【技术前沿】NSK提高轴承性能的产品设计与技术

发布时间:2020年03月05日

来源:轴承工业杂志

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在轴承行业竞争日趋激烈的今天,各大轴承公司都争相在提高轴承产品性能方面下功夫,以期用高性能的产品赢得市场,立于不败之地。本文以NSK提高海上风力发电机的轴承设计、以及通过材料和表面处理提高轴承可靠性为例,介绍NSK在提高轴承性能方面的设计与技术。

1.引言

作为在全世界位居前列的国际轴承公司,NSK拥有能够自主研发到销售、技术服务的全套经营体制。在自主研发方面,NSK投入大量资金,以四大核心技术为平台,重点研发提高轴承性能的产品设计、材料及制造工艺。本文介绍NSK在提高轴承产品性能方面的最新研发成果。

2.提高海上风力发电机性能的轴承设计

风能系统对轴承有两个关键要求:高性能和恶劣条件下的高使用寿命。这些要求尤其适用于风力涡轮机容量仍在增加的海上风场。NSK最近开始为9.5MW涡轮机配套轴承,并且已经在为12MW级的海上涡轮机开发轴承。

然而,对风力发电机轴承提出高要求的不仅仅是性能能力。在海上,由于风速很高,甚至更大的静载荷和动载荷作用在转子上,因此,整个传动系统负荷很大。在陆上风电机组中,主轴承承受的载荷高达1MN;在海上风电机组中,则更大。

鉴于此,对风力发电机轴承的使用寿命提出了越来越高的要求。对于陆上涡轮机,制造商传统上规定轴承的设计使用寿命必须为175000小时,相当于20年。然而,由于海上风能系统的高投资成本和接入困难,规定了25年的使用寿命,这是计入了极高动态负荷的一个重大挑战。

这些载荷显然对轴承的选择有影响。在直驱风力发电机中,越来越多地选择双列圆锥滚子轴承作为主轴承。与以往常用的圆柱滚子轴承相比,圆锥滚子轴承具有预紧力可调的优点,从而可以获得更高的系统刚度。这种轴承的内径高达2.7米,这甚至挑战了最先进的设计和制造理念。

对于齿轮传动系统的情况…………(略……)

(本文刊登于中国轴承工业协会会刊《轴承工业》2020年第3期“技术前沿”栏目,欢迎订阅!欢迎投稿!)

2.1 集成轴承

在齿轮传动系统中,带有两级或三级行星级的齿轮箱现在很常见。通常这些行星级与斜齿轮级结合在一起。几年来,人们一直倾向于使用所谓的集成行星齿轮。为此,NSK(与齿轮制造商密切合作)开发了无外圈的多列圆锥和圆柱滚子轴承。因此,行星轮的孔用作轴承的外滚道。

在某些应用中,使用四列整体圆柱滚子轴承。每级加上四颗行星,一组轴承总共包括16行。为了在所有轴承上获得均匀载荷,整套轴承的孔径和外切直径具有非常严格的公差。

另一个趋势是从单一供应商处采购涡轮机的所有轴承。这种市场趋势是NSK决定扩大其风电业务部门产品组合的具体原因之一,尽管该公司已经为变速箱和发电机开发和制造各种类型的轴承20年了。

2.2 研究WEC(白色蚀刻裂纹)

鉴于海上风力涡轮机对轴承的性能要求非常严苛,风电行业显然对轴承损坏非常敏感。技术专长使克服几乎所有典型的轴承损坏成为可能。例如,先进的设计方法与高纯度的钢相结合,确保已经实际消除了风力发电机组轴承中的经典轴承疲劳失效。

然而,轴承行业仍在研究的一个领域是WEC(白色蚀刻裂纹)。这些裂纹是轴承损坏的迹象,在轴承使用寿命的早期出现。典型的损伤症状是滚道下方的白色结构(因此得名),导致裂纹的形成,最终导致轴承失效。

