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CARB轴承——设备平稳运行的“灵丹妙药”

20世纪90年代,SKF研发工程师马格纳斯•凯尔斯特伦发明了一种全新的轴承。他的理念至今仍在一次次革新中改变着世界。

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马格纳斯•凯尔斯特伦没有囿于传统,好点子总是层出不穷,他的自行车就是一个很好的例子。自2005年退休后,他骑着一辆斜躺式自行车,坐在舒适的靠背椅上,在家乡四处转悠。他将踏板安装在高于前轮的上方。骑行爱好者们说,这种设计比普通自行车更舒适,也更符合空气动力学原理。

在SKF的39年职业生涯中,凯尔斯特伦曾在多个产品研发岗位上工作,始终勇于挑战现状。在此期间,凯尔斯特伦不仅推动了轴承的设计艺术和发展,还为轴承产品带来了新的加工工具和创新理念,让整个世界得以顺畅运转。

20世纪60年代末,凯尔斯特伦致力于将计算机引入设计流程。他回忆说:“那时,所有的工业公司都在使用计算机。这些计算机体积有一个房间那么大,但其性能远不如现在的手机。尽管如此,计算速度仍然远超人类。”

然而,这些早期计算机使用起来很不方便。凯尔斯特伦和他的同事们在打孔纸卡上编写程序,然后提交给数据中心进行处理。结果大约需要一天左右才能出来,这时候工程师们才会知道程序是否成功。“当然,我们也会犯错。”他说,“不过同样的错误我们只犯一次,后面就不会再犯了。”

如今,CARB已被用于世界上众多要求严苛的应用领域,包括为当今最先进的游轮提供动力的电力推进系统。

走遍全球

20世纪70年代,凯尔斯特伦凭借在计算机辅助轴承设计方面的专业知识,足迹遍布全球各地。他曾在美国工作一年,致力于开发一种用于轴承设计的自动热力计算程序。当时,全球化进程正如火如荼地展开,与许多其他工业公司一样,SKF也在积极调整自身战略,根据不同的产品类别建立卓越中心,以更好地服务全球市场。

20世纪80年代初,凯尔斯特伦回到自己的祖国瑞典,供职于哥德堡SKF球面滚子轴承研发与生产中心。球面滚子轴承是当时轴承行业的主流产品,其历史可追溯至SKF创始人斯文·温奎斯特的创新理念。

“斯文·温奎斯特发明了自调心球轴承,以解决工厂中的一个难题。”凯尔斯特伦解释道:“球轴承的摩擦系数极低,但无法承受高载荷。于是,SKF开发了球面滚子轴承,旨在解决这一限制。”

与温奎斯特最初的创新发明一样,球面滚子轴承是为了应对机器在现实世界中所面临的挑战而设计的。这种轴承既可以承受径向和轴向载荷,也可以承受角度不对中,而且不会显著增加摩擦或卡死的风险。这一点非常重要,因为机器必须能够承受制造误差或重载导致的变形。

在哥德堡研发中心,凯尔斯特伦及其团队对SKF的球面滚子轴承系列进行了改进,设计出了摩擦更小、承载能力更强、使用寿命更长的产品。然而,尽管产品性能出众,但仍有其局限性。

对我来说,发明就是解决大多数人甚至还没有意识到的难题。

SKF研发工程师马格纳斯•凯尔斯特伦

持续改进

一个典型的问题就是发热。当机器在使用过程中温度发生变化时,部件会随之膨胀或收缩。标准的球面滚子轴承在应对长轴上可能出现的轴向位移时表现欠佳。这会导致摩擦增大,进而增加过早磨损的风险。机械制造商曾尝试过多种解决方案,但效果都不理想。圆柱滚子轴承难以解决不对中的问题,而将球面滚子轴承安装到特殊的滑动式轴承座上则会增加体积、成本和复杂性。

在试图解决工业行星齿轮箱中的轴承过早失效问题时,凯尔斯特伦意识到还可以采用一种截然不同的方法。他想出了一种全新的滚子轴承设计,这种轴承既能应对轴向位移,又能保持球面滚子轴承承受角度不对中的性能。

经过几年的努力,凯尔斯特伦终于说服他的同事们,让他们相信他的发明值得投入大量精力将其转化成商业产品,并最终为一个小规模项目争取到了一些研发资金。他回忆说:“我们的工作是制造更好的球面滚子轴承,而不是发明新的轴承,所以一开始这有点像‘机密项目’。我的名字确实出现在了主专利上,但这仅仅是个开始。有想法是远远不够的。我有幸与一些真正的专家共事,没有他们,紧凑型调心滚子轴承永远无法取得成功。”上世纪90年代初,凯尔斯特伦和他的同事们紧锣密鼓地开展研发工作,最终设计出紧凑型调心滚子轴承(简称CARB)。

