工業機械軸承的技術趨勢

　　在過去的幾年中，勞動適齡人口的減少和勞動力成本的增加促進了工業機器人需求的快速增長。此外，全球人口的增長和發展中國家的經濟增長正在推動鐵礦石、銅和其他礦產資源以及天然氣的開采。

　　另一方面，聯合國制定了可持續發展目標，包括針對所有國家的消費、生產和氣候變化的可持續措施，并通過決議解決這些問題。

各種工業機械領域都深深地融人了可持續發展目標，并通過日常技術創新為可持續發展社會做出了巨大貢獻。本文介紹了這些工業機械軸承的先進技術。

1機器人減速器和伺服電機用軸承的技術

　　機器人的主要驅動源采用伺服電機，其具有良好的可控性且易于操作。然而，由于電機輸出為高轉速、低轉矩，因此減速器需要將輸出轉換為低轉速、高轉矩。這里介紹了伺服電機和減速器用軸承的技術。

1.1伺服電機軸承技術

　　安裝在機器人上的伺服電機的運轉環境比較惡劣，伺服電機需要在正反轉之間以及啟停之間進行大量切換。由機器人手臂的高速運動產生的外力和振動以及手臂內的高溫同樣使伺服電機處于惡劣環境中。伺服電機所需的功能為精確控制旋轉、停止和定位，由連接到電機軸的制動器和編碼器執行。術問題包括由于制動盤和編碼器盤表面的油污染而產生的制動器打滑和讀取錯誤。

　　NSK進行了仿真試驗，以確認軸承內部潤滑脂的泄漏與編碼器污染之間的關系。圖和污染的結果如圖1-圖4所示，證實了NSK所開發技術的有效性，如低塵LGU潤滑脂和輕接觸DW密封圈等，以高可靠性贏得了市場聲譽。
 

圖1  編碼器仿真試驗簡圖

圖2  編碼器表面的氣體粘附（非接觸式密封）

圖3  氣體粘附（非接觸式密封）導致編碼器盤的輸率變化

圖4   編碼器仿真試驗結果（潤滑脂/密封類型）

1.2機器人減速器軸承技術

　　由于機器人減速器用于手臂關節，因此要求緊湊、輕量、短的空行程、高剛度和長壽命。由于輸出軸承受非常大的外部載荷和力矩，因此NSK充分利用了其分析技術，設計了在有限空間內具有高剛度、長壽命的特殊軸承。具體示例如圖5所示。通過優化設計內部參數（如球數、接觸角、預載荷），實現高剛度和長壽命。
　　輸人軸和中間軸也承受重載，因此采用了體積小、承載能力高的小型滾針軸承和圓錐滾子軸承。

圖5   機器人減速器軸承設計示例

2 礦山機械和頁巖氣工業機械用軸承的技術

　　本節介紹了礦山機械軸承的長壽命技術和在化石燃料熱力發電中C0₂排放量相對低的天然氣熱力發電用軸承的技術。

2·1礦山機械軸承技術

　　礦用輸送機的皮帶輪總長達幾公里或更長，通常使用調心滾子軸承。該類軸承具有高承載能力，可吸收軸的變形。軸承更換工作要求對內部游隙進行精確控制，所以采用無密封式軸承。NSK開發了高密封性調心滾子軸承（圖6、圖7），采用獨特的螺栓固定密封，可精確控制軸承安裝期間的游隙，具有高密封性，市場聲譽良好。

圖6   輸送機用具有高可靠性和良好密封性的調心滾子軸承

圖7   新軸承的技術特征

　　常規產品和新產品在礦區的試驗結果如圖8所示。常規產品在使用約1年后出現剝落，而新軸承未出現諸如剝落的異?，F象。潤滑脂中的污染物數量約為常規產品的1/10，證明具有高密封性。

圖8   潤滑脂中顆粒的對比

2·2液化氣泵軸承技術

　　液化氣泵是專用泵（圖9），用于在油輪或陸上工廠接收、運輸和供給各種液化氣。代表性的液化氣包括液化天然氣（LNG，-162℃）、液化石油氣（LPG，約-40℃）和液氮（LN2，-196℃）。泵的葉輪由液化氣潤滑的軸承支承。由于低溫環境，不能使用軸承防銹劑。因此，軸承采用高耐蝕性不銹鋼。保持架材料是一種低溫、高自潤滑的碳氟樹脂，保持架采用特殊的鉚釘固定（圖10）。
 

圖9   液化氣泵的結構簡圖

圖10   液化氣泵軸承的結構見圖

　　近年來，采用氮化硅陶瓷球軸承作為防止泵用電機逆變導致電蝕的措施越來越多。這些陶瓷球具有優異的耐蝕性，因此預期使用壽命更長，可靠性更高。然而，由于陶瓷的線膨脹系數與內、外圈用不銹鋼相比非常小，因此徑向內部游隙在室溫到極低溫（-196℃）的范圍內有較大的變化。作為對策，正推動高性能新型陶瓷球軸承spaceaCRYO^TM（圖ll）的商業化，其所用新陶瓷材料的線膨脹系數接近內、外圈用不銹鋼的線膨脹系數。

圖11 新型高性能陶瓷球軸承spaceaCRYO^TM和新型陶瓷球

2·3頁巖氣開采鉆頭軸承技術

　　最近在地表以下約2000m處的頁巖層開采石油和天然氣成為可能，導致開采量迅速增加，主要是在北美。用于鉆孔達頁巖層的鉆孔電機載荷很大，其內部軸承由泥水潤滑（鉆孔電機結構如圖12所示）。軸承的主要要求是即使在使用泥水潤滑的情況下，也能使滾道磨損減至較小，并且在運行期間套圈和滾動體不會斷裂。滿足以上要求的軸承為四點接觸球軸承（多級），內、外圈由滲碳鋼制成，球由S2工具鋼(ASTMA681)制成。

圖12 鉆孔電機結構

　　NSK已完成了新軸承的現場評估，內、外圈采用了獨特材料。因此，證實軸承沒有斷裂，其磨損特性也優于當前滲碳材料（圖13）。NSK將繼續與鉆機制造商合作，以建立優化軸承的技術規范。

圖13 現場試驗后的軸承內部狀況

　　本文介紹了工業機械軸承的技術。近年來“智能”表示優化、多功能化、節能等，人工智能技術和物聯網的使用在各領域不斷增多。工業機械同樣推進了“智能 開發，以在維護領域實現高效節能生產和節省人力。不僅需要滿足軸承的常規小尺寸、輕量、高承載能力、長壽命，而且面臨新要求（如軸承劣化診斷和軸承預期壽命預測）。NSK將繼續開發軸承，以滿足這些要求。