跨国轴承公司高端轴承科技发展趋势

一、基于动力学仿真分析的设计技术
       滚动轴承动力学仿真分析研究的是轴承零件的运动和载荷的关系。
       滚动轴承的动力学研究分为四个阶段：静力学模型、拟静力学模型、拟动力学模型、动力学模型。
       目前我国轴承设计计算的先进水平是采用静力学模型、拟静力学模型，采用拟动力学模型的凤毛麟角，量大面广的中小轴承企业，还处在模仿设计和经验设计阶段。而SKF等国际跨国轴承公司已应用基于动力学仿真分析的设计技术。
       跨国轴承公司在已构建的轴承分析设计理论基础上，结合多年的研发经验和数据积累，开发了各自的轴承动力学建模和仿真分析软件，支撑轴承分析设计工作。
       NSK的Aramaki开发了滚动轴承动力学分析软件包BRAIN，并分别以圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、四点接触球轴承为实例，开展轴承力矩、PV值等相关实验，以验证程序的准确性。
       SKF的Stake等开发了BEAST软件，用于滚动轴承动力学仿真分析。该软件可用于保持架运动特性分析。
       SCHAEFFLER已开发了动力学建模和仿真软件BearingX。Sadeghi等构建具有6自由度的圆柱滚子轴承动力学分析模型。该模型可分析转速、滚动体尺寸变化、保持架的对称性等对保持架稳定性的影响。
       SCHAEFFLER的X-life新产品比上一代标准产品承载能力提高20%，寿命提高70%，摩擦降低50%。
       性能提升主要是通过以下三个方面实现：一是对表面质量的改善，使用全新的方法Abbott曲线来评价精加工表面的质量，通过对Rk，Rvk，Rpk三个参数的限定，在增加实际接触面积减少应力的同时保留润滑油脂的存贮空间。二是采用优化的材料和热处理，使得其具有更强的对抗污染和防止裂纹产生的能力，从而提高寿命。三是优化了内部的结构，使用更加符合应用的内部油沟和滚道面的型线设计。
       在X-life的基础上，SCHAEFFLER进一步提高产品性能。SCHAEFFLER研发的新型轴承专用材料Mancrodur，提高Mn的含量，降低Cr的含量，结合X-life和碳氮共渗技术，可获得更细密的组织以提高耐磨性和抵抗裂纹的产生同时具有更高的表面压应力。可以在X-life的基础上将额定动载荷再提高30%，同时原材料成本和生产成本比采用传统轴承钢大幅降低。
       SCHAEFFLER采用KBE大幅度提高方案的有效性，缩短研发周期，快速给客户提供最佳解决方案。KBE(Knowledge Based Engineering)结合SCHAEFFLER多年的轴承设计经验和综合知识，能辅助设计工程师根据客户的尺寸，载荷等需求快速提供轴承设计方案，并且充分应用零件的标准化完成最佳的成本设计。KBE工具和设计软件如Pro/E,计算软件如BearingX等完美对接，具备设计计算和数据库一体化功能，并且链接SAP系统，能快速创建生产所需的物料号和清单，高效辅助设计人员完成客户定制以及生产数据对接。
 
二、滚动接触疲劳寿命计算
       20世纪40年代，瑞典科学家Lundberg和Palmgren以滚动接触条件下的赫兹接触理论为基础，并考虑材料内部缺陷的概率分布，提出了著名的轴承滚动接触疲劳寿命设计计算的理论公式（简称为L-P理论）。经过数十年的修正，形成了滚动轴承疲劳寿命计算的国际标准。
       但是，基于L-P理论形成的国际标准，并不完全适用于表面起源型疲劳失效的寿命计算，对于航空发动机主轴轴承，常见的高速轻载打滑擦伤这类失效形式，L-P理论则完全不适用。对此，现在还没有广泛认可的寿命设计计算模型。
       在这种情况下，国际跨国轴承公司致力于更符合轴承实际运转情况的性能分析工具的开发。如SKF开发的BEAST软件。没有采用滚道控制等假设进行动力学仿真。NSK的BRAIN软件抛弃了传统轴承计算的“纯滚动”的假设，实现了对轴承旋转的动态多功能、全方位的仿真分析。
 