CARB的奥秘在于其形状,它将三种现有轴承类型(即球面滚子轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承)的特性融为一体。

经过数年的分析、测试和改进,团队终于完成了这项设计,实现了他们的雄心壮志。与许多研发项目一样,他们并未因此而大张旗鼓地宣扬。他回忆道:“我记得当时和一群工程师站在我的木工车间里,我们只是觉得 ‘终于完工了’。”

势头强劲

然而,一切并未就此结束,因为发明只是创新的一部分。凯尔斯特伦还必须说服SKF管理层进行必要的投资,将CARB投入生产,而当时还没有证据表明市场已经准备好接受这种新轴承概念。他回忆道:“那时的产品研发与现在大不相同。我们会提出一些创意,然后由我们的销售和应用工程团队考察这些创意是否具有市场潜力。”

CARB的首次重大突破出现在造纸行业。上世纪90年代初,制造商们正致力于研发新型超高速造纸机。他们亟需为这些机器的辊子找到合适的轴承解决方案,而凯尔斯特伦的新设计恰好满足这一需求。凯尔斯特伦表示:“CARB被应用于一台创下新闻纸生产世界纪录的机器上。那一刻,我深知我们的想法会产生重大影响。”

1995年,SKF将CARB推向市场。其创新设计很快吸引了众多行业的客户,包括冶金和可再生能源企业等。凯尔斯特伦解释说:“当一家德国风电公司采用CARB解决方案替代传统轴承配置时,风机中轴承的重量减少了2,600公斤。由于该轴承的尺寸更小,轴承座因此变得更轻、更紧凑,从而又减少3吨的重量。这样一来,塔筒的重量又减轻了好几吨。”

集众之长

CARB的独特形状为其赋予了独特的特性。其内部的滚子长径比很大,类似于滚针轴承。与球面滚子轴承一样,滚子也是凸面,但与传统的球面滚子轴承相比更为扁平。内外圈滚道的凹面与滚子的轮廓完美匹配,使得滚子可以在滚道内自由移动,既能像球面滚子轴承那样承受角度不对中,又能像圆柱滚子轴承那样承受轴向位移。

CARB轴承始终是作为球面滚子轴承的互补产品而设计的,而不是替代品。在典型应用中,轴的一端由传统的球面滚子轴承支撑,用以承受轴向载荷,并将轴进行正确定位。而在另一端,CARB则能够承受因热膨胀引起的任何轴向位移。

轴向移动并不是CARB的唯一优势。这款新型轴承还具有其他优点。例如,由于采用了长滚子设计,可以承受高载荷,而相对较小的直径使整个轴承组件非常紧凑。与传统的轴承设计相比,这种轴承重量更轻,占用空间更小。

节能止损

自此之后,CARB一路高歌猛进。如今,SKF这种创新轴承已被用于世界上众多要求严苛的应用领域,包括为当今最先进的游轮提供动力的电力推进系统。

“减少摩擦就如同为机器注入了神奇的药水,使其运转更平稳、更静音、更持久,同时还能节约能源。”凯尔斯特伦表示:“热量、振动和额外的载荷会导致轴承磨损。每停机一小时,就会损失一小时的生产收入和利润。此外,还可能增加维护成本和引发安全风险。在无法避免这种故障的情况下,可靠性至关重要。”

CARB研发团队的开创性工作经受住了时间的考验。今天的CARB轴承得益于SKF的许多渐进式创新,例如先进的新型钢材、完善的密封和精巧的保持架设计。不过,它们的基本几何形状变化不大。

凯尔斯特伦继续参与SKF的其他项目,但CARB始终是他生命中不可或缺的一部分。退休后,他兼职担任专家顾问,为设备制造商提供有关轴承设计和选型的建议。他表示:“现在我很享受解决轴承问题的过程,如果使用CARB,这些问题根本就不会出现。”

当他不再骑着他那辆斜躺式自行车,也不为世界顶级设备制造商提供建议时, 马格纳斯•凯尔斯特伦仍会在他的车库里默默进行创新和发明研究。他说:“对我来说,发明就是解决大多数人甚至还没有意识到的难题。我的动力来自于解决问题,为众多企业和整个社会带来变革。为SKF做点有益的事情,就相当于在为世界做出贡献。”