在水泥行業發展的歷程中，新技術不斷為生產過程中提高效率、降低能耗做出越來越大的貢獻。早在1980年左右，水泥行業就出現了預分解窯 (PC) ，也稱為新型干法窯，使得已經取代濕法窯的干法懸浮預熱器窯 (SP) 產能成倍增長，現今每條生產線最大產能可以達到13000噸/天。然而，機立窯和新型干法水泥窯相比，按6000萬噸年水泥熟料需求量折算，每年節約標準煤100萬噸以上，節省石灰石700萬噸以上，可以節約土地約2萬畝^[1]。另外一個新技術對水泥行業節能貢獻的例子是，產能為5000噸/天的水泥熟料干法生產線配套低溫余熱發電系統，年運行7000h，計算熟料發電量33.7KWh，年發電量5411x104KWh，年供電量4924x104KWh，按大型火電廠發電效率為0.383Kg標準煤/KWh計算，年節約標準煤18859噸， 每年減少二氧化碳排放量47148噸^[2]。與水泥發展同步，高品質合金鋼制造的軸承應用到了水泥行業的各個設備上，這些高品質、高可靠性的產品在軸承行業引領著科技進步。作為水泥行業中的關鍵零部件，軸承正在以嶄新的面貌為行業設備的提高可靠性，技術升級和更新換代提供動力。以上的兩個技術進步都離不開軸承的持續運轉，也正是高性能軸承的可靠性才使水泥行業產量提高和節能減排更上一層樓。

　　鑒于不同的設備工況，下表總結了水泥行業關鍵設備中可以選用的主要不同類型軸承。

　　在水泥行業苛刻的應用環境中，高性能軸承解決方案在材料、表面加工、接觸面幾何構型以及鍍層等方面均采用不同方面的工程技術成果，能幫助客戶降低設備設計和運作的總成本，以此提升競爭力。下面讓我們對水泥行業的高性能軸承產品具有的以下主要3個技術特點逐一進行了解。

　　1高可靠性軸承解決方案的產品技術特點
　　應用于水泥行業的高性能產品主要具有以下主要3個技術特點：（1）純凈的軸承鋼材料；（2）優化的接觸型面設計；（3）高標準的表面粗糙度。

　　1.1 純凈的軸承鋼材料
　　隨著計算機技術的興起和迅猛發展，煉鋼工藝控制的以精確數字化，這使鋼材質量有了質的飛躍。從上世紀80年代開始，軸承鋼的純凈度不斷躍上新的臺階（見圖1）。從圖中的趨勢線結合橫坐標我們可以看到，由于軸承鋼純凈度的提高，使得軸承由于內部雜質失效的幾率大大減少。隨著年代臨近，鋼材的單位體積內的夾雜物（氧化物和硬質物質）總長度 (mm/cm³) 不斷減小，從1mm/cm³ 到0.001mm/cm³， 整整提高了100個數量級。而在縱坐標方向，實驗條件下軸承的L15.91軸承壽命從10百萬轉提高到120百萬轉。以現行較通用的的底部澆注法鋼材在實驗條件下可達到60百萬轉為基礎，通過軸承試驗證實，軸承的有效壽命較相同運轉條件下的其他同類軸承可以提高到2倍^[3]。顯然，軸承以及設備的壽命因此可以提高，更長時間的可靠運轉無疑為水泥廠商提供了直接的效益。

圖1 軸承材料的不斷進步

　　1.2優化的接觸型面設計
　　眾所周知，在水泥設備的運轉過程中，偏心的高負載在所難免。不但如此，隨著對設備能耗標準的要求不斷提高，設備和軸承的尺寸限定在更小的范圍。為此鐵姆肯公司采用了優化的接觸型面幾何設計。如圖2所示，a圖表示在平直滾道設計中，軸承載荷在滾子滾道接觸面引起的應力分布，在接觸區域的中間和邊界應力較高。b圖表示在單半徑滾道設計中，軸承載荷在滾子滾道接觸面引起的應力分布，在接觸區域的邊界應力較高。c圖表示在多半徑滾道設計中，由于多半徑的接觸型面輪廓設計，軸承接觸區的應力有效均化，避免局部的應力集中而導致提前失效。如圖3，相應的實驗可以證明，鐵姆肯公司的優化接觸型面幾何設計可以在惡劣工況下提高軸承壽命高達4倍^[4]。而且，在要求同樣軸承壽命情況下，通過優化接觸型面幾何設計，減少軸承內部接觸應力，即可以小軸承替代大尺寸的軸承以減少零部件的設計尺寸、減少設備重量、減少運轉能耗；不僅如此，也為原始設備制造商節省了制造成本，增加了利潤空間。

圖2 不同載荷狀況和接觸型面設計

圖3  幾何輪廓對軸承壽命的影響

　　1.3高標準的表面粗糙度
　　毋庸置疑，軸承滾道的表面粗糙度影響著潤滑的效果，而潤滑的有效性直接決定了軸承的壽命。在圖4中，不同表面粗糙度在相同的計算油膜厚度情況下，金屬之間的接觸摩擦程度是不同的，由此引起的軸承損傷也就不同。在同種工況下，用不同表面粗糙度的軸承作對比試驗，如圖5所見，隨著工況越來越苛刻，（計算油膜厚度與復合滾子滾道表面粗糙度比值）越來越小時，增強的高標準表面粗糙度設計軸承與普通軸承壽命差甚至可以高達4倍^[5]。

