滾動(dòng)軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與方向

以全球軸承工業(yè)的視野，截取二十一世紀(jì)以來近20年的歷史跨度，在系統(tǒng)分析世界著名軸承公司主導(dǎo)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，從技術(shù)和產(chǎn)品2個(gè)層面闡述了軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，從減摩化、輕量化、單元化、智能化和魯棒性等不同維度解析了軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向，并對未來總的發(fā)展方向及具體發(fā)展議題進(jìn)行了展望。

滾動(dòng)軸承（以下簡稱軸承）產(chǎn)品技術(shù)，是指將軸承作為一整類產(chǎn)品，其所包含的技術(shù)內(nèi)涵或體現(xiàn)的技術(shù)特性，如高精度、高轉(zhuǎn)速、低噪聲、高載荷容量、長壽命與高可靠性等。產(chǎn)品技術(shù)的背后，是具體的設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)、潤滑技術(shù)、密封技術(shù)等，這些都屬于產(chǎn)品技術(shù)的支承技術(shù)^[1]。

對于軸承產(chǎn)品技術(shù)的方向性、趨勢性、潮流性的判斷，需要放在一個(gè)較大的時(shí)空概念下才能更好地審視、洞察和判斷，否則只是短期時(shí)段、局部領(lǐng)域的曇花一現(xiàn)的個(gè)案，而構(gòu)不成引領(lǐng)性的風(fēng)向標(biāo)。因此，必須以全球軸承工業(yè)的視野，截取一個(gè)較長的歷史跨度，系統(tǒng)分析研究 “頭部企業(yè)”(世界著名軸承公司)的主導(dǎo)產(chǎn)品，才可以梳理出脈絡(luò)比較清晰的技術(shù)發(fā)展方向。

1 軸承產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1技術(shù)進(jìn)步與突破

20世紀(jì)80-90年代，軸承產(chǎn)品技術(shù)最突出的主流方向是加強(qiáng)型、低噪聲和長壽命，另外在高精度方面，除了P4（高精密級）、P2（超高精密級）的標(biāo)準(zhǔn)公差等級及SP,UP,P2A等特殊公差等級之外，又提出了NRRO, 即“非重復(fù)跳動(dòng)”指標(biāo)。而進(jìn)入21世紀(jì)以來的二十年間，軸承在追求高性能與長壽命方面，又達(dá)到了新高度。

1.1.1高性能

轉(zhuǎn)速方面，重點(diǎn)聚焦于使用方便、維護(hù)簡單、綠色環(huán)保的脂潤滑軸承，其d_m·n值已可達(dá)到了2.0×10⁶mm·r/min，而過去的脂潤滑推薦值僅為0.6×10⁶mm·r/min。

載荷能力方面，基本上各類型軸承都普遍有所提高，如軸承額定動(dòng)載荷計(jì)算公式中的b_m系數(shù)，許多公司又做了調(diào)整，以應(yīng)用最為廣泛的深溝球軸承為例，b_m系數(shù)在原1.3的基礎(chǔ)上又提高了15%。

耐受溫度方面，軸承常規(guī)的適用溫度為-40～120℃，而現(xiàn)在對有些通用軸承耐受低溫極限要求已到-55℃（此溫度下，部分軸承零件材料將會(huì)面臨低溫脆性即“冷脆”的風(fēng)險(xiǎn)）。

低噪聲方面，軸承類型已從深溝球軸承、圓柱滾子軸承等擴(kuò)展到對使用要求一直比較“粗放”的調(diào)心滾子軸承。

摩擦力矩方面，已從精密儀器軸承延伸到汽車軸承、家電軸承、風(fēng)電軸承、工業(yè)齒輪箱軸承等。---      

軸承在很多應(yīng)用場合，都要求具備“全能”的技術(shù)特性。上述的高性能，體現(xiàn)在具體的軸承上很多都是疊加的，也即綜合性能要優(yōu)良卓越。

高性能背后是以相關(guān)技術(shù)的顯著進(jìn)步為基石的，如軟件方面有軸承CAD技術(shù)的普及化，有限元及仿真設(shè)計(jì)分析技術(shù)的下沉化，摩擦學(xué)應(yīng)用技術(shù)的深度化等，還包括材料、裝備等各個(gè)方面硬件的有力支撐。

