在過(guò)去的幾年中,勞動(dòng)適齡人口的減少和勞動(dòng)力成本的增加促進(jìn)了工業(yè)機器人需求的快速增長(cháng)。此外,全球人口的增長(cháng)和發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長(cháng)正在推動(dòng)鐵礦石、銅和其他礦產(chǎn)資源以及天然氣的開(kāi)采。
另一方面,聯(lián)合國制定了可持續發(fā)展目標,包括針對所有國家的消費、生產(chǎn)和氣候變化的可持續措施,并通過(guò)決議解決這些問(wèn)題。
各種工業(yè)機械領(lǐng)域都深深地融人了可持續發(fā)展目標,并通過(guò)日常技術(shù)創(chuàng )新為可持續發(fā)展社會(huì )做出了巨大貢獻。本文介紹了這些工業(yè)機械軸承的先進(jìn)技術(shù)。
1機器人減速器和伺服電機用軸承的技術(shù)
機器人的主要驅動(dòng)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(shù)。
1.1伺服電機軸承技術(shù)
安裝在機器人上的伺服電機的運轉環(huán)境比較惡劣,伺服電機需要在正反轉之間以及啟停之間進(jìn)行大量切換。由機器人手臂的高速運動(dòng)產(chǎn)生的外力和振動(dòng)以及手臂內的高溫同樣使伺服電機處于惡劣環(huán)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(dòng)器和編碼器執行。術(shù)問(wèn)題包括由于制動(dòng)盤(pán)和編碼器盤(pán)表面的油污染而產(chǎn)生的制動(dòng)器打滑和讀取錯誤。
NSK進(jìn)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(guān)系。圖和污染的結果如圖1-圖4所示,證實(shí)了NSK所開(kāi)發(fā)技術(shù)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(yíng)得了市場(chǎng)聲譽(yù)。
圖1 編碼器仿真試驗簡(jiǎn)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(pán)的輸率變化
圖4 編碼器仿真試驗結果(潤滑脂/密封類(lèi)型)
1.2機器人減速器軸承技術(shù)
由于機器人減速器用于手臂關(guān)節,因此要求緊湊、輕量、短的空行程、高剛度和長(cháng)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(shù),設計了在有限空間內具有高剛度、長(cháng)壽命的特殊軸承。具體示例如圖5所示。通過(guò)優(yōu)化設計內部參數(如球數、接觸角、預載荷),實(shí)現高剛度和長(cháng)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(yè)巖氣工業(yè)機械用軸承的技術(shù)
本節介紹了礦山機械軸承的長(cháng)壽命技術(shù)和在化石燃料熱力發(fā)電中C02排放量相對低的天然氣熱力發(fā)電用軸承的技術(shù)。
2·1礦山機械軸承技術(shù)
礦用輸送機的皮帶輪總長(cháng)達幾公里或更長(cháng),通常使用調心滾子軸承。該類(lèi)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(jìn)行精確控制,所以采用無(wú)密封式軸承。NSK開(kāi)發(fā)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(chǎng)聲譽(yù)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(shù)特征
常規產(chǎn)品和新產(chǎn)品在礦區的試驗結果如圖8所示。常規產(chǎn)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(chǎn)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(shù)
液化氣泵是專(zhuān)用泵(圖9),用于在油輪或陸上工廠(chǎng)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(huán)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(shù)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(jiǎn)圖
圖10 液化氣泵軸承的結構見(jiàn)圖
近年來(lái),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(lái)越多。這些陶瓷球具有優(yōu)異的耐蝕性,因此預期使用壽命更長(cháng),可靠性更高。然而,由于陶瓷的線(xiàn)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(dòng)高性能新型陶瓷球軸承spaceaCRYOTM(圖ll)的商業(yè)化,其所用新陶瓷材料的線(xiàn)膨脹系數接近內、外圈用不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數。
圖11 新型高性能陶瓷球軸承spaceaCRYOTM和新型陶瓷球
2·3頁(yè)巖氣開(kāi)采鉆頭軸承技術(shù)
最近在地表以下約2000m處的頁(yè)巖層開(kāi)采石油和天然氣成為可能,導致開(kāi)采量迅速增加,主要是在北美。用于鉆孔達頁(yè)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(dòng)體不會(huì )斷裂。滿(mǎn)足以上要求的軸承為四點(diǎn)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(chǎng)評估,內、外圈采用了獨特材料。因此,證實(shí)軸承沒(méi)有斷裂,其磨損特性也優(yōu)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(yōu)化軸承的技術(shù)規范。
圖13 現場(chǎng)試驗后的軸承內部狀況
本文介紹了工業(yè)機械軸承的技術(shù)。近年來(lái)“智能”表示優(yōu)化、多功能化、節能等,人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的使用在各領(lǐng)域不斷增多。工業(yè)機械同樣推進(jìn)了“智能 開(kāi)發(fā),以在維護領(lǐng)域實(shí)現高效節能生產(chǎn)和節省人力。不僅需要滿(mǎn)足軸承的常規小尺寸、輕量、高承載能力、長(cháng)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(kāi)發(fā)軸承,以滿(mǎn)足這些要求。