【专家论坛】我国高端轴承的技术与市场
来源: | 作者:zhejianggongye | 发布时间: 2019-08-16 | 4947 次浏览 | 分享到:

来源:中国轴承工业协会作者:何加群  中国轴协高级顾问转载请注明出处,谢谢!

           内 容 提 要

    1、高端轴承的范畴     

    2、民用航空发动机主轴轴承

    3、高速动车组轴箱轴承  

    4、数控机床轴承

    5、工业机器人轴承      

    6、盾构机轴承

    7、城市轨道交通轴承    

    8、轿车轮毂轴承单元

    9、新能源汽车专用轴承  

    10、风力发电机组轴承

    11、高性能医疗器械轴承 

    12、陶瓷轴承


高端轴承的研发应用未取得突破,是我国轴承产业高质量发展的短板,是已引起国家高层领导关注的制造业特别是高端装备制造业发展的“卡脖子”问题之一。本文论述高端轴承的范畴,民用航空发动机主轴轴承、高速动车组轴箱轴承、数控机床轴承、工业机器人轴承、盾构机轴承、城市轨道交通轴承、轿车轮毂轴承单元、新能源汽车专用轴承、风力发电机组轴承、高性能医疗器械轴承、陶瓷轴承等高端轴承标志性产品,每种产品的类型规格、关键技术和市场需求,以期推动轴承企业着力进行高端轴承研发—工程化—产业化,实现我国轴承产业的高端突破,补齐短板,供给侧高质量发展。

一、高端轴承的范畴

(一)高技术指标轴承

高精度  P4、P2级

高速度  dmn值≥1.5×106mm·r/min

高可靠度  可靠度≥99%

高性能  低噪音  Z4、 V4,低摩擦力矩

(二)高端装备和重大装备轴承

1、高端装备轴承

高端装备制造业是装备制造业的核心,是衡量一个国家产业核心竞争力最重要的标志。大力发展高端装备制造业是建设制造强国的主战场,必须在以下关键领域实现重大突破——

• 新一代信息技术产业

• 高档数控机床和机器人

• 航空航天装备

• 海洋工程装备及高技术船舶

• 先进轨道交通装备

• 节能与新能源汽车

• 电力装备

• 农机装备

• 新材料

• 生物医药及高性能医疗器械

我们轴承行业应大力开发上述关键领域的配套高端轴承。

2、重大装备轴承
• 高速精密重载冶金轧机轴承

• 大功率工程机械和矿山机械轴承

• 深井(7000米以上)超深井(9000米以上)石油钻机轴承

• 高速度长寿命纺织设备轴承

• 高速精密重载印机轴承

(三)极端工况轴承
在高温、低温、高速、重载、腐蚀、电蚀、泥水等极端恶劣工况下工作的轴承。如:汽车蜗轮增压器轴承(高速、高温)、牙钻轴承(超高速)、巡航导弹轴承(高温)、石油钻机钻杆轴承(泥水)、塑料造粒机轴承(重载)、化工泵核电泵用轴承(腐蚀)等。

(四)智能轴承
由经过改进的轴承本体及相关辅件、镶嵌在轴承体内或相关辅件体内的微型传感器、处理传输电路(专用芯片)、采集卡、信息处理与分析软件和轴承服役状态调控装置组成,可实现服役状态自感知(自检测)、自决策(自诊断)、自执行(自调控)的轴承系统。

(五)悬浮类轴承

依靠介质(流体或磁场)的动压、静压产生悬浮力,在轴承的动静件之间形成间隙,从而实现轴承工作的支撑力。按介质的不同,悬浮类轴承可分为水悬浮轴承、气悬浮轴承、磁悬浮轴承和油悬浮轴承。悬浮类轴承可适应传统滚动轴承难以适应的极端环境或苛刻工作参数。

(六)陶瓷轴承

用氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)等陶瓷材料制成的轴承为陶瓷轴承。滚动体和内外圈都用陶瓷材料制造的,为全陶瓷轴承;滚动体用陶瓷材料制造,而内外圈仍用轴承钢制造或滚动体和内圈用陶瓷材料制造,而外圈用轴承钢制造的,为混合陶瓷轴承。  

