获奖技术ES302涂层背后的客户至上理念

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获奖技术ES302涂层背后的客户至上理念

时光追溯到本世纪的前 10 年,美国的风能公司发现自己遇到了一个问题。它们大约在上个世纪末和本世纪初安装了一些可以发电 20 年之久的风力涡轮机,但这些风机迫切需要进行机械大修。

风机主轴和齿轮箱中的滚子轴承还未达到其设计寿命就过早损坏。虽然可以通过大修解决这些问题,但每次出现故障时产生的维修费用高达 30 万美元,每架风机使用寿命内的维修成本预计将达到 120 万美元。

大约同一时间,铁姆肯公司的一个研发 团队为滚子轴承开发的等离子涂层工艺开始进入生产阶段,这是自90 年代末以来他们在这一领域的辛勤付出所结出的硕果。“当我们首先开始研究涂层会对滚动轴承的摩擦性能产生哪些影响时,我们成了这方面的开路先锋,”Ryan Evans 说道。他当初以化学工程专业本科生的身份参加了这个项目,目前担任轴承研发部的总监。

“你永远不希望轴承中的钢表面发生相互接触,”他说道。这看起来是一个很难满足的要求,因为你看一下滚子轴承便会发现滚子总是在一个狭小的空间内移动。但这正是需要进行润滑的原因——所以,滚子与内圈滚道之间总是存在一层薄膜。

不幸的是,润滑剂薄膜很难保持均匀分布。例如,早期的风机设计通常包含两排主轴调心滚子轴承,它们必须能够支撑只作用于下风口那一排滚子的径向反作用力和风力推力负载。随着轴承由于受力不均而出现磨损,越来越大的轴向偏转负载将转移到齿轮箱轴承上。风机公司发现,在这些复杂的负载条件下,很难让轴承保持充分润滑状态以免损坏。

在 21 世纪 00 年代后期,涡轮机主轴和齿轮箱中的滚子轴承因过早损坏而需要大修,维修成本可能高达 300,000 美元。

解决钢件接触问题

很多重工业都需要面对轴承内的钢件接触问题。为了解决这一问题,铁姆肯公司的团队采用了一种新方法:让轴承滚子不像套圈那样近似于钢件。“我们在滚子上放置了一层超薄的复合材料,厚度比人类发丝的直径还要小,”Evans 说道。“这种材料是陶瓷和聚合物组成的一种特制混合物,换句话说,它们是薄薄的一层类似于塑料的材料,材料中含有大量的陶瓷微粒。”

实际上,铁姆肯公司开发的这种被称为 ES302 的涂层不但如同钻头般坚硬、耐磨,甚至还像我们常用的煎锅那样光滑、不粘连。铁姆肯公司找到了一种健康的售后策略:用滚子上带有 ES302 涂层的耐磨型调心滚子轴承来更换风力涡轮机中的轴承。

农业是耐磨型轴承早期开辟的另一个市场,拖拉机和联合收割机等大型农机都采用了这种轴承。航空航天业的客户以及造纸厂、石油天然气公司、采矿公司等客户也为耐磨型轴承提供了用武之地。

如今,铁姆肯公司的涂层技术代表着一种优质的产品选择。“一般来说,你可以把这些涂层涂到你经常使用的任何Timken轴承上,”Evans 说道。“如果你经常购买某一款轴承并且喜欢使用这款轴承,但又希望在因某种原因而无法充分润滑的环境中延长轴承的使用寿命,那么我们不必彻底重新设计轴承,为它们涂上这种涂层即可。”

锐意进取的研发理念

Evans 深情地回顾了ES302多年来的开发之路。核心团队是一个亲密无间的小组,团队成员还包括:Gary Doll,现任铁姆肯公司的表面工程教授兼阿克伦大学铁姆肯工程表面实验室主任;产品开发专家 Jim Gnagy;以及项目经理 Tim Springer。  在 ES302 项目多年来的开展过程中,其他的铁姆肯公司研发工程师和分析师们也为铁姆肯公司耐磨技术的开发做出了重要的贡献。

