工业机械轴承的技术趋势

　　在过去的几年中，劳动适龄人口的减少和劳动力成本的增加促进了工业机器人需求的快速增长。此外，全球人口的增长和发展中国家的经济增长正在推动铁矿石、铜和其他矿产资源以及天然气的开采。

　　另一方面，联合国制定了可持续发展目标，包括针对所有国家的消费、生产和气候变化的可持续措施，并通过决议解决这些问题。

各种工业机械领域都深深地融人了可持续发展目标，并通过日常技术创新为可持续发展社会做出了巨大贡献。本文介绍了这些工业机械轴承的先进技术。

1机器人减速器和伺服电机用轴承的技术

　　机器人的主要驱动源采用伺服电机，其具有良好的可控性且易于操作。然而，由于电机输出为高转速、低转矩，因此减速器需要将输出转换为低转速、高转矩。这里介绍了伺服电机和减速器用轴承的技术。

1.1伺服电机轴承技术

　　安装在机器人上的伺服电机的运转环境比较恶劣，伺服电机需要在正反转之间以及启停之间进行大量切换。由机器人手臂的高速运动产生的外力和振动以及手臂内的高温同样使伺服电机处于恶劣环境中。伺服电机所需的功能为精确控制旋转、停止和定位，由连接到电机轴的制动器和编码器执行。术问题包括由于制动盘和编码器盘表面的油污染而产生的制动器打滑和读取错误。

　　NSK进行了仿真试验，以确认轴承内部润滑脂的泄漏与编码器污染之间的关系。图和污染的结果如图1-图4所示，证实了NSK所开发技术的有效性，如低尘LGU润滑脂和轻接触DW密封圈等，以高可靠性赢得了市场声誉。
 

图1  编码器仿真试验简图

图2  编码器表面的气体粘附（非接触式密封）

图3  气体粘附（非接触式密封）导致编码器盘的输率变化

图4   编码器仿真试验结果（润滑脂/密封类型）

1.2机器人减速器轴承技术

　　由于机器人减速器用于手臂关节，因此要求紧凑、轻量、短的空行程、高刚度和长寿命。由于输出轴承受非常大的外部载荷和力矩，因此NSK充分利用了其分析技术，设计了在有限空间内具有高刚度、长寿命的特殊轴承。具体示例如图5所示。通过优化设计内部参数（如球数、接触角、预载荷），实现高刚度和长寿命。
　　输人轴和中间轴也承受重载，因此采用了体积小、承载能力高的小型滚针轴承和圆锥滚子轴承。

图5   机器人减速器轴承设计示例

2 矿山机械和页岩气工业机械用轴承的技术

　　本节介绍了矿山机械轴承的长寿命技术和在化石燃料热力发电中C0₂排放量相对低的天然气热力发电用轴承的技术。

2·1矿山机械轴承技术

　　矿用输送机的皮带轮总长达几公里或更长，通常使用调心滚子轴承。该类轴承具有高承载能力，可吸收轴的变形。轴承更换工作要求对内部游隙进行精确控制，所以采用无密封式轴承。NSK开发了高密封性调心滚子轴承（图6、图7），采用独特的螺栓固定密封，可精确控制轴承安装期间的游隙，具有高密封性，市场声誉良好。

图6   输送机用具有高可靠性和良好密封性的调心滚子轴承

图7   新轴承的技术特征

　　常规产品和新产品在矿区的试验结果如图8所示。常规产品在使用约1年后出现剥落，而新轴承未出现诸如剥落的异常现象。润滑脂中的污染物数量约为常规产品的1/10，证明具有高密封性。

图8   润滑脂中颗粒的对比

2·2液化气泵轴承技术

　　液化气泵是专用泵（图9），用于在油轮或陆上工厂接收、运输和供给各种液化气。代表性的液化气包括液化天然气（LNG，-162℃）、液化石油气（LPG，约-40℃）和液氮（LN2，-196℃）。泵的叶轮由液化气润滑的轴承支承。由于低温环境，不能使用轴承防锈剂。因此，轴承采用高耐蚀性不锈钢。保持架材料是一种低温、高自润滑的碳氟树脂，保持架采用特殊的铆钉固定（图10）。
 

图9   液化气泵的结构简图

图10   液化气泵轴承的结构见图

　　近年来，采用氮化硅陶瓷球轴承作为防止泵用电机逆变导致电蚀的措施越来越多。这些陶瓷球具有优异的耐蚀性，因此预期使用寿命更长，可靠性更高。然而，由于陶瓷的线膨胀系数与内、外圈用不锈钢相比非常小，因此径向内部游隙在室温到极低温（-196℃）的范围内有较大的变化。作为对策，正推动高性能新型陶瓷球轴承spaceaCRYO^TM（图ll）的商业化，其所用新陶瓷材料的线膨胀系数接近内、外圈用不锈钢的线膨胀系数。

图11 新型高性能陶瓷球轴承spaceaCRYO^TM和新型陶瓷球

2·3页岩气开采钻头轴承技术

　　最近在地表以下约2000m处的页岩层开采石油和天然气成为可能，导致开采量迅速增加，主要是在北美。用于钻孔达页岩层的钻孔电机载荷很大，其内部轴承由泥水润滑（钻孔电机结构如图12所示）。轴承的主要要求是即使在使用泥水润滑的情况下，也能使滚道磨损减至较小，并且在运行期间套圈和滚动体不会断裂。满足以上要求的轴承为四点接触球轴承（多级），内、外圈由渗碳钢制成，球由S2工具钢(ASTMA681)制成。

图12 钻孔电机结构

　　NSK已完成了新轴承的现场评估，内、外圈采用了独特材料。因此，证实轴承没有断裂，其磨损特性也优于当前渗碳材料（图13）。NSK将继续与钻机制造商合作，以建立优化轴承的技术规范。

图13 现场试验后的轴承内部状况

　　本文介绍了工业机械轴承的技术。近年来“智能”表示优化、多功能化、节能等，人工智能技术和物联网的使用在各领域不断增多。工业机械同样推进了“智能 开发，以在维护领域实现高效节能生产和节省人力。不仅需要满足轴承的常规小尺寸、轻量、高承载能力、长寿命，而且面临新要求（如轴承劣化诊断和轴承预期寿命预测）。NSK将继续开发轴承，以满足这些要求。