由于陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、自润滑性能、绝缘性好、导磁率低、低密度、高硬度、高弹性模量、高刚度、低摩擦系数和低热膨胀系数的特性,因而陶瓷轴承可用于制造应用于特殊工况、高端装备的高速轴承、高精度轴承、高温轴承、真空环境用轴承、腐蚀环境用轴承。

二、民用航空发动机主轴轴承

(一)我国轴承行业研发民用航空发动机主轴轴承的基础条件

我国航空配套轴承工业从上世纪五十年代中期开始起步,主要面向军用飞机,大致历经了修理更换、测绘仿制、试制生产、批量(定型)生产、全面发展、行业调整、技术提高等发展阶段。国内航空轴承行业总体上形成了以哈尔滨轴承集团公司(哈轴)、洛阳LYC轴承有限公司(洛轴)、贵州天马虹山轴承有限公司(虹轴)、洛阳轴承研究所(洛轴所)和河南科技大学(河南科大)“三厂一所一校”为主干力量的行业布局。国内航空轴承行业已基本具备了产品设计、研制开发、加工制造和试验各类航空配套轴承的能力。五十多年来,三家工厂先后完成了千余种不同型号航空发动机配套主轴轴承、飞机附件及发动机附件轴承,以及其它航空配套轴承的研发和生产制造任务,一直在为国防武器装备建设配套。

几十年来,哈轴、洛轴和虹轴等厂家先后为在役军用航空发动机交付了近100万套航空发动机主轴轴承,基本上满足了各类军用航空发动机和旋翼传动系统等机构的轴承配套要求,为航空武器装备建设做出了重大贡献。目前正在为多种型号的航空武器装备研制各种配套轴承,已经启动了新一代发动机轴承和自润滑关节轴承的预研工作。

经过“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”科研攻关及航空发动机轴承研制专项技改,轴承行业整体技术水平和设备状况均有明显提高和改善。在轴承设计、原材料、润滑油、加工制造、试验、使用等方面取得了多项科技成果,积累了许多宝贵经验,尤其是航空发动机主轴轴承的寿命和可靠性有了较大提高,同时,也培养了一大批专业技术人才。目前,我国轴承行业已为研制民用航空轴承奠定了较好的基础。

(二)民用航空发动机主轴轴承技术指标

dn值>3.0×106mm﹒r/min

耐高温 250℃~300℃

寿命 15000h以上

(三)民用航空发动机主轴轴承重点研发产品

1、大推力涡扇型发动机主轴承

以两种大型运输机发动机主轴承为例:

1)一种发动机轴承此型发动机共有6个型号主轴轴承,其中圆柱滚子轴承4种,角接触球轴承2种。

 

 

