NSK提高軸承性能的產品設計與技術
2020-11-26 來源：- 作者：-
在軸承行業競爭日趨激烈的今天，各大軸承公司都爭相在提高軸承產品性能方面下功夫，以期用高性能的產品贏得市場，立于不敗之地。本文以NSK提高海上風力發電機的軸承設計、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計與技術。
1、引言
作為在全世界位居前列的國際軸承公司，NSK擁有能夠自主研發到銷售、技術服務的全套經營體制。在自主研發方面，NSK投入大量資金，以四大核心技術為平臺，重點研發提高軸承性能的產品設計、材料及制造工藝。本文介紹NSK在提高軸承產品性能方面的最新研發成果。
2、提高海上風力發電機性能的軸承設計
風能系統對軸承有兩個關鍵要求：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力渦輪機容量仍在增加的海上風場。NSK最近開始為9.5MW渦輪機配套軸承，并且已經在為12MW級的海上渦輪機開發軸承。
然而，對風力發電機軸承提出高要求的不僅僅是性能能力。在海上，由于風速很高，甚至更大的靜載荷和動載荷作用在轉子上，因此，整個傳動系統負荷很大。在陸上風電機組中，主軸承承受的載荷高達1MN；在海上風電機組中，則更大。
鑒于此，對風力發電機軸承的使用壽命提出了越來越高的要求。對于陸上渦輪機，制造商傳統上規定軸承的設計使用壽命必須為175000小時，相當于20年。然而，由于海上風能系統的高投資成本和接入困難，規定了25年的使用壽命，這是計入了極高動態負荷的一個重大挑戰。
這些載荷顯然對軸承的選擇有影響。在直驅風力發電機中，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緊力可調的優點，從而可以獲得更高的系統剛度。這種軸承的內徑高達2.7米，這甚至挑戰了最先進的設計和制造理念。
對于齒輪傳動系統的情況，附加驅動部件的重量通過發電機可以有更小的設計來補償。每個功率容量等級的主轉子軸承都有不同的設計概念。高達5兆瓦的系統通常采用球面滾柱軸承，而對于6兆瓦及以上的系統，首選兩個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
在齒輪傳動系統中，帶有兩級或三級行星級的齒輪箱現在很常見。通常這些行星級與斜齒輪級結合在一起。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。
在某些應用中，使用四列整體圓柱滾子軸承。每級加上四顆行星，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格的公差。
另一個趨勢是從單一供應商處采購渦輪機的所有軸承。這種市場趨勢是NSK決定擴大其風電業務部門產品組合的具體原因之一，盡管該公司已經為變速箱和發電機開發和制造各種類型的軸承20年了。
2.2 研究WEC（白色蝕刻裂紋）
鑒于海上風力渦輪機對軸承的性能要求非常嚴苛，風電行業顯然對軸承損壞非常敏感。技術專長使克服幾乎所有典型的軸承損壞成為可能。例如，先進的設計方法與高純度的鋼相結合，確保已經實際消除了風力發電機組軸承中的經典軸承疲勞失效。
然而，軸承行業仍在研究的一個領域是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。典型的損傷癥狀是滾道下方的白色結構（因此得名），導致裂紋的形成，最終導致軸承失效。
長期以來，人們對WEC形成的確切原因還不清楚，盡管一系列實驗表明，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。
進一步的研究表明，氫氣的產生是在操作過程中發生的。最初的假設是氫來自潤滑劑及其添加劑的碳氫鏈；一種在典型損傷癥狀后得到證實的理論能夠在實驗室用某些類型的油和油脂重現。
因此，NSK開發了一種新材料，這種材料具有更高的抗氫滲透性和氫脆裂紋形成能力。雖然實驗室試驗已經成功完成，但這種材料制成的軸承目前正在進行實地試驗。
2.3 應用狀態監視
由于故障安全特性和長壽命要求，風能系統中的軸承是狀態監測系統（CMS）的理想候選設備，該系統使用外部安裝或集成的傳感器來連續監測軸承的狀態。可以及時檢測和報告指示軸承損壞的異常情況。
現代CMS由海上風電場部署，以便及早發現異常情況，從而對系統的維護周期進行相應規劃。NSK預計這類系統具有巨大的市場潛力。
