器，適時調整潤滑狀態。這種軸承已廣泛應用于電機、齒輪箱、壓縮機等領域。

舍弗勒的Vario Sense軸承可同時提供多個傳感器信號，在1個緊湊的單元中對機械設備和生產流程進行監控，5個截面寬度為7mm的傳感器可集成到傳感器簇環。這些元件記錄機器中的各種物理量通過集成傳感器、執行器、控制器和軟件用于驅動器控制、過程狀態檢測或剩余壽命計算。作為“工業4.0”的產品解決方案，這些創新的功能不斷提升機器的可利用率，也為很多新商業模式提供可能。

2.5.8 適應主機發展，開發高端軸承

1.汽車軸承

日本精工的汽車軸承廣泛應用于包括底盤系統、傳動系統、發動機輔機在內的各個部位，為適應各個應用部位的要求開發出了相應的產品。

有些路況相對惡劣的運行條件，對輪轂軸承的密封性能提出了更苛刻的要求。為適應這一特殊要求，日本精工成功開發了高可靠性、高密封性輪轂軸承。耐泥水試驗結果表明，該新型輪轂軸承的密封性能是國際同類產品的3倍，使用壽命提高1倍以上。

隨著變速器技術的不斷發展，變速器用軸承也在不斷進化。為了滿足不同的使用環境要求，日本精工不斷改善設計，減小圓錐軸承的摩擦力矩，迄今已開發出第六代低摩擦圓錐軸承，摩擦力矩累計降低約70%。

汽車發動機常年在高速高溫狀態下運行，其周邊的輔機用軸承對密封性、耐高速及耐高溫性能有著非常嚴格的要求。為此，日本精工開發了一系列特殊密封及耐高溫潤滑脂等產品來滿足這些要求。針對比較常見的交流發電機軸承的電蝕失效問題，日本精工特別開發了新型導電潤滑脂，大大提高了潤滑脂的電導率，由此大幅降低了軸承發生電蝕損傷的風險。

為適應汽車“四化”（智能化、電動化、網聯化、共享化），進行了一系列探索，取得了不少成果。

日本精工針對混合動力車（HEV）、電動車（EV）及燃料電池車（FCV）等，開發出了一系列具有小型輕量化、低摩擦損失、靜聲性等特點的軸承產品，提高了汽車的可靠性，降低了能源消耗，有利于環境保護和提高汽車安全性、舒適性。

為了實現電動汽車的輕量化，驅動電動機的高速化是必然發展趨勢之一。然而，高速電動機如果使用傳統齒輪減速機構減速，會出現噪聲大及齒輪壽命不足的問題。日本精工依靠在軸承制造領域的精密機械加工及材料技術，開發出了無需要齒輪傳動，而是以特殊油為媒介來傳遞動力、實現減速的牽引驅動機構。該機構可與最高轉速40000r/min的高速電動機組合，實現電動車驅動系統整體的進一步小型化和輕量化。

針對電動車、混合動力車的驅動電動機的高速化趨勢，日本精工開發了新一代高速電動機用脂潤滑球軸承。該產品通過保持架的優化設計及材料升級，以及適用于高速條件的潤滑脂開發，有效降低高速運轉條件下保持架磨損及發生咬粘的風險，實現d_mn可超過1×106mm·r/min。與傳統產品相比，在高速條件下，軸承壽命提高5倍，同時摩擦力矩減少20%。

2.鐵路車輛軸承

在鐵路車輛領域，通常是基于運行時間或距離對車輛進行維護（大修等），確認包括軸承在內的功能部件的狀態，進行必要的修理或更換。這種方式耗時長且成本較高。為了實現鐵路車輛用軸承在使用過程中的高可靠性、高安全性，日本精工開發了鐵路車輛狀態監測系統。該系統可實時監測記錄軸承的振動及溫度，實時分析其狀態及變化趨勢，對早期故障提出預見性的維護建議。借助此系統，可有效地實現預防性維護，在避免故障突然發生的同時，延長軸承的點檢周期，降低軸承的維護成本。

3.風電軸承

在風力發電領域，增速箱用滾動軸承會發生過早的故障，其中一個主要的失效模式是伴隨著微觀組織結構變化的剝落。由于能夠在剝落區域的斷面上觀察到呈白色的微觀組織，因此，這種剝落被稱為白色組織剝落（WSF）。針對白色組織剝落問題，日本精工通過多年的潛心研究，推出了抗白色組織剝落的AWS-TF材料。這種材料采用日本精工獨自開發的特殊材料（優化合金成分），可有效抑制氫元素的入侵及擴散，延遲白色組織的形成，并且通過特殊的熱處理技術，抑制微觀裂紋的發生及擴展。采用AWS-TF材料的軸承其抗白色組織剝落壽命是標準軸承鋼的7倍，為提高增速箱長期運行的可靠性做出了重要貢獻。

4.機床軸承

在機床領域，機床主軸用軸承要求高轉速、高剛度、高精度，并考慮環保的設計。針對上述需求，日本精工研發了能夠實現高轉速、高剛性、低發熱的ROBUST角接觸球軸承和圓柱滾子軸承并投入市場，獲得了客戶的一致好評。為了進一步滿足機床主軸緊湊化的需求，日本精工研究開發了外圈供油方式的ROBUST角接觸球軸承標準系列并投入市場。該產品一改以往從軸承側面供油的方式，通過外圈供油孔直接供油，實現向軸承內部供給潤滑劑。由于不再需要配置供油用隔圈，因此，可實現主軸軸向尺寸更緊湊，也使其加工性能得到了提高。