1.1.2長壽命

著名品牌的電機(jī)軸承、機(jī)床軸承等，疲勞壽命已足以滿足要求而基本無需考慮。電機(jī)軸承多采用密封結(jié)構(gòu)，因此主要以潤滑脂壽命為判斷準(zhǔn)則；機(jī)床軸承則主要以磨損壽命或精度壽命為失效依據(jù)。

汽車軸承：如輪轂、變速箱等關(guān)鍵部位軸承，要求設(shè)計(jì)壽命達(dá)到10×10⁵km甚至12×10⁵km公里。

鐵路軸承：SKF最新推出的軸箱軸承，其大修（分解檢修）周期可由常規(guī)的10×10⁵km提高到17×10⁵km ^[2]。

盾構(gòu)機(jī)主軸軸承：要求無故障使用壽命10000h或10km。

風(fēng)電軸承：使用壽命要求20年，這可能是迄今為止對軸承壽命要求最長的應(yīng)用領(lǐng)域。

軸承壽命的顯著提高，貢獻(xiàn)最大的首先是原材料的技術(shù)進(jìn)步，如日本、歐洲和美國的高純凈度真空脫氣軸承鋼，達(dá)到了特殊冶煉方法的電渣重熔鋼或真空電弧重熔鋼的疲勞壽命水平，包括特殊材料（如高溫鋼M50NiL、高氮鋼Cronidur30等）及特殊熱處理（如納米級貝氏體淬火、高殘余奧氏體熱處理等）的應(yīng)用；其次，潤滑（如長壽命潤滑劑）、密封（如高性能密封結(jié)構(gòu)與材料）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如加強(qiáng)型優(yōu)化設(shè)計(jì)）、精密加工（如高尺寸形狀精度與低表面粗糙度的磨削超精）、質(zhì)量控制（如超聲波無損檢測）等也發(fā)揮著重要作用。

在長壽命的技術(shù)背景中，一些基礎(chǔ)性研究成果所帶來的變化及影響是相當(dāng)深刻的。

在軸承壽命概念方面，經(jīng)過早期（無限壽命）→長期（有限壽命）→近期（無限壽命）的演進(jìn)，又一次確立了軸承具有“無限壽命”的特性，即通過幾十年大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，軸承存在一個(gè)“疲勞極限”，只要低于這一應(yīng)力值或載荷值，軸承將不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。這一概念徹底推翻了半個(gè)多世紀(jì)以來存在于經(jīng)典理論暨教科書中的說法：無論怎樣設(shè)計(jì)合理、制造精良、安裝正確、潤滑良好、維護(hù)得當(dāng)，軸承都不可能永遠(yuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)下去，最終總會(huì)因?yàn)槠诙А?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important;"/>

在軸承疲勞機(jī)理方面，在歐、日、美等軸承工業(yè)發(fā)達(dá)國家，由于軸承鋼的純凈度水平已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的程度，軸承疲勞機(jī)理已從第1種的“內(nèi)部起源型為主”轉(zhuǎn)為第2種的“表面起源型為主”。另外，白色組織（WEA)作為第3種疲勞機(jī)理，也已獲得廣泛共識。

在軸承壽命計(jì)算方面：1）在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 281:2007《Rolling bearings--- － Dynamic load ratings and rating life》中，基于最小壽命理論給出了大于90%可靠度的新的a₁修正系數(shù)，將最高可靠度由原99%擴(kuò)展至了99.95%；基于SKF的研究成果，引入了“疲勞載荷極限”C_u及“軸承壽命計(jì)算系統(tǒng)方法”的a_ISO壽命修正系數(shù)。2）SKF繼1989年提出修正軸承壽命模型后，又于2015年提出了廣義軸承壽命模型，將表面疲勞與次表面引發(fā)疲勞分離開來，引入了表面疲勞模式。

在軸承剩余壽命評估方面，NSK首創(chuàng)了“疲勞度指數(shù)”這一概念，通過X射線對材料中馬氏體半高寬與殘余奧氏體的變化來推測軸承剩余使用壽命。Schaeffler則基于實(shí)際載荷譜，即以名義額定壽命減去當(dāng)前已運(yùn)行時(shí)間來計(jì)算軸承剩余使用壽命。

