滚动轴承设计技术研究现状及发展趋势
摘要 ： 对国内外轴承理论研究及设计技术的现状进行分析并展望其发展趋势。基础理论和技术研发方面的持续巨额投入、多学科研发技术的全球化布局、功能强大的仿真分析设计软件的开发是国外轴承设计技术长足发展和持续领先的基础;经验类比设计、测绘反求设计、计算机辅助设计、专业软件分析设计则是国内轴承设计技术发展的主要阶段。对减摩设计、可靠性设计、极限设计、智能化设计及全寿命周期设计等轴承设计技术的未来发展趋势进行了较为详细的分析。
关键词 ：滚动轴承;设计;发展趋势;减摩设计;可靠性设计;极限设计;智能化设计;全寿命周期
轴承是机械装备的核心基础部件,广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域,其技术水平反映了一个国家的工业水平,特别是高端轴承, 对重大装备的极限性能具有重要影响。目前,世界主要轴承公司凭借技术和品牌优势,垄断了全球75%左右的市场,我国高端轴承几乎全部依赖进口 [1]。虽然我国通过多层次、多渠道的科技项目支持,在高端轴承技术领域取得了一定的突破,但仍未形成完善的技术方案,与国外差距还较大;由于基础研究薄弱,高端人才匮乏,轴承厂家过于分散等原因,该差距逐年扩大。轴承设计技术是国产轴承技术水平落后的主要原因之一[2],本文介绍了国内外轴承设计技术的现状,并展望了轴承设计技术的未来发展趋势。
1 轴承设计技术现状
1.1 国外轴承设计技术
近年来,国外知名轴承公司在基础理论和技术研发方面持续投入巨额资金,完成了大量基础理论、设计、制造工艺、质量控制等研究,建立了强大的研发体系和研究团队,取得了显著成果 [3-4]。例如:瑞典SKF每年研发投入高达15亿,平均每天产出1件以上专利;德国Schaeffler平均每天产出7件以上专利;日本NSK每年研发投入也高达6亿。大量的研发投入确保了其设计技术的长足发展和持续领先。
在技术研发全球化布局方面,各大国外知名轴承公司均拥有总部及不同地区的研发中心,并与高校合作进行深入研究。例如:SKF有15个研发中心,在瑞典开展材料摩擦学行为研究,在英国开展材料加工研究,在荷兰开展高速润滑技术研究,并与伦敦帝国理工大学合作开展轴承系统的摩擦学研究;Schaeffler有10个研发中心,形成了在成熟业务领域持续发展,在优势业务领域强化优势,在战略新兴领域提升能力的技术与市场发展态势;NSK有5个研发中心,具有摩擦学、材料、解析和机电一体化4大核心技术 [5]。不同领域、不同学科的深入交叉研究是这些知名品牌轴承公司正向设计的源泉和基础。
目前,国外知名轴承公司均已成熟掌握了轴承静力学、拟静力学、拟动力学等理论,并在此基础上建立了动力学模型,可以将模拟工况的工程化技术并行到设计开发阶段,以指导轴承设计。该过程需反复计算验证,工作量大,各知名轴承公司均开发了相应的软件,以保证高效、准确实现轴承设计:SKF开发了BEAST,SimPro expert,SimPro Quick等软件,对轴承、单轴及复杂轴系进行高级分析,其中BEAST可以实现基于轴承转速、载荷、润滑等工况条件的寿命预测 [6],实现轴承全寿命周期设计;Schaeffler开发了Simpla,Bearinx,Cada3D,Telos,分析对象分别是系统、轴承、动态和流体,其中Bearinx可以完成复杂系统中的轴承设计和配置,单独分成多个单元模块,便于用户深度参与轴承设计;NSK开发了可以对所有轴承进行动态仿真分析的BRAIN软件包[7],并以圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、四点接触球轴承为例,开展了轴承摩擦力矩、 PV 值等相关试验以验证设计程序的准确性。此外,还有一些在全球范围内普遍应用的商业软件,例如:文献[8]基于动力学微分方程给出了轴承各零件的运动学数学模型,并编制了仿真分析软件ADORE,该软件可以分析轴承零件任意时刻、任意位置的动态特性;文献[9]首先开发了应用于齿轮和变速箱设计的软件Romax Designer,经过多年发展,结合云计算形成了轴承设计及选型分析平台。