3、提高軸承可靠性的材料和表面處理技術
使用專用軸承鋼和表面處理可顯著提高軸承的可靠性，進而有助于降低機械和設備的總擁有成本。
3.1 材料純度、工藝與專用熱處理
100cr6（或日本標準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，會在滾道表面下產生負面影響。因為在氧化過程中，氧化鋁夾雜物能導致軸承疲勞壽命大幅度降低。由于氧化鋁夾雜物相對較硬，并且鋼材加工時，可能會破裂（例如在鍛造過程中），夾雜物收縮并削弱組織。
NSK與領先的鋼鐵制造商合作，開發了Z鋼、EP鋼和BNEQUARET等材料，以防止此類負面影響。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疲勞壽命。
熱處理是另一個影響鋼的特性，從而也影響軸承性能的參數。NSK的SHX鋼要經過特殊的熱處理提高耐磨性。在研制過程中，通過四球試驗、軋輥試驗、材料和表面疲勞壽命試驗等綜合耐磨試驗，證明了SHX鋼的性能。將最佳熱處理與特殊合金相結合形成NSK超強韌鋼等材料。
使用碳氮共滲等工藝對鋼進行淬火，使其在受污染潤滑條件下的使用壽命提高一倍。在潤滑劑含有正常雜質的環境中，軸承的使用壽命甚至可以提高10倍。
3.2 開發新材料
新材料的開發通常是根據工業發展趨勢或應用要求的變化而進行的。NSK材料專家著手改善一種特殊鋼的合金成分，這種材料能防止滾道中形成裂紋和壓痕，并阻止裂紋和壓痕擴展。此外，這種特殊的鋼特別純凈。NSK還引入了BNEQUARTET技術。該技術所采用的一系列措施，使軸承在高負荷和惡劣環境條件下的使用壽命增加了一倍。
在風力渦輪機技術方面，重點研究材料表面以下可能會發生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構變化形成的脆性鐵素體白色結構。改變后的結構不再能夠承受所施加的高負荷。WECS形成并擴展，導致表面缺陷，如點蝕或WSF（白色結構剝落）。NSK認為，這些情況是由動力系統內部件相互作用的影響引起的。這些因素包括動力學、混合摩擦、電荷/電流、化學因素、滑移/滑動運動和氫擴散。
NSK的材料開發不僅僅是鋼鐵。對塑料材料以及黃銅等有色金屬也進行了測試，以便對保持架的特性進行精確的有針對性的改進。此外，當需要調整軸承的導電性能和耐磨性時，陶瓷和陶瓷涂層發揮越來越大的作用。在這個問題上，NSK最近推出了一種稱為HDY2的陶瓷開發，它具有優化的絕緣和導熱特性。
最后，材料開發的另一個重點領域是潤滑劑。摩擦學是NSK研究和開發組織的一項獨立核心能力，與材料技術并駕齊驅。
3.3 減少WEC損傷
由于在實驗室成功地復制了WEC，NSK隨后開發出對策，包括對馬氏體硬化軸承鋼以及特定的其他材料進行拋光。這個額外的過程已經證明能夠顯著延遲WEC損傷的發生。降低WEC損壞概率的另一個有效方法是使用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，動態額定載荷通常可以提高23%，這在滾動軸承中相當于疲勞壽命的兩倍。
對于由于潤滑不良或潤滑油污染而引起的表面磨損，使用STF軸承可大大降低磨損，同時延遲WEC的潛在損壞。一系列NSK測試表明，損傷開始前的時間是原來的兩倍。
另一個有利的措施是使用由“抗白色結構韌性”（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。在一系列廣泛的試驗中，一直測量常規鋼軸承套圈的使用壽命，直到檢測出WEC損傷的那一刻。然后，使用AWS-TF重復測試序列。在測量到使用壽命是傳統鋼軸承套圈的8倍后，材料中仍未檢測到WEA（白色腐蝕區域）。
4、小結
由以上介紹可以看出，在提高軸承性能方面，NSK把重點放在軸承材料、加工工藝、熱處理以及對WEC的研究與防控上。由此，NSK開發出Z鋼、EP鋼、BNEQUARET、“抗白色結構韌性”（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，從軸承設計到制造，再到試驗、狀態監測，形成一整套科學、完善的技術。這使NSK能夠根據用戶需求，定制個性化解決方案，提高企業競爭力，贏得市場份額。
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