1.2產(chǎn)品升級與創(chuàng)新  

1.2.1通用軸承普遍實(shí)現(xiàn)了升級換代

通用軸承也稱為標(biāo)準(zhǔn)軸承，對其的一般認(rèn)知似乎是通用性較強(qiáng)但技術(shù)含量不高的軸承，但國際著名軸承公司在21世紀(jì)開始，幾乎同步進(jìn)行了升級換代。如：SKF的Explorer（探索者）軸承（1999年起）及其升級版（2011年起），Schaeffler的X-life軸承（2003年起），NSK的HPS（High Performance Standard）軸承（2004年起），NTN的ULTAGE（安特杰）軸承（2004年起）。

這些通用軸承的升級換代，大多公司實(shí)現(xiàn)的是“垂直換代”，即完全替代原“標(biāo)準(zhǔn)軸承”，或者說是“重新定義了標(biāo)準(zhǔn)軸承”。改進(jìn)的技術(shù)內(nèi)容，主要是進(jìn)一步“提高了軸承的承載能力與壽命，減小了軸承的摩擦力矩（即提高了軸承轉(zhuǎn)速），降低了軸承振動(dòng)噪聲”等綜合性能。如NSK的HPS調(diào)心滾子軸承壽命提高了2倍，極限轉(zhuǎn)速提高了20%以上；NTN的ULTAGE深溝球軸承，以用于高速伺服電動(dòng)機(jī)為例，潤滑脂壽命提高了約5倍，轉(zhuǎn)速提高了2倍以上，噪聲又降低了3dB（A）。

通用軸承量大面廣，其技術(shù)性能的普遍提高，相當(dāng)于從底部提升了軸承產(chǎn)品的整體技術(shù)水平，實(shí)際意義非常巨大。

由于通用軸承技術(shù)質(zhì)量水平的大幅度提高，“通用軸承專用化”的范圍也越來越擴(kuò)大，如上述升級產(chǎn)品在許多專用軸承領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，且表現(xiàn)優(yōu)異。通用軸承專用化這一現(xiàn)象的泛化與增強(qiáng)，既有利于軸承企業(yè)的批量化組織生產(chǎn)，又有利于軸承用戶的低成本使用維護(hù)，將大大促進(jìn)技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的相得益彰。

1.2.2專用軸承進(jìn)一步創(chuàng)新提升

專用軸承直接面向配套主機(jī)，需要滿足各種苛刻的個(gè)性化要求（包括極端工況和極限性能），集成著許多先進(jìn)甚至是尖端技術(shù)的應(yīng)用，是軸承工業(yè)聚焦于性能提升與科技創(chuàng)新的核心產(chǎn)品載體。

1）機(jī)床主軸軸承。以角接觸球軸承為代表，SKF推出有CD，CE和FB 3種結(jié)構(gòu)形式，分別適用于重載、高速和超高速，實(shí)現(xiàn)了工況的全覆蓋；Schaeffler在RS，HS系列的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了M系列，其結(jié)合了前2個(gè)系列的優(yōu)點(diǎn)，且可靠性進(jìn)一步提高；NSK開發(fā)了全新一代“robust”系列軸承，具有低溫升、抗咬合、長壽命等綜合優(yōu)良性能，其中用于超高速軸承的SHX耐熱鋼，比航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承用M50鋼更抗咬合、耐磨損及更優(yōu)的疲勞壽命^[3]。

2）電機(jī)軸承。Schaeffler的新一代C型深溝球軸承，減小摩擦力矩35%，降低噪聲50%，宣稱是“與1883年磨球機(jī)的發(fā)明（作者注：即現(xiàn)代軸承工業(yè)發(fā)祥的標(biāo)志）相提并論的歷史里程碑”；NSK的GR系列深溝球軸承，具有低能耗、平順靜音的技術(shù)特點(diǎn)，適用于空調(diào)器、吸塵器、CPU冷卻風(fēng)扇等高效能電動(dòng)機(jī)。