(2)另一型发动机轴承

此型发动机共有7个型号主轴轴承,包括5种短圆柱滚子轴承和2种双半内圈四点角接触球轴承。



(四)民用航空发动机主轴轴承关键技术

航空发动机主轴轴承是轴承产业皇冠上的明珠。其设计和制造技术涉及到轴承科技金字塔塔顶上的诸多硬科技,甚至黑科技。这里,仅列出其中几项——

1、进行包括热分析、动态特性分析及热弹流分析的轴承动力学分析,并以此为基础进行仿真设计。

2、进行包括疲劳寿命、磨损寿命、精度寿命、振动寿命、摩擦寿命的轴承综合寿命研究。

3、对造成轴承早期失效的潜在的失效因素和失效模式进行研究,采取对策,预防早期失效。

4、开发应用新一代耐高温400℃以上,接触应力2400MPa以上的轴承钢。

5、推行以改善轴承应力分布,降低最大接触应力,延缓表面和次表面裂纹源的形成和疲劳裂纹的扩张为要义的表面完整性制造和抗疲劳制造。

6、进行以降低摩擦力矩,提高耐磨性,减轻打滑损伤为目标的单元素或多元素离子注入等表面改性技术的研发应用。

7、进行小样本、概率分布未知条件下的静态试验和动态试验的理论研究和试验方法、试验手段的研发应用。

8、研发新一代模拟工况的轴承性能、耐久性和寿命试验装备和技术。

三、高速动车组轴箱轴承

高速动车组轴承包括轴箱轴承、变速箱轴承和牵引电机轴承。这里我们讨论其中价值最高、可靠性和安全性也要求最高的轴箱轴承。

(一)轴箱轴承类型

我国高速动车组应用的轴箱轴承有二类,一类为SKF的双列圆柱滚子轴承,一类为FAGNSKNTN的双列圆锥滚子轴承。

1、轴承图示

1)双列圆柱滚子轴承

 




2)双列圆锥滚子轴承



2、目前进口轴承的生产厂

3、轴箱轴承外形尺寸



(二)技术指标和关键技术

1、技术指标

·精度P4级(高精密级);

·轴重≥18t;

·运行环境温度-40℃~+40℃;

·满足高速动车组运行速度350km/h、250km/h的使用要求。使用寿命达到290万km,免维护周期不低于145万km。

2、关键技术

·轴承产品仿真分析和数字化设计

采集并编制高速动车组轴承载荷谱。进行动力学仿真分析,产品数字化建模。进行产品整体结构优化设计和微观结构优化设计,包括滚动体凸度修型,滚动体球基面与挡边接触状态、各工作表面硬度和粗糙度匹配等。

·轴承钢材研发和制备

制订高速动车组轴承钢材标准,按标准研发、制备高速动车组钢材,提高对夹杂物的含量、大小、形状和分布状况,碳化物的大小、形状和分布状况的控制水平。

·轴承滚子研发和制备

研发配套高精度圆锥滚子和圆柱滚子的先进制造工艺和数字化装备,形成生产能力。滚子圆度误差、基准端面圆跳动、规值批直径变动量、规值批圆锥角变动量(仅圆锥滚子)、滚动表面粗糙度、基准端面粗糙度达设计要求,且有较大的精度储备。

·轴承保持架研发和制备

从机械性能、抗冲击强度、吸水性、熔点、尺寸稳定性等方面进行塑钢保持架的材料应用技术研究。

建立保持架稳态分析模型和动力学分析模型,建立保持架运动方程和碰撞、冲击振动方程,研究保持架设计参数对其转动惯量、运动轨迹、运动稳定性、碰撞和冲击振动响应的影响的规律。通过以上分析研究,确定合理的设计参数,以保证保持架运动稳定性和抗冲击能力。

制订指导塑钢保持架生产、检验、验收及使用的规范和标准。

形成塑钢保持架的生产能力。

·轴承密封件研发和制备

从拉伸强度、拉断伸长率、热空气老化性能、硬度变化率、压缩永久变形量、与油脂相容性、尺寸稳定性等方面研究密封件原料橡胶的配方、胶料制造工艺。

研发设计低摩擦力矩、防水防尘防漏脂、低温升、利于润滑脂循环润滑的密封结构。同时,研究橡胶的硫化粘接技术与金属表面处理技术,保证橡胶与金属的粘接质量,提高密封件的使用寿命。

制订指导密封件生产、检验、验收及使用的规范和标准。形成密封件的生产能力。

·轴承润滑脂研发和制备

在摩擦学研究的基础上,研究轴承润滑状态、油膜厚度、接触区域演化、摩擦与磨损的动态发展行为规律,研发适用于高速动车组轴承的高效润滑脂,保证轴承安全运行的润滑条件。

形成高效润滑脂生产、检测和应用的技术规范。

完成轴承润滑状态监测与故障诊断技术的研发。形成高效润滑脂的生产能力。

·组建示范生产线进行轴承样品试制

组建示范生产线,生产足够数量的用于检验、检测、台架试验和装车试验的样品。

·轴承台架试验

制订耐久性试验、防水密封试验、防尘密封试验和综合性能试验规范,进行耐久性试验、防水密封试验、防尘密封试验和综合性能试验。

·轴承产品标准制订

大力推动和积极参与有关高速动车组轴承的铁路行业标准的制订。

·轴承装车试验和应用

按铁路总公司制订的试验规范,进行装车试验,并实现产业化应用。

(三)市场分析

据铁路部门资讯,今后若干年内,全国每年新造高速动车组300标准列,每标准列8辆,每辆装用8套轴箱轴承,则需轴箱轴承8×8×300=19200(套)。

每年需大修理同样数量的车辆,需换装新轴承19200套。

二项相加,每年需轴箱轴承

19200+19200=38400(套)

