混合陶瓷軸承——未來行業(yè)標準的解決方案

來源：SKF Evolution

混合陶瓷軸承為應對現(xiàn)有和未來的技術挑戰(zhàn)提供了解決方案。混合陶瓷軸承采用鋼制內(nèi)外圈和陶瓷滾動體，可減輕重量、減小摩擦，并消除電腐蝕現(xiàn)象，同時提高可靠性和轉速性能。

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

這些全球大趨勢進而推動著軸承領域的變革。許多新興技術要求軸承具有特殊性能，如適用于變頻驅動、維護需求減少、有助于提高功率密度、減少摩擦等。

圖1：多種趨勢正在影響軸承設計要求。

混合陶瓷軸承為應對所有這些現(xiàn)有和未來的技術挑戰(zhàn)提供了頗具潛力的解決方案。鋼制內(nèi)外圈與陶瓷滾動體的組合，賦予了混合陶瓷軸承獨特的性能，使其適用于多種現(xiàn)代應用場合。SKF混合陶瓷軸承使用氮化硅滾動體，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)外圈和陶瓷滾動體制成。

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

SKF混合陶瓷軸承中使用的氮化硅滾動體具有優(yōu)于標準鋼制滾動體的特性。氮化硅的抗壓強度遠高于軸承鋼，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用等某些特殊工況的影響。

氮化硅可提升滾動軸承的性能，賦予軸承出色的電絕緣性能、減輕重量的特點、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速性能。

這些特性如何解決具體應用帶來的挑戰(zhàn)呢？為什么混合陶瓷軸承有望在未來幾年成為眾多行業(yè)的標準技術？

防止變頻驅動裝置中的電腐蝕現(xiàn)象

混合陶瓷軸承的全部優(yōu)點在變頻驅動裝置上得到了充分體現(xiàn)，這種裝置用于對泵、牽引電機等旋轉設備進行優(yōu)化控制。由于采用脈沖寬度調(diào)制技術，會產(chǎn)生有害的高頻電流，當電流通過軸承時，可能會對軸承內(nèi)外圈、滾動體造成損傷，并影響潤滑劑的性能。軸承振動加劇只是危害Z小的后果，更有甚者，電腐蝕可能會大大縮短軸承和潤滑劑的使用壽命。

使用混合陶瓷軸承，令這一問題迎刃而解。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，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。

通過延長潤滑脂壽命來延長維護間隔時間

混合陶瓷軸承的第二大優(yōu)勢在于延長維護間隔時間和使用壽命。而其中的陶瓷滾動體可大大延長潤滑劑的使用壽命，這意味著軸承可以持續(xù)運行更長時間而無需維護。陶瓷滾動體可以改善潤滑劑對滾動接觸面的潤滑狀態(tài)，由于減小了摩擦和電腐蝕現(xiàn)象，避免了潤滑劑受熱降解，從而使其潤滑性能保持更長時間。

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

高轉速性能有助于提升功率密度

混合陶瓷軸承的第三個優(yōu)勢在于能實現(xiàn)更高的轉速，從而提高功率密度，這是電機制造行業(yè)的總體趨勢，特別是用于火車、汽車和工程車等交通工具的電機。簡單來說，功率是扭矩和轉速的函數(shù)。如果軸承的轉速提高，那么電機功率也會增加。

為什么要提高功率密度？

相同尺寸下，電機可輸出更高功率

輸出功率相同的情況下，電機尺寸可以減小

P = M•n

Z大轉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。更重要的是，軸承剛度提高有助于提高設備精度，并降低發(fā)生轉子動力學問題的風險。

減少摩擦

混合陶瓷軸承還有一個優(yōu)勢是摩擦減少。減少軸承摩擦有助于降低能耗，這是現(xiàn)代工業(yè)的一個重要考慮因素。混合陶瓷軸承中的陶瓷滾動體對滾動和滑動扭矩產(chǎn)生的摩擦有直接影響。對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，從而降低了滾動扭矩造成的能量損失。此外，由于陶瓷滾動體的表面質(zhì)量更好，滑動摩擦扭矩也得以降低。

圖3. 混合陶瓷軸承中的滑動和滾動摩擦降低。

SKF進行的試驗表明，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，試驗還表明，混合陶瓷軸承還可以很好地應對潤滑不足及其粘度降低的工況，這種特性有助于減少摩擦。這些潤滑因素的調(diào)整改善了應用工況，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——從解決問題到引領行業(yè)標準

工業(yè)和汽車制造業(yè)正想方設法提高產(chǎn)量，以應對全球可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)，并緊跟社會和技術趨勢的步伐。采用陶瓷滾動體和鋼制內(nèi)外圈的混合陶瓷軸承有望解決設計和維護方面的多種問題，從而提高可靠性。除了能夠解決技術問題，混合陶瓷軸承還能實現(xiàn)更經(jīng)濟的運行和更高的功率輸出。因此，混合陶瓷軸承極有可能在未來幾年成為眾多應用場合和行業(yè)的標準軸承解決方案。

創(chuàng)新的保持架設計助力實現(xiàn)更高轉速

與全鋼制軸承相比，混合陶瓷軸承的主要優(yōu)點是能夠實現(xiàn)更高轉速。對于想要進一步提高轉速的制造商來說，先進的軸承保持架技術會大有用處。SKF推出了一種適用于混合陶瓷軸承的創(chuàng)新保持架設計。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，可適應高速運行，同時減少高速下的發(fā)熱和潤滑劑性能劣化的現(xiàn)象。它能承受的轉速比黃銅保持架高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)新設計和高性能聚合物材料。