圖4  表面粗糙度對油膜和金屬摩擦的影響

圖5  表面粗糙度對軸承壽命的影響

　　2 鐵姆肯公司高性能軸承解決方案
　　為了更好地提高設備性能和可靠性，鐵姆肯公司整合以上3項關鍵技術，通過對不同應用工況的分析，針對實際組合應用不同關鍵技術而推出了一系列高性能軸承解決方案，包括了P900™ 軸承、DuraSpexx™軸承、抗雜質軸承、工程表面處理軸承以及耐腐蝕軸承（見圖 6）。每種軸承都是針對某組特定的損傷模式而設計的。這些高性能軸承的使用壽命在不同的應用環境中要比普通軸承高出1~6倍不等。

　　Timken P900™軸承和DuraSpexx™ 軸承在承載能力、效率和持久性方面表現卓越。采用了超級純凈鋼后，這些軸承的滾子、內圈、外圈的表面都經過特殊加工，能減少與表面有關的損傷模式的產生（見圖5），此外，軸承先進的幾何構型幾乎能完全消除由載荷過高或偏心所造成的邊界應力集中（見圖 3）。在某些工況中，這些軸承的相對壽命要比Timken^®標準軸承高出4倍。

圖6  鐵姆肯公司高性能軸承方案

　　除此之外，還有提供抗雜質軸承。標準 Timken^®滲碳軸承能有效抵御中度雜質的有害作用，無論是在實驗室還是現場測試，甚至能超過競爭對手所推出的抗雜質產品。在雜質更多、潤滑不足的工況中，Timken^®抗雜質軸承能進一步延長軸承壽命，實驗證明抗雜質軸承可比標準Timken^®軸承的壽命高達2倍之多。

　　當然，Timken^®工程表面處理（ES）軸承能夠提供不同的解決方案。工程表面處理技術能為客戶提供更好的軸承性能，被廣泛應用于水泥、采礦等行業。在這些行業里，軸承的性能和正常運行時間至關重要。這種鍍層是一種金屬碳化基的納米合成薄膜，擁有極其堅硬、摩擦超小的表面特性。它的有些屬性與陶瓷相似，能減少發生在滾子和滾道接觸面上的微型焊接和粘著磨損，尤其是金屬與金屬之間的接觸。工程表面處理軸承能有效地預防雜質、減小摩擦和扭矩，減少表面擦傷，延長軸承在潤滑不良情況下的工作壽命，減少假性壓痕磨損以及潤滑劑的流失。實驗證明，工程表面處理軸承的最大壽命能達到標準軸承的六倍。

　　另外的耐腐蝕軸承AquaSpexx™軸承上涂有鋅合金鍍層，鋅合金鍍層是鐵姆肯公司自主研發的專利技術，在軋機、加工設備、海事中應用廣泛，能有效抵抗水性腐蝕所造成的損傷。鍍層設計通常應用在軸承載荷較輕且非酸性的工作環境中。AquaSpexx™軸承具有很強的耐腐蝕性，通過實踐證實其相對軸承壽命最多可達傳統軸承的五倍。還有Thin Dense Chrome™（TDC）軸承的鍍層是一層鉻基薄層，能有效保護軸承，以免生銹和酸蝕。這些軸承通常應用在紙機、食品飲料加工和海事行業中，與傳統軸承相比，其耐腐蝕特性要高出三倍。

　　4 結論
　　由于水泥設備嚴酷的運行環境及水泥行業不斷變化的趨勢，目前，水泥生產商對各類水泥生產設備質量和性能的要求也有所提高，并希望獲得增值解決方案，以確保更長的使用壽命和更低的能源消耗。當然，為了實現上述技術特點，需要付出很多的其他技術改進，比如在純凈鋼冶煉上，實現真空電弧重熔工藝并從工藝中嚴格控制合金含量的同時保證雜質最低。或者比如表面粗糙度水平的提高，需要相應的機床設備的配合。如前所述，隨著著相關科技的進步，軸承鋼的純凈度不斷提高，可以增加軸承的有效壽命；優化的接觸型面幾何設計，不僅提高軸承壽命，也減少了能耗；而高標準表面粗糙度，能夠提高了潤滑效果，并延長軸承使用壽命。當然，技術不會僅僅局限在以上所述的范圍，相信在不同的方面以不同的技術切入，軸承的可靠性和壽命還會進一步提高。

參考文獻：
[1]浙江省發改委，浙江省“十一五”水泥工業發展專項規劃 [R].2007
[2]宋紀元，水泥余熱發電總包工程經驗淺談，中國水泥網會刊 [C].2007，（4）
[3] Stover，Jack D. Air-melted steel with ultra-low inclusions stringer content further improves bearing fatigue life [M].Warrendale，PA，SAE，1987
[4] Glenn R. Fahrni, Jr.，Benefits of profiling tapered roller bearings [M].Warrendale， PA: SAE International, 1999
[5] Moyer， C A. Tapered roller bearing performance for the 1990＇s [M].Warrendale，SAE 1987