每套国产轴承按6000元计算,销售额为6000×38400=23040万元

(四)我国高速动车组轴承国产化步履艰难

我国高速动车组已实现了国产化,但其关键零部件轴箱轴承还全部依赖进口。

2007年~2015年,洛轴、瓦轴、哈轴、轴研科技、西安交大、河科大等单位组团实施了有关高速动车组的4项国家重点科技计划项目(973”计划项目、“863”计划项目、科技支撑计划项目),进行了高速动车组轴承载荷谱调查研究、仿真分析和设计、试制样品并进行80万公里耐久性试验,研制了4种高速动车组轴承试验台,制订了相应的规范,并按规范进行了各项性能试验。

期间,国家工信部于2014年将高速动车组轴箱轴承列为工业强基工程重点方向项目,进行项目招标,洛轴中标实施项目。工信部又于2016年将高速动车组轴承列为工业强基工程示范应用项目,以期推进高速动车组轴承的自主化。

但是上述研发和推进工作,未得到铁路部门的认可,高速动车组轴承的自主化遥遥无期。

2016年,在时任副总理马凯的亲自过问下,中国铁路总公司加强了对高速动车组轴承自主化工作的领导,啟动了由中国铁道科学研究院牵头的“高速动车组轴箱轴承关键技术研究”重大专项。洛轴、瓦轴、洛轴所、河科大、四方所、兴澄钢厂等十七个单位参加了项目组。

二年多来,项目组开展了高速动车组轴箱轴承设计、制造、材料、润滑、检测与试验及综合评价、标准体系、组装及检修技术等方面的研究和型式试验,进行了时速250公里复兴号高速动车组轴箱轴承的仿真设计、样品试制,并在铁科院新近引进的世界一流的试验机对洛轴、瓦轴制造的时速250公里复兴号高速动车组轴箱轴承进行耐久性试验,至20189月,顺利通过了80万公里耐久性试验。

原定在通过80万公里耐久性试验后,将洛轴、瓦轴试制的轴箱轴承在新研发的时速250公里复兴号高速动车组上装用,进行运行试验。但此时,铁总领导为归避风险,确保时速250公里复兴号高速动车组试运行成功,不同意装用洛轴、瓦轴试制的轴箱轴承,决定洛轴、瓦轴试制的轴承只能在铁科院的高速动车组检测试验车上试用。

由于铁科院没有时速250公里的复兴号高速动车组检测试验车,而有时速350公里复兴号、250公里和谐号、350公里和谐号检测试验车,经重大专项项目组研究决定,重新研发、设计上述三种车型的轴箱轴承,在检测试验车上装车试验。2019年初,这项工作已经啟动。

与此同时,为推进高速动车组轴承国产化进程,国家工信部于2018年12月开始,实施“高速动车组轴承和地铁车辆轴承‘一条龙’示范应用计划”,轴承行业8个单位和相关行业8个单位被列为示范企业。

(五)下一步应进行的工作

1、通过铁科院与铁总沟通,实现“一条龙”项目与铁总重大专项的协同。

2、推动参加铁总重大专项的洛轴、瓦轴,积极努力,明年实现其高速动车组轴承在时速350公里“复兴号”,时速250公里、350公里“和谐号”高速动车组试验车上装车试用,试用运营30万公里后取得铁总试用合格认定。