三、轴承无限寿命设计
       在轴承工业发展初期，曾经提出过轴承无限寿命的概念并有所应用。这种概念认为，若轴承承受的载荷小于其载荷容量（滚动体与滚道之间的最大接触应力与材料规定强度相等时的轴承载荷），则轴承有可能永久使用。但后来更多的理论认为：即使轴承安装正确、润滑良好、使用得当，但由于承受反复交变应力，最终也会由于疲劳而失效，不可能永远运转下去。因此，轴承寿命只可能是有限寿命。
       瑞典SKF公司于1984年发表的新寿命理论又重新引入了轴承具有无限寿命的概念：在润滑、清洁度及其他运转条件理想的情况下，若轴承承受的载荷低于疲劳载荷极限Pu，将不会产生疲劳损坏，即轴承寿命是无限的。对于常规轴承钢，Pu基于的接触应力约为1500MPa。
       对轴承进行无限寿命设计时，具体的Pu可参考SKF的轴承产品样本，也可根据轴承额定静载荷C0进行估算。对于球轴承，；对于调心球轴承，；对于其他轴承，。
将无限寿命的概念引入轴承设计的目的是为了实现轴承服役的高可靠性，确保轴承在设计应力下的长期安全运转。
 
四、热处理工艺
       美国科罗拉多矿校的Speer等提出淬火—碳分配（quenching—partitining·QP）热处理工艺，通过QT热处理工艺，在钢内稳定一定量的残余奥氏体，以提高钢的强度和韧性。这一工艺颠覆了传统的淬火钢残余奥氏体越少越好的理念。
       与QT热处理工艺异曲同工的是日本NSK开发的抗磨粒磨损钢及其热处理工艺。日本NSK公司采用自行开发的STF（Super-TF）钢和HTF（Hi-TF）钢制造风机增速器轴承。增速器在工作过程中，齿轮磨损产生的微小金属颗粒，在轴承工作表面形成压痕，压痕边缘形成高的应力集中，成为疲劳源，导致剥落，缩短轴承使用寿命。NSK公司开发的用中碳合金钢STF和HTF钢碳氮共渗，通过严格控制碳氮共渗工艺，使零件表面得到较多的稳定的残余奥氏体（约30～35%）和大量细小的碳化物、碳氮化物。后者可保证表面的硬度和耐磨性，使压痕不易形成；前者可以降低压痕的边缘效应，阻止疲劳源的形成和扩展，从而大大提高轴承在如风电增速器、汽车变速箱这样的在污染润滑工况下的使用寿命。
       此外，SKF的MRC公司通过改进热处理工艺，使M50NiL轴承钢的断裂韧性从350MPa·m提高到近700MPa·m。
 
五、润滑技术和润滑脂
       国外大公司对高效、长寿命润滑技术和润滑脂的开发和应用十分重视。SKF有一支实力很强的润滑研究团队，研发建立了一种润滑脂寿命（或补充润滑脂间隔）实证模型，开发了应用于不同轴承产品的润滑脂，同时开发了新型油气润滑结构、微量供油系统，使轴承极限转速提高了10%～20%。NSK将摩擦润滑技术列为四大核心技术之一，应用其开发的润滑脂，轴承的dmn值达到1.8×106mm·r/min时，寿命可达2万h。
 
六、轴承的集成化
       SKF开发的应用于1.5兆瓦～6兆瓦风力发电机组主轴的SKF Nautilus（鹦鹉螺）轴承，将轴承与机架集为一体，并直接连接到轮毂上，承担转子的全部载荷。这种紧凑型结构的轴承有很高的刚度，并能减小机舱的尺寸和重量。
       NSK开发的风力发电机组增速器用无外圈轴承，齿轮内径面直接作为轴承的滚道使用，从而省略了外圈的设计。该设计能够彻底解决外圈打滑的问题，同时通过轴承特殊配列的设定，还可以实现更高的承载能力，提高该部位的运转可靠性。
       SCHAEFFLER开发的专门应用于CT设备的能即时安装的FAG SIMTUS系统，将电动直驱系统集成在轴承上，提供完整且易于安装的整体解决方案，完全满足医院放射学诊疗中所采用的计算机辅助成像程序的严格要求，集成在轴承上的高分辨率测量系统，有助于计算机断层扫描成像程序运行，使扫描时间大大缩短，成像更为清晰，系统操作噪声明显降低。
       SCHAEFFLER最新研发的角接触滚子单元,是兼具圆锥滚子轴承高承载力和球轴承低摩擦力的多重优点的新型轴承形式，在变速箱领域具备很大的应用潜力。
       SCHAEFFLER、JTEKT、NTN等跨国轴承公司对轿车轮毂轴承集成化的发展过程，如下图。