3）汽車軸承。乘用車用第3代輪轂軸承單元逐步成為市場主導(dǎo)產(chǎn)品。NSK開發(fā)的用于皮卡、大型SUV和商用車的第2.5，3代圓錐滾子輪轂軸承單元，通過集成化及低摩擦技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了汽車的可靠性和燃油效率；SKF的輕型汽車輪轂軸承單元，凸緣部位以鋁合金代替鋼材，不僅質(zhì)量減輕30%，而且在腐蝕性環(huán)境和寬溫域下仍能保持其剛度和耐久性；Schaeffler的重型卡車用免維護(hù)（無需更換密封件和潤滑脂）圓錐滾子輪轂軸承單元，質(zhì)保期50×10⁴ km，設(shè)計(jì)壽命100×10⁴ km，終生免維護(hù)，而先前的第2代輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)壽命僅要求30×10⁴ km，50×10⁴ km；JTEKT的“高溫和高速用增壓器用軸承單元”，采用耐高溫材料的套圈、保持架和陶瓷滾動(dòng)體等，在工作溫度350℃下，轉(zhuǎn)速可達(dá)250 000 r/min ，而傳統(tǒng)的增壓器用軸承只能在工作溫度150℃下達(dá)到50 000 r/min。

4）鐵路軸承-。NSK新研發(fā)的雙列圓柱滾子軸箱軸承，適用于設(shè)計(jì)時(shí)速320 km的E5系列高速列車，而原來僅能滿足設(shè)計(jì)時(shí)速為275 km的E2，E3系列列車^[4]；SKF，Schaeffler，NTN及NSK提供于中國高鐵動(dòng)車組的軸箱軸承，均能滿足列車運(yùn)營時(shí)速200~350km且具有長交路、高密度、寬溫域、復(fù)雜地質(zhì)條件的苛刻要求；Schaeffler最新推出的牽引電動(dòng)機(jī)用J20G絕緣軸承，套圈噴涂陶瓷，耐受擊穿電壓達(dá)到DC5 000 V（過去一般為DC1 000 V，最高為DC 3 000 V），是目前國際上最領(lǐng)先水平。

5）風(fēng)電軸承。風(fēng)電軸承是近20年來發(fā)展最為迅猛的專用軸承，創(chuàng)新產(chǎn)品主要集中在主軸軸承和增速器軸承上。如TIMKEN的主軸用TDI型雙列圓錐滾子軸承，可吸收軸向載荷，減低齒輪箱的磨損即延長其使用壽命；SKF的主軸用“鸚鵡螺”雙列圓錐滾子軸承單元，可以方便連接，減輕重量，減小摩擦，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性。TIMKEN的增速器行星輪集成式柔性銷組件，將齒輪與軸承外圈一體化，杜絕了外圈“跑圈”的可能性，同時(shí)提高了軸承的載荷能力，柔性銷結(jié)構(gòu)還改善了齒輪的嚙合性能；Schaeffler等公司的增速器中高速端軸承，采用氧化發(fā)黑涂層（黑化）處理，不僅可以減輕高速輕載打滑損傷，耐受腐蝕和改善潤滑劑表面的附著力，而且可以有效防止白色組織裂紋的發(fā)生；NSK采用自主研發(fā)的AWS-TF鋼，耐白色組織壽命提高7倍，耐表面剝落壽命提高3倍，韌性則提高了2倍。

6）其他專用軸承。軋機(jī)軸承——NTN的軋輥用密封四列圓錐滾子軸承，防水性能和承載能力提高至2倍，使用壽命改進(jìn)至1.8倍。礦山機(jī)械軸承——TIMKEN的DuraSpe××功率密度系列圓錐滾子軸承用于水泥立磨機(jī)，承載能力提高了28%，使用壽命提高至原軸承的2倍^[5]。振動(dòng)機(jī)械軸承——NSK的CA—VS3 ，CA—VS4調(diào)心滾子軸承，與原CA—VS軸承相比，最高可增長壽命至2倍，提高額定動(dòng)載荷至25%。

這一時(shí)期，在細(xì)分市場上形成較大增量的專用軸承有風(fēng)電軸承、機(jī)器人軸承、新能源汽車軸承以及高鐵軸承、醫(yī)療器械軸承等，其中大多都依賴于中國市場的快速發(fā)展。而風(fēng)電設(shè)備的大功率化（8 MW、10 MW、12 MW甚至更大）、新能源汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的高速化等發(fā)展趨勢，也給關(guān)鍵部位配套軸承提出了不小挑戰(zhàn)，各種解決方案的創(chuàng)新也極大地促進(jìn)了軸承產(chǎn)品技術(shù)水平向高階躍升。

(來源：軸承雜志社）

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