长期以来,人们对WEC形成的确切原因还不清楚,尽管一系列实验表明,这种缺陷最有可能是氢渗透造成的,但氢的来源仍然没有得到充分的解释。

进一步的研究表明,氢气的产生是在操作过程中发生的。最初的假设是氢来自润滑剂及其添加剂的碳氢链;一种在典型损伤症状后得到证实的理论能够在实验室用某些类型的油和油脂重现。

因此,NSK………………(略…………)

(本文刊登于中国轴承工业协会会刊《轴承工业》2020年第3期“技术前沿”栏目,欢迎订阅!欢迎投稿!)

2.3 应用状态监视

由于故障安全特性和长寿命要求,风能系统中的轴承是状态监测系统(CMS)的理想候选设备,该系统使用外部安装或集成的传感器来连续监测轴承的状态。可以及时检测和报告指示轴承损坏的异常情况。

现代CMS由海上风电场部署,以便及早发现异常情况,从而对系统的维护周期进行相应规划。NSK预计这类系统具有巨大的市场潜力。

3.提高轴承可靠性的材料和表面处理技术

使用专用轴承钢和表面处理可显著提高轴承的可靠性,进而有助于降低机械和设备的总拥有成本。

3.1 材料纯度、工艺与专用热处理

100cr6(或日本标准SUJ2)等合金轴承钢的疲劳寿命主要取决于夹杂物含量。尤其是氧化物或非金属夹杂物,会在滚道表面下产生负面影响。因为在氧化过程中,氧化铝夹杂物能导致轴承疲劳寿命大幅度降低。由于氧化铝夹杂物相对较硬,并且钢材加工时,可能会破裂(例如在锻造过程中),夹杂物收缩并削弱组织。

NSK与领先的钢铁制造商合作,开发了Z钢、EP钢和BNEQUARET等材料,以防止此类负面影响。其中一些材料是用特殊的熔炼工艺制造的,这种工艺可以减少非金属含量并延长疲劳寿命

热处理是另一个影响钢的特性,从而也影响轴承性能的参数。NSK的SHX钢要经过特殊的热处理提高耐磨性。在研制过程中,通过四球试验、轧辊试验、材料和表面疲劳寿命试验等综合耐磨试验,证明了SHX钢的性能。将最佳热处理与特殊合金相结合形成NSK超强韧钢等材料。

使用碳氮共渗等工艺对钢进行淬火,使其在受污染润滑条件下的使用寿命提高一倍。在润滑剂含有正常杂质的环境中,轴承的使用寿命甚至可以提高10倍。

3.2 开发新材料

新材料的开发通常是根据工业发展趋势或应用要求的变化而进行的。NSK材料专家着手改善一种特殊钢的合金成分,这种材料能防止滚道中形成裂纹和压痕,并阻止裂纹和压痕扩展。此外,这种特殊的钢特别纯净。NSK还引入了BNEQUARTET技术。该技术所采用的一系列措施,使轴承在高负荷和恶劣环境条件下的使用寿命增加了一倍。

 

在风力涡轮机技术方面,重点研究材料表面以下可能会发生WEC形式的轴承损坏。NSK在材料的蚀刻和抛光横截面上,观察到这些由微观结构变化形成的脆性铁素体白色结构。改变后的结构不再能够承受所施加的高负荷。WECS形成并扩展,导致表面缺陷,如点蚀或WSF(白色结构剥落)。NSK认为,这些情况是由动力系统内部件相互作用的影响引起的。这些因素包括动力学、混合摩擦、电荷/电流、化学因素、滑移/滑动运动和氢扩散。

NSK的材料开发不仅仅是钢铁。塑料材料以及黄铜等有色金属也进行了测试,以便对保持架的特性进行精确的有针对性的改进。此外,当需要调整轴承的导电性能和耐磨性时,陶瓷和陶瓷涂层发挥越来越大的作用。在这个问题上,NSK最近推出了一种称为HDY2的陶瓷开发,它具有优化的绝缘和导热特性。

最后,材料开发的另一个重点领域是润滑剂……(略……)

(本文刊登于中国轴承工业协会会刊《轴承工业》2020年第3期“技术前沿”栏目,欢迎订阅!欢迎投稿!)

