斯凱孚（SKF）現實世界里的混合陶瓷軸承
斯凱孚（SKF）工程師們破解了軸承性能方面的一大謎題。如今，他們每天都會使用這個發現成果260多次，幫助客戶設計一些在世界上最嚴苛應用條件下使用的設備。謎題的根源是什么？為什么混合陶瓷軸承具有很高的工作性能？
50多年以來，采用陶瓷氮化硅滾動體和鋼制套圈的混合陶瓷軸承一直都是機床主軸這類有高轉速和高精度應用需求的行業中的首選軸承。如今，混合陶瓷軸承重量輕、絕緣性能好，且在苛刻的潤滑和污染工況下也能保持良好性能的優勢，適合應用在從電動汽車動力傳動系統到工業泵、壓縮機等諸多新的應用領域。
工程師們從經驗中獲知，混合陶瓷軸承在這些應用中性能極佳，使用壽命通常比傳統的全鋼制軸承長很多倍。然而直到最近，用于估算軸承工作壽命的計算模型仍然給出相反的結果。
出現的問題
在斯凱孚研究和技術發展中心首席科學家Guillermo Morales-Espejel看來，這是因為工程師計算軸承額定壽命的標準公式不能準確反映軸承在真實工作中面臨的挑戰。他解釋說：“傳統的軸承壽命模型基于次表面疲勞。當軸承旋轉時，部件會持續處于承受載荷和不承受載荷的狀態多達數百萬次的循環后，到達材料疲勞極限，最終導致失效。”
材料的疲勞性能為人們所熟知，工程師可以將應用中預期的載荷和轉速數據代入公式，以確定某個給定軸承設計型號的額定壽命。主要使用軸承的額定動載荷C來量化軸承的次表面性能，各型號軸承的額定動載荷C可參見SKF的總產品型錄或在線產品型錄。
上述傳統模型應用廣泛，且被納入國際標準。但Morales-Espejel解釋說此模型并不完全適用于混合軸承。“因為陶瓷滾動體比鋼的剛度更大，它們在載荷下變形較小。這意味著載荷會集中在較小的材料區域內，導致應力增加并加快次表面疲勞。”
然而，更重要的是，現實環境中的經驗并不總是與傳統模型吻合。Morales-Espejel解釋說，“根據我們的行業經驗，大多數軸承失效都是由于表面問題而非零部件自身的問題。根本原因通常是由潤滑不良或污染導致的損壞。”人們對上述分析沒有爭議，ISO281等現代標準也增加了校正系數來考慮這些影響。
全新的模型
然而，在基于次表面的模型中引入校正系數仍不能代表運行中的軸承的真實性能。因此，Morales-Espejel和斯凱孚同事們在2012年開始嘗試更好的辦法。他表示，要建立全新的軸承壽命模型，需要滿足三個條件。“首先，需要材料的次表面疲勞模型，我們手頭上已經有這個模型。其次，需要表面疲勞模型。最后，需要耐久性測試的數據，我們能夠使用這些數據進行模型的校準和驗證。”
斯凱孚團隊在接下來的兩年里致力于新模型的研究，吸收了材料科學和摩擦學幾十年來的研究成果。采用此方法時，需要詳細了解軸承表面性能，包括其摩擦特性和在載荷下灰塵顆粒在軸承表面形成凹痕的方式。盡管2015年在漢諾威工業博覽會已經展示了作為通用軸承壽命模型（GBLM）的初始概念模型，但當時并未涉及對混合陶瓷軸承進行建模。
Morales-Espejel解釋說，“你需要數據來校準和驗證任何軸承壽命模型，為了收集足夠的數據，只能靠艱苦的工作，沒有任何捷徑。我們需要繪制曲線圖來描述軸承在各種載荷和表面工況下的性能。對于曲線上的每個點都需要測試約30個軸承，同時預期其中的數個軸承會失效。”
斯凱孚團隊還需對使用鋼滾動體和陶瓷滾動體的軸承進行對比，并對在潤滑不良和污染環境中工作的軸承進行比較。所有這些工作加起來需要完成數百次軸承測試。總之，在荷蘭和奧地利的斯凱孚工廠的科學家和技術人員需要再花四年時間來開發測試程序并修改概念模型。這項工作終于在一年前完成，Morale-Espejel和他的團隊最終確定了全新的混合軸承GBLM。
對現實環境的深入了解
全新模型對工程師和設計師意味著什么？Morales-Espejel解釋說，“我們已經知道混合軸承在很多常見工況下都具有優勢。當軸承載荷很大，但能夠在清潔、潤滑良好的環境中工作時，次表面疲勞可能是最終的失效模式，鋼軸承的性能可能比混合陶瓷軸承更好。但很多軸承都是在較小的載荷下工作，并且很有可能存在潤滑不良或污染情況。我們的模型將能顯示混合軸承方案是否能在那些應用中具有較長的使用壽命，并能夠量化這些差異。”
為了顯示差異程度，Morales-Espejel和他的同事們針對一些有代表性的真實應用進行了計算。如果應用在水泵中的軸承在油浴潤滑和導致潤滑不良的稀油條件下工作，混合軸承的額定壽命比同等鋼軸承長8倍。對于在潤滑油受污染的情況下運行的螺桿壓縮機軸承，混合陶瓷軸承的額定壽命比傳統鋼軸承長100倍。
恰逢其時
在斯凱孚應用工程師進行廣泛的內部測試后，用于混合陶瓷軸承的GBLM計算模型現已成為公司客戶支持工具包的標準組成部分。它的出現可謂是正逢其時。制造技術的進步提高了混合軸承的利用率，并縮小了混合軸承與傳統軸承設計的成本差距。同時，混合陶瓷軸承可以在越來越多的應用中可以帶來性能優勢。
Morales-Espejel表示，“使用粘度更低的潤滑油和盡可能少的潤滑是當前行業的重大轉變。人們對節能的追求和更加嚴格的環境法規共同推進了這個轉變。”他還指出，在從鐵路機車到汽車發動機再到工業泵的應用中，只有混合陶瓷軸承能夠在諸如鐵路和汽車發動機和工業泵等應用中同時兼具低能耗性能和高可靠性。
另一重要增長領域是電動交通。汽車、卡車和火車的電動傳動系統需要軸承在高速度、高加速度、高溫、潤滑不良的情況下可靠運轉。這些軸承還必須耐受軸電流的影響，因為軸電流會破壞潤滑油膜并損壞滾動表面。混合陶瓷軸承具備出色的電絕緣性能及其他諸多優勢，成為此類應用最為理想的解決方案。
Morales-Espejel表示，混合陶瓷軸承技術受到關注的程度是如此之高，以致公司的應用工程師和客戶目前使用斯凱孚的GBLM計算工具平均每天高達260次。但是他強調，混合陶瓷軸承在與傳統軸承的比較中并不總是獨占鰲頭，但這恰恰是全新建模方法如此重要的原因。“我們的觀點不是用混合軸承設計取代所有的鋼-鋼軸承，而是僅在經濟實惠的情況下才如此。我們的混合軸承GBLM確保客戶基于穩定可靠的數據做出上述決定。”