混合陶瓷軸承——未來(lái)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解決方案

來(lái)源：SKF Evolution

混合陶瓷軸承為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有和未來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)提供了解決方案?；旌咸沾奢S承采用鋼制內(nèi)外圈和陶瓷滾動(dòng)體，可減輕重量、減小摩擦，并消除電腐蝕現(xiàn)象，同時(shí)提高可靠性和轉(zhuǎn)速性能。

如今世界變化日新月異，全球大趨勢(shì)正在改變我們的出行、經(jīng)營(yíng)和生活方式。隨著城市化的推進(jìn)，更多的人口正移居到城市，數(shù)字化和自動(dòng)化正在加快我們的生活和工作節(jié)奏，而全社會(huì)必須應(yīng)對(duì)多種環(huán)境問(wèn)題的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，我們還看到電氣化（尤其是電動(dòng)汽車）的突飛猛進(jìn)，以及全球化進(jìn)程的持續(xù)發(fā)展。

這些全球大趨勢(shì)進(jìn)而推動(dòng)著軸承領(lǐng)域的變革。許多新興技術(shù)要求軸承具有特殊性能，如適用于變頻驅(qū)動(dòng)、維護(hù)需求減少、有助于提高功率密度、減少摩擦等。

圖1：多種趨勢(shì)正在影響軸承設(shè)計(jì)要求。

混合陶瓷軸承為應(yīng)對(duì)所有這些現(xiàn)有和未來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)提供了頗具潛力的解決方案。鋼制內(nèi)外圈與陶瓷滾動(dòng)體的組合，賦予了混合陶瓷軸承獨(dú)特的性能，使其適用于多種現(xiàn)代應(yīng)用場(chǎng)合。SKF混合陶瓷軸承使用氮化硅滾動(dòng)體，有深溝球軸承、圓柱滾子軸承兩種類型可供選擇，并可根據(jù)客戶需求定制。

圖2：混合陶瓷軸承由鋼制內(nèi)外圈和陶瓷滾動(dòng)體制成。

在軸承中使用陶瓷材料并非新鮮事。從上世紀(jì)60年代到80年代，陶瓷材料因其重量輕和耐熱性好的特點(diǎn)受到航空航天業(yè)的青睞，該行業(yè)率先采用陶瓷軸承。然而，直到上世紀(jì)80年代，陶瓷材料（氮化硅）才實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，現(xiàn)代混合陶瓷軸承應(yīng)用于眾多應(yīng)用場(chǎng)合，包括機(jī)床、風(fēng)電機(jī)組、鐵路和電動(dòng)車牽引電機(jī)、航空航天業(yè)，以及諸如壓縮機(jī)、泵和真空泵等流體機(jī)械中。

SKF混合陶瓷軸承中使用的氮化硅滾動(dòng)體具有優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鋼制滾動(dòng)體的特性。氮化硅的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于軸承鋼，其彈性模量高出軸承鋼三分之一左右，有助于減少滾動(dòng)接觸中的摩擦。

重要的是，氮化硅的硬度是軸承鋼的兩倍多，使其成為潤(rùn)滑不良等惡劣工況下的理想選擇。與軸承鋼相比，氮化硅不導(dǎo)電，且密度要低很多。此外，氮化硅的熱膨脹系數(shù)非常低，可以精確調(diào)整軸承游隙，但需要考慮超低溫應(yīng)用等某些特殊工況的影響。

氮化硅可提升滾動(dòng)軸承的性能，賦予軸承出色的電絕緣性能、減輕重量的特點(diǎn)、優(yōu)良的摩擦性能和耐磨性。此外，它還能顯著提高軸承的轉(zhuǎn)速性能。

這些特性如何解決具體應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)呢？為什么混合陶瓷軸承有望在未來(lái)幾年成為眾多行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)？

防止變頻驅(qū)動(dòng)裝置中的電腐蝕現(xiàn)象

混合陶瓷軸承的全部?jī)?yōu)點(diǎn)在變頻驅(qū)動(dòng)裝置上得到了充分體現(xiàn)，這種裝置用于對(duì)泵、牽引電機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制。由于采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，會(huì)產(chǎn)生有害的高頻電流，當(dāng)電流通過(guò)軸承時(shí)，可能會(huì)對(duì)軸承內(nèi)外圈、滾動(dòng)體造成損傷，并影響潤(rùn)滑劑的性能。軸承振動(dòng)加劇只是危害Z小的后果，更有甚者，電腐蝕可能會(huì)大大縮短軸承和潤(rùn)滑劑的使用壽命。

使用混合陶瓷軸承，令這一問(wèn)題迎刃而解。氮化硅是一種電絕緣體，可以阻止電流在軸承內(nèi)外圈之間通過(guò)，甚至可以絕緣極高頻率的電流，從而完全避免了由此產(chǎn)生的軸承失效。