3.3 减少WEC损伤

由于在实验室成功地复制了WEC,NSK随后开发出对策,包括对马氏体硬化轴承钢以及特定的其他材料进行抛光。这个额外的过程已经证明能够显著延迟WEC损伤的发生降低WEC损坏概率的另一个有效方法是使用NSK的硬钢制成的轴承套圈。使用这种材料和表面处理的组合,动态额定载荷通常可以提高23%,这在滚动轴承中相当于疲劳寿命的两倍。

对于由于润滑不良或润滑油污染而引起的表面磨损,使用STF轴承可大大降低磨损,同时延迟WEC的潜在损坏。一系列NSK测试表明,损伤开始前的时间是原来的两倍。

另一个有利的措施是使用由“抗白色结构韧性”(AWS-TF)材料制成的轴承套圈,这是一种NSK专有材料,专门为防止WEC损坏而开发。在一系列广泛的试验中,一直测量常规钢轴承套圈的使用寿命,直到检测出WEC损伤的那一刻。然后,使用AWS-TF重复测试序列。在测量到使用寿命是传统钢轴承套圈的8倍后,材料中未检测到WEA(白色腐蚀区域)。

4.小结 

由以上介绍可以看出,在提高轴承性能方面,NSK把重点放在轴承材料、加工工艺、热处理以及对WEC的研究与防控上。由此,NSK开发出Z钢、EP钢、BNEQUARET、“抗白色结构韧性”(AWS-TF)材料等一系列新材料,配合特殊的熔炼工艺、NSK专有热处理技术,从轴承设计到制造,再到试验、状态监测,形成一整套科学、完善的技术。这使NSK能够根据用户需求,定制个性化解决方案,提高企业竞争力,赢得市场份额。

在轴承行业竞争日趋激烈的今天,各大轴承公司都争相在提高轴承产品性能方面下功夫,以期用高性能的产品赢得市场,立于不败之地。本文以NSK提高海上风力发电机的轴承设计、以及通过材料和表面处理提高轴承可靠性为例,介绍NSK在提高轴承性能方面的设计与技术。

1.引言

作为在全世界位居前列的国际轴承公司,NSK拥有能够自主研发到销售、技术服务的全套经营体制。在自主研发方面,NSK投入大量资金,以四大核心技术为平台,重点研发提高轴承性能的产品设计、材料及制造工艺。本文介绍NSK在提高轴承产品性能方面的最新研发成果。

2.提高海上风力发电机性能的轴承设计

风能系统对轴承有两个关键要求:高性能和恶劣条件下的高使用寿命。这些要求尤其适用于风力涡轮机容量仍在增加的海上风场。NSK最近开始为9.5MW涡轮机配套轴承,并且已经在为12MW级的海上涡轮机开发轴承。

然而,对风力发电机轴承提出高要求的不仅仅是性能能力。在海上,由于风速很高,甚至更大的静载荷和动载荷作用在转子上,因此,整个传动系统负荷很大。在陆上风电机组中,主轴承承受的载荷高达1MN;在海上风电机组中,则更大。

鉴于此,对风力发电机轴承的使用寿命提出了越来越高的要求。对于陆上涡轮机,制造商传统上规定轴承的设计使用寿命必须为175000小时,相当于20年。然而,由于海上风能系统的高投资成本和接入困难,规定了25年的使用寿命,这是计入了极高动态负荷的一个重大挑战。

这些载荷显然对轴承的选择有影响。在直驱风力发电机中,越来越多地选择双列圆锥滚子轴承作为主轴承。与以往常用的圆柱滚子轴承相比,圆锥滚子轴承具有预紧力可调的优点,从而可以获得更高的系统刚度。这种轴承的内径高达2.7米,这甚至挑战了最先进的设计和制造理念。

对于齿轮传动系统的情况…………(略……)

(本文刊登于中国轴承工业协会会刊《轴承工业》2020年第3期“技术前沿”栏目,欢迎订阅!欢迎投稿!)