国外轴承设计技术形成了基础理论→产品开发→运维反馈的三级技术体系,具体包括:1)基础理论研究,如摩擦学、动力学分析、润滑机理、轴承及相关零件的系统分析等,并应用于产品开发和创新设计;2)与主机同步或超前开发,通过轴承满足或提升主机性能;3)完善产品运维和数据跟踪技术并及时反馈至设计部门,闭环实现产品性能提升。
1.2 国内轴承设计技术
国内轴承设计技术主要经历了以下几个阶段:
1)经验类比设计。 20世纪50年代起,基于前苏联技术形成了各类轴承的设计主导文件和轴承早期的设计技术体系,这也是通用轴承系列化设计和专用轴承开发时的主要依据。
2)测绘反求设计(逆向设计)。 测绘反求设计是国内大部分轴承企业最主要的设计技术,进行设计时,轴承基本尺寸和主参数不变,不能精确测量的参数根据经验或公式计算。20世纪80年代后,随国外各类高质量、高性能的新型结构轴承进入国内市场,为国内轴承企业进行测绘反求设计提供了目标产品。但测绘反求设计仅仅是通过测量轴承外形尺寸和加工精度,反向分析材料及热处理状态,缺乏对轴承设计理念的深入研究。
3)计算机辅助设计(CAD)。 20世纪80年代,我国轴承行业开始进行计算机辅助设计,其代表性成果为以洛阳轴承研究所为主导,集全行业之力推出的通用轴承统一优化设计方法及图册。该方法对标国外名牌产品,实行了加强型设计(E型设计);摒弃了原轴承设计技术,建立了与国际主流技术与产品接轨的新设计方法;采用了符合轴承特性的“网格法”等优化设计方法,提高了运算效率。该成果实现了通用轴承的升级换代,仍是目前许多轴承(包括专用轴承)的设计依据,也是设计方法“软件化”的基础。
4)专业软件的分析设计。 近年来,采用专业软件进行轴承分析设计已成为主流,例如国际上流行的商用软件ADORE,ANSYS,Romax;河南科技大学开发的滚动轴承仿真分析软件SARB可用于各类标准或非标滚动轴承、轴承-转子系统以及变速箱齿轮传动系统的动力学仿真分析;洛阳轴研所、洛轴、瓦轴等也陆续推出了滚动轴承CAD辅助设计系统。
此外,一些高校学者对高速轴承的设计方法也进行了一定研究,如:北京理工大学考虑离心力、惯性力及陀螺力矩,基于牛顿-拉夫逊法和坐标变换法给出了一种研究高速角接触球轴承性能的动力学模型,实现了高速角接触球轴承的参数化设计 [10-11];西安交通大学基于油气二相流理论分析了轴承腔内润滑油气热流分布状态,研究了高速工况下气帘效应的诱发机制,为高速及超高速轴承润滑方式设计及保持架减摩设计提供了理论基础[12-13];西安交通大学基于有限元法建立了主轴转子-轴承-主轴箱耦合系统多参数动力学模型以及考虑弹流润滑的球轴承五自由度振动特性分析模型,为球轴承结构参数优化和公差设计提供了参考[14-15];哈尔滨工业大学给出了高速轴承的智能化设计和参数化模态分析方法[16];山东大学将轴承设计知识与信息化技术相结合,开发了轴承设计专家系统[17]。
2 轴承设计技术发展趋势
早期的轴承设计依据斯特里贝克载荷容量计算方法,未与轴承寿命建立联系。传统的轴承设计以L-P疲劳寿命理论为基础,设计目标是载荷容量最大,即计算寿命最长。随着基础理论研究的深入,设计手段的支持,市场需求的推动和节能环保的要求,轴承的设计技术开始向减摩设计、可靠性设计、极限设计、智能化设计、全寿命周期设计方向发展。