通過(guò)延長(zhǎng)潤(rùn)滑脂壽命來(lái)延長(zhǎng)維護(hù)間隔時(shí)間

混合陶瓷軸承的第二大優(yōu)勢(shì)在于延長(zhǎng)維護(hù)間隔時(shí)間和使用壽命。而其中的陶瓷滾動(dòng)體可大大延長(zhǎng)潤(rùn)滑劑的使用壽命，這意味著軸承可以持續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間而無(wú)需維護(hù)。陶瓷滾動(dòng)體可以改善潤(rùn)滑劑對(duì)滾動(dòng)接觸面的潤(rùn)滑狀態(tài)，由于減小了摩擦和電腐蝕現(xiàn)象，避免了潤(rùn)滑劑受熱降解，從而使其潤(rùn)滑性能保持更長(zhǎng)時(shí)間。

在SKF的測(cè)試中，混合陶瓷深溝球軸承中的潤(rùn)滑劑壽命是相同規(guī)格全鋼制軸承的兩倍以上，Z高接近七倍。在對(duì)圓柱滾子軸承進(jìn)行的類似測(cè)試中，混合陶瓷圓柱滾子軸承中的潤(rùn)滑劑壽命是相同規(guī)格全鋼制軸承的兩倍到四倍。

高轉(zhuǎn)速性能有助于提升功率密度

混合陶瓷軸承的第三個(gè)優(yōu)勢(shì)在于能實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，從而提高功率密度，這是電機(jī)制造行業(yè)的總體趨勢(shì)，特別是用于火車、汽車和工程車等交通工具的電機(jī)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，功率是扭矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。如果軸承的轉(zhuǎn)速提高，那么電機(jī)功率也會(huì)增加。

為什么要提高功率密度？

相同尺寸下，電機(jī)可輸出更高功率

輸出功率相同的情況下，電機(jī)尺寸可以減小

P = M•n

Z大轉(zhuǎn)速也受軸承大小的限制

由于混合陶瓷軸承的重量比鋼制軸承輕，因此其轉(zhuǎn)速性能Z大可以提高25%。此外，混合陶瓷軸承的摩擦較小，這就意味著工作溫度更低以及在高速下使用壽命更長(zhǎng)。更重要的是，軸承剛度提高有助于提高設(shè)備精度，并降低發(fā)生轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。

減少摩擦

混合陶瓷軸承還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是摩擦減少。減少軸承摩擦有助于降低能耗，這是現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)重要考慮因素。混合陶瓷軸承中的陶瓷滾動(dòng)體對(duì)滾動(dòng)和滑動(dòng)扭矩產(chǎn)生的摩擦有直接影響。對(duì)于混合陶瓷軸承而言，由于楊氏模量較高使得接觸橢圓面較小，從而降低了滾動(dòng)扭矩造成的能量損失。此外，由于陶瓷滾動(dòng)體的表面質(zhì)量更好，滑動(dòng)摩擦扭矩也得以降低。

圖3. 混合陶瓷軸承中的滑動(dòng)和滾動(dòng)摩擦降低。

SKF進(jìn)行的試驗(yàn)表明，混合陶瓷軸承在高速下的摩擦扭矩比全鋼制軸承低5%到8%。同時(shí)，試驗(yàn)還表明，混合陶瓷軸承還可以很好地應(yīng)對(duì)潤(rùn)滑不足及其粘度降低的工況，這種特性有助于減少摩擦。這些潤(rùn)滑因素的調(diào)整改善了應(yīng)用工況，在不影響軸承使用壽命的前提下，Z大可將摩擦減少50%。

混合陶瓷軸承——從解決問(wèn)題到引領(lǐng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)和汽車制造業(yè)正想方設(shè)法提高產(chǎn)量，以應(yīng)對(duì)全球可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)，并緊跟社會(huì)和技術(shù)趨勢(shì)的步伐。采用陶瓷滾動(dòng)體和鋼制內(nèi)外圈的混合陶瓷軸承有望解決設(shè)計(jì)和維護(hù)方面的多種問(wèn)題，從而提高可靠性。除了能夠解決技術(shù)問(wèn)題，混合陶瓷軸承還能實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行和更高的功率輸出。因此，混合陶瓷軸承極有可能在未來(lái)幾年成為眾多應(yīng)用場(chǎng)合和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軸承解決方案。

創(chuàng)新的保持架設(shè)計(jì)助力實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)速

與全鋼制軸承相比，混合陶瓷軸承的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)更高轉(zhuǎn)速。對(duì)于想要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速的制造商來(lái)說(shuō)，先進(jìn)的軸承保持架技術(shù)會(huì)大有用處。SKF推出了一種適用于混合陶瓷軸承的創(chuàng)新保持架設(shè)計(jì)。這種新型雙片式保持架由輕質(zhì)聚合物材料聚醚醚酮 (PEEK) 制成，可適應(yīng)高速運(yùn)行，同時(shí)減少高速下的發(fā)熱和潤(rùn)滑劑性能劣化的現(xiàn)象。它能承受的轉(zhuǎn)速比黃銅保持架高60%，比傳統(tǒng)尼龍保持架高100%。

圖4：用于混合陶瓷深溝球軸承的SKF新型保持架采用了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和高性能聚合物材料。