“我们前往世界各地,和客户们探讨高级涂层技术和耐磨轴承,”Evans 说道。直接和客户接触非常重要。他认为,这款产品之所以取得成功,主要是因为团队必须直面现实世界的挑战、与客户建立合作关系以及在现场测试解决方案并征求反馈。

“在项目最初的启动期间,很多研发工作都是与客户共同开展的,并且很快取得了进展,”他说道。“我们为客户提供原型零部件,然后等待他们的反馈。”当从现场收到一封电子邮件,邮件的主题表明某个以前从未连续运行 200 小时以上的零部件“刚刚突破 2000 小时的临界值!”时,我们总是会感到心满意足。

Tom Springer、Jim Gnagy 和 Ryan Evans 因开发出 ES302 而获得美国材料信息学会 (ASM International) 颁发的工程材料成就奖。ES302 是一种工程涂层,可延长轴承服务寿命,提高效率并预防轴承和齿轮磨损。

国际认可

提起推动现代文明的那些技术时,我们当中的大多数人最先想到的都不是轴承,但每个包含旋转部件的机器都需要使用轴承。事实上,铁姆肯公司的涂层之所以取得成功,原因仅仅在于它们能够帮助轴承可靠、默默地完成自己的使命。

“我们为客户的现场供应了带有涂层的耐磨型轴承之后,客户几乎不会再给我们发来什么消息,”Evans 说道,“只是年复一年地从我们这里订购越来越多的产品。”

“ES302 打开了一扇门,帮助我们扩大了适用于严苛应用环境的工业轴承的销量,”他说道。

2017 年,铁姆肯公司凭借 ES302 荣获了美国材料学会( ASM International)颁发的著名奖项——工程材料成就奖。该学会认为 ES302“为材料科学领域做出了重要的贡献并证明了自己对工业产生的巨大影响。”这项年度大奖自1969年设立以来,历届获奖者包括通用电气公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、IBM公司、波音公司和通用汽车公司等等。

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延引文章获得美国材料信息学会《先进材料与工艺》(Advanced Materials & Processes) 杂志的许可。

对开发团队而言,这是一个非常自豪的时刻。“每当我们销售铁姆肯公司的耐磨产品时,都会得到商业客户的肯定,”Evans 说道。荣获这一奖项让我们更多地感受到客户和技术同行们是多么地认可我们为开发 ES302 而付出的努力。

以客户为中心

如今,铁姆肯公司的研究人员们正在想方设法降低涂层成本,并让工程涂层更加适用于越来越多的客户应用。“对于大规模应用的一般工业轴承或汽车轴承来说,与轴承自身的成本相比,如今的涂层还比较昂贵。如果我们能够在降低涂层成本的同时实现同样的耐磨性能,情况就会有所改观,”Evans 说道。

 

“铁姆肯公司正在与全球的卓越中心开展合作,以帮助解决各种难题,”他说道。这其中包括当地的一些机构,例如阿克伦大学,Doll 先生正在这所大学研究新一代的涂层技术。

材料和工艺会随着时间的推移而不断发展,但在开发ES302 的那些年中,Evans 开始认识到与客户合作这一理念对铁姆肯公司的产品线有多重要。

“客户可以从我们这里购买数千种独特的零部件,”他说道。“这说明铁姆肯公司的工程师们曾亲自赶到客户的现场,并和客户一起解决他们关心的问题。”

“我们对研发工作进行投资,以找出客户应用中发生问题的根本原因,并探索能够解决这些问题的先进工程技术和科学知识,然后在不同行业中应用这些解决方案,”他说道。“耐磨涂层是一个很好的示例,说明了我们如何才能齐心协力,在从实验室到客户设备的每一个环节中都不断创造价值。”