2.1 减摩设计
摩擦学技术是轴承的核心技术,减摩设计是新一代轴承的显著技术特征。滚动轴承相对于滑动轴承,本身就属于“减摩轴承”。新一代减摩设计最具挑战之处在于将原本已经极低的摩擦力矩(滚动轴承摩擦因数一般为0.01～0.05)再大幅降低,最高降幅甚至达到80%。
轴承减摩设计主要从减少自身摩擦和改进润滑剂两方面入手:减少轴承自身摩擦是核心,要求充分理解摩擦学原理,在减小滚动摩擦阻力、滑动摩擦阻力以及润滑油(脂)搅拌阻力等方面采取措施;采用低摩擦润滑脂,如聚脲润滑脂或具有良好成沟性能的润滑脂等。此外,还可以通过轴承零件表面改性处理实现减摩设计,如镀银、磷化、黑色氧化等。
2.2 可靠性设计
常用的机械可靠性设计方法很多,轴承可靠性设计方法主要有可靠性概率设计、降额或安全裕度设计、鲁棒性设计等。
2.2.1 可靠性概率设计
在轴承大多数应用场合,90%可靠度足以满足要求,因此规定该寿命为轴承的基本额定寿命。对于95%及以上更高可靠性要求的轴承,采用修正额定寿命进行计算。
2.2.2 降额或安全裕度设计
轴承降额或安全裕度设计主要有以下几种方法:1)为满足轴承使用寿命或耐久性要求,根据经验采用计算寿命大于使用寿命2倍或3倍的要求,即寿命安全系数取2～3;2)当期望轴承为永久寿命时,其工作载荷必须小于疲劳极限载荷;3)当轴承主要承受静载荷或较大的动载荷(冲击载荷等)时,根据轴承运转平稳性等要求选取合适的静载荷安全系数,例如对运转精度和平稳性要求较高时,静载荷安全系数大于4。
2.2.3 鲁棒性设计
鲁棒性设计是针对极端工况和复杂环境的一种宽域耐受性设计,近年已成为可靠性设计的新方向,例如:SKF 对压缩机与泵类轴承的设计目标之一就是提高其耐受非理想工况下的鲁棒性;NSK 最新推出的机床轴承就直接称为“robust”系列,不仅耐烧黏,而且具有耐磨损、抗疲劳等其他突出性能;NTN 针对风电齿轮箱轴承推出的“增强可靠的鲁棒性定制方案”成为技术准则 [18];对于工程机械与农业机械这些“非道路车辆”用轴承,作业环境复杂苛刻,具备鲁棒性已成为基本要求。但鲁棒性设计并未形成成熟的计算、分析与评估技术体系,仍需进一步研究。
2.3 极限设计
轴承极限设计是指由于安装空间和性能的限制,在不改变材料和工艺的条件下,对轴承进行极限尺寸设计和极限性能优化。
轴承极限设计由日本在20世纪80年代提出,主要包括: 1)在恶劣工况下对轴承性能的要求;2)对轴承结构、材料性能甚至加工能力的要求。 例如:成都重型轴承研究所采用极限载荷设计法突破了传统特大型轴承的设计理论,先确定套圈强度边界值,再通过设计计算使滚动体尺寸无限趋近套圈各强度边界值,充分利用了轴承空间,大幅提高了轴承的承载能力及寿命;机器人轴承是极限尺寸设计的典型代表产品,机器人的结构特点要求轴承轻量化、紧凑化,应用于工业机器人的腰部、肘部、腕部等部位的等截面薄壁轴承(外、内径比值小,滚动体直径小,与相同内径的标准轴承相比,质量仅为其 5%,横截面积仅为其20%)如图1a所示 [19],工业机器人RV减速器用主轴承(高承载、高刚性薄壁轴承)如图1b所示,为保证尺寸较小的RV06E,RV20E减速器结构紧凑,甚至将轴承内滚道直接加工在行星架上。
(a) 等截面薄壁轴承
(b) RV减速器薄壁轴承组件
图1 机器人薄壁轴承示意图
Fig.1 Diagram of thin-walled bearing for robot