2.1 集成轴承

在齿轮传动系统中,带有两级或三级行星级的齿轮箱现在很常见。通常这些行星级与斜齿轮级结合在一起。几年来,人们一直倾向于使用所谓的集成行星齿轮。为此,NSK(与齿轮制造商密切合作)开发了无外圈的多列圆锥和圆柱滚子轴承。因此,行星轮的孔用作轴承的外滚道。

在某些应用中,使用四列整体圆柱滚子轴承。每级加上四颗行星,一组轴承总共包括16行。为了在所有轴承上获得均匀载荷,整套轴承的孔径和外切直径具有非常严格的公差。

另一个趋势是从单一供应商处采购涡轮机的所有轴承。这种市场趋势是NSK决定扩大其风电业务部门产品组合的具体原因之一,尽管该公司已经为变速箱和发电机开发和制造各种类型的轴承20年了。

2.2 研究WEC(白色蚀刻裂纹)

鉴于海上风力涡轮机对轴承的性能要求非常严苛,风电行业显然对轴承损坏非常敏感。技术专长使克服几乎所有典型的轴承损坏成为可能。例如,先进的设计方法与高纯度的钢相结合,确保已经实际消除了风力发电机组轴承中的经典轴承疲劳失效。

然而,轴承行业仍在研究的一个领域是WEC(白色蚀刻裂纹)。这些裂纹是轴承损坏的迹象,在轴承使用寿命的早期出现。典型的损伤症状是滚道下方的白色结构(因此得名),导致裂纹的形成,最终导致轴承失效。

长期以来,人们对WEC形成的确切原因还不清楚,尽管一系列实验表明,这种缺陷最有可能是氢渗透造成的,但氢的来源仍然没有得到充分的解释。

进一步的研究表明,氢气的产生是在操作过程中发生的。最初的假设是氢来自润滑剂及其添加剂的碳氢链;一种在典型损伤症状后得到证实的理论能够在实验室用某些类型的油和油脂重现。

因此,NSK………………(略…………)

(本文刊登于中国轴承工业协会会刊《轴承工业》2020年第3期“技术前沿”栏目,欢迎订阅!欢迎投稿!)

2.3 应用状态监视

由于故障安全特性和长寿命要求,风能系统中的轴承是状态监测系统(CMS)的理想候选设备,该系统使用外部安装或集成的传感器来连续监测轴承的状态。可以及时检测和报告指示轴承损坏的异常情况。

现代CMS由海上风电场部署,以便及早发现异常情况,从而对系统的维护周期进行相应规划。NSK预计这类系统具有巨大的市场潜力。

3.提高轴承可靠性的材料和表面处理技术

使用专用轴承钢和表面处理可显著提高轴承的可靠性,进而有助于降低机械和设备的总拥有成本。

3.1 材料纯度、工艺与专用热处理

100cr6(或日本标准SUJ2)等合金轴承钢的疲劳寿命主要取决于夹杂物含量。尤其是氧化物或非金属夹杂物,会在滚道表面下产生负面影响。因为在氧化过程中,氧化铝夹杂物能导致轴承疲劳寿命大幅度降低。由于氧化铝夹杂物相对较硬,并且钢材加工时,可能会破裂(例如在锻造过程中),夹杂物收缩并削弱组织。

NSK与领先的钢铁制造商合作,开发了Z钢、EP钢和BNEQUARET等材料,以防止此类负面影响。其中一些材料是用特殊的熔炼工艺制造的,这种工艺可以减少非金属含量并延长疲劳寿命

热处理是另一个影响钢的特性,从而也影响轴承性能的参数。NSK的SHX钢要经过特殊的热处理提高耐磨性。在研制过程中,通过四球试验、轧辊试验、材料和表面疲劳寿命试验等综合耐磨试验,证明了SHX钢的性能。将最佳热处理与特殊合金相结合形成NSK超强韧钢等材料。

使用碳氮共渗等工艺对钢进行淬火,使其在受污染润滑条件下的使用寿命提高一倍。在润滑剂含有正常杂质的环境中,轴承的使用寿命甚至可以提高10倍。

3.2 开发新材料

新材料的开发通常是根据工业发展趋势或应用要求的变化而进行的。NSK材料专家着手改善一种特殊钢的合金成分,这种材料能防止滚道中形成裂纹和压痕,并阻止裂纹和压痕扩展。此外,这种特殊的钢特别纯净。NSK还引入了BNEQUARTET技术。该技术所采用的一系列措施,使轴承在高负荷和恶劣环境条件下的使用寿命增加了一倍。

 

在风力涡轮机技术方面,重点研究材料表面以下可能会发生WEC形式的轴承损坏。NSK在材料的蚀刻和抛光横截面上,观察到这些由微观结构变化形成的脆性铁素体白色结构。改变后的结构不再能够承受所施加的高负荷。WECS形成并扩展,导致表面缺陷,如点蚀或WSF(白色结构剥落)。NSK认为,这些情况是由动力系统内部件相互作用的影响引起的。这些因素包括动力学、混合摩擦、电荷/电流、化学因素、滑移/滑动运动和氢扩散。

NSK的材料开发不仅仅是钢铁。塑料材料以及黄铜等有色金属也进行了测试,以便对保持架的特性进行精确的有针对性的改进。此外,当需要调整轴承的导电性能和耐磨性时,陶瓷和陶瓷涂层发挥越来越大的作用。在这个问题上,NSK最近推出了一种称为HDY2的陶瓷开发,它具有优化的绝缘和导热特性。

最后,材料开发的另一个重点领域是润滑剂……(略……)

(本文刊登于中国轴承工业协会会刊《轴承工业》2020年第3期“技术前沿”栏目,欢迎订阅!欢迎投稿!)

3.3 减少WEC损伤

由于在实验室成功地复制了WEC,NSK随后开发出对策,包括对马氏体硬化轴承钢以及特定的其他材料进行抛光。这个额外的过程已经证明能够显著延迟WEC损伤的发生降低WEC损坏概率的另一个有效方法是使用NSK的硬钢制成的轴承套圈。使用这种材料和表面处理的组合,动态额定载荷通常可以提高23%,这在滚动轴承中相当于疲劳寿命的两倍。

对于由于润滑不良或润滑油污染而引起的表面磨损,使用STF轴承可大大降低磨损,同时延迟WEC的潜在损坏。一系列NSK测试表明,损伤开始前的时间是原来的两倍。

另一个有利的措施是使用由“抗白色结构韧性”(AWS-TF)材料制成的轴承套圈,这是一种NSK专有材料,专门为防止WEC损坏而开发。在一系列广泛的试验中,一直测量常规钢轴承套圈的使用寿命,直到检测出WEC损伤的那一刻。然后,使用AWS-TF重复测试序列。在测量到使用寿命是传统钢轴承套圈的8倍后,材料中未检测到WEA(白色腐蚀区域)。

4.小结 

由以上介绍可以看出,在提高轴承性能方面,NSK把重点放在轴承材料、加工工艺、热处理以及对WEC的研究与防控上。由此,NSK开发出Z钢、EP钢、BNEQUARET、“抗白色结构韧性”(AWS-TF)材料等一系列新材料,配合特殊的熔炼工艺、NSK专有热处理技术,从轴承设计到制造,再到试验、状态监测,形成一整套科学、完善的技术。这使NSK能够根据用户需求,定制个性化解决方案,提高企业竞争力,赢得市场份额。