在极限设计时,不能仅考虑改善性能或减小尺寸,还需考虑其他因素,例如:滚动体数量增多、尺寸增加会导致保持架过梁变窄,强度不足;套圈变薄会使加工变形难以控制,精度难以保证;安装刚度不足会影响轴承载荷分布及使用寿命等。
2.4 智能化设计
智能化设计是指将基于知识的工程技术与计算机辅助设计融合,面向生产需求的一种现代设计方法,使设计系统能够运用丰富的知识进行推理、模拟、决策,实现产品设计的智能化 [20]。轴承设计(CAD)与仿真分析(CAE)曾经是2个泾渭分明的阵营,智能化设计将两者紧密结合,实现同源数据,共生验证,甚至是用仿真驱动设计。国内外对CAD,CAE,FEM及最优化方法等在轴承设计中的应用进行了大量研究[21-23],哈尔滨工业大学提出的高速轴承智能化设计和参数化模态分析流程如图2所示[16]。
图2 高速轴承智能化设计流程图
Fig.2 Flow chart of intelligent design of high-speed bearing
智能化设计的核心是专家系统,但该系统缺少真正的轴承技术专家,导致智能化设计的结果不能匹配工程应用,轴承智能化设计还需进一步研究。
2.5 全寿命周期设计
全寿命周期设计是指在设计阶段就考虑产品设计、制造、运维、再制造以及废物处理等,是现代设计技术的重要发展,最终目的是实现整体方案最优。面向制造和面向应用的设计是全寿命周期设计的重要组成部分,产品数据管理是实现全寿命周期设计的关键,并行设计是全寿命周期设计的重要方法。主要包含以下几方面:
1)面向制造设计。 面向制造设计是指集成产品设计和工艺设计,尽量降低产品成本,缩短产品开发周期,主要包括面向加工设计和面向装配设计。面向加工设计是指具有工艺可行性,面向装配设计是指在产品设计阶段使得轴承具有良好的可装配性,确保装配简单、装配质量高、装配效率高。
2)面向应用设计。 面向应用设计是指针对特定工况的设计,如用于钻铣加工中心电主轴的高速脂润滑角接触球轴承,主要用于高速工况且工作时需要保证较低的发热量和较高的刚度,可将多目标优化设计目标确定为旋滚比、脂润滑寿命、刚度等 [24]。
3)基于虚拟试验设计。 虚拟试验是指利用仿真技术对一定工况下产品的设计参数进行虚拟化验证,基于虚拟试验的设计在某种程度上等同于仿真设计。随着计算机仿真技术、网络技术的发展,轴承的动态性能分析及虚拟试验技术已达到较高的水平。某公司在高速精密数控机床主轴轴承设计阶段建立主轴单元动态分析模型,对切削过程进行仿真分析,以验证轴承设计参数的合理性,如图3所示。
图3 轴承设计及动态分析示意图
Fig.3 Diagram of bearing design and dynamic analysis
4)全寿命周期数据库。 全寿命周期数据库是轴承研发、产业化、应用全过程技术参数的集合,可实现轴承全寿命周期数据的存储、提取、筛选、查询、分析、处理。全寿命周期数据管理系统结合智能化设备,能更好地适应柔性加工技术,将会改变轴承行业的传统产业模式。轴承全寿命周期环节较多,由于轴承型号较多,关于轴承设计及制造数据收集困难,轴承原材料、润滑、应用、维护、再制造、回收处置等数据基本缺失,建立轴承全寿命周期数据库以及数据管理系统任重道远。
3 结束语
轴承设计技术是我国轴承,特别是高端轴承技术水平落后的主要原因之一,尽早摒弃目前极度依赖的逆向设计,建立自主化轴承设计技术体系,才能缩小国产轴承设计技术与国外的差距。轴承设计技术水平的高低不仅在于设计方法和设计工具,更重要的是设计理念和设计理论,没有先进的设计理念和设计理论,设计方法和设计工具再先进,也只能治标而不治本。加强并完善从设计理念、设计理论到设计方法、设计工具的完整体系建设,才能尽快缩小我国轴承技术与国外的差距,早日实现轴承强国的愿景。