3、检查督促“一条龙”各关键环节的示范企业努力达到“一条龙”计划的申报要求。并召开1~2次实施“一条龙”计划工作汇报和经验交流会。

4、与“一条龙”项目牵头单位,同时也是铁总重大专项牵头单位的铁科院保持密切联系,掌握项目进展情况,及时向工信部规划司汇报,并按规定报送工作总结。

四、数控机床轴承

(一)数控机床轴承系统

高档数控机床轴承包括高速主轴—轴承系统(含电主轴轴承、动静压轴承)、直线导轨轴承、滚珠丝杠等功能部件(见下图)。



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 















 


 

 

(二)高档数控机床主轴轴承类型

高档数控机床主轴轴承主要类型有4类:高速精密角接触球轴承,单、双列圆柱滚子轴承,超高速混合陶瓷球轴承,双向推力角接触球轴承,传统设计还有圆锥滚子轴承。

机床主轴轴承种类


 


在数控机床主轴轴承中,量大面广的应用以精密角接触球轴承为主。

 

 

 

 

 

 

 

 











 

 

 

 

(三)数控机床主轴轴承图示

1、角接触球轴承成对组配或多联组配

成对组配或多联组配轴承,在应用安装时必须施加一定的预载荷。选择适当的预载荷可以提高主轴系统刚性,降低温升,改善系统加工精度。轴承预载荷通常分为轻(A)、中(B)、重(C)三档,用户可根据主轴系统的实际工况进行选择。


                                                   机床主轴用角接触球轴承成组配对

 

2、单、双列圆柱滚子轴承

 


3、双向推力角接触球轴承

双向推力角接触球轴承要求SP等级公差,需要时也有要求UP等级公差。

 

(四)数控机床主轴轴承关键技术指标

1、到2020年,稳定生产P4级公差轴承,2025年稳定生产P2级公差轴承。

2、精度寿命2025年达30000h。

3、温升<20℃。

4、高速性能稳定提高,dmn值2020年达到3.0×106mm﹒r/min,2025年达到4.0×106mm﹒r/min。

5、平均无故障时间(MTBF)由现在的500h提高到2020年的2000h,2025年达国际同期先进水平。

6、氮化硅陶瓷球轴承采用热等静压处理,达到抗弯强度≥900MPa,韦布尔模数≥12,气孔率≤0.02%,压碎载荷≥50%,公差等级高于G5级。

(五)数控机床主轴轴承市场分析


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


按每台数控机床装用轴承价值占机床销售价的1%计算,则2018年全国数控机床轴承销售额为33.88亿元,2020年数控机床销售额预计为40.44亿元,2025年数控机床轴承销售额预计为50.28亿元。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

五、工业机器人轴承

(一)工业机器人轴承的种类

减速器是工业机器人的核心部件,而轴承是减速器的关键零件。

工业机器人减速器有RV减速器、谐波减速器,还有摆线针轮减速器、行星减速器等。而用量最大,技术水平最高的是RV减速器和谐波减速器。掌握了这二类减速器轴承的技术,也就是掌握了工业机器人减速器的最高技术。



1、RV减速器轴承

RV减速器轴承包括作为减速器主轴承的薄壁角接触球轴承、用于偏心轴定位和主体支撑的薄壁圆锥滚子轴承、用于摆线轮支撑的圆柱滚子(滚针)保持架组件。以及用于齿轮支撑的薄壁深沟球轴承。

 


 

 

2、谐波减速器轴承

谐波减速器轴承包括用于刚轮的薄壁交叉圆柱滚子轴承和用于柔轮的柔性轴承。





 

(二)工业机器人轴承市场

从全球市场角度来看,目前欧洲和日本是工业机器人主要供应商,ABB、库卡(KUKA)、发那科(FANUC)、安川电机(YASHAWA)四家占据着工业机器人的主要市场份额。2013年四大家族工业机器人收入合计约为50亿美元,占全球市场份额的50%。其中,机器人减速机70%以上市场份额由日本纳博特斯克(Nabtesco)和哈默纳科(Harmonic drive)垄断。2015年纳博特斯克的减速器业务收入约为5亿美元。日本Nabtesco生产RV减速机,armonic drive生产谐波减速机。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

从上表可见,我国工业机器人市场高速发展。其中国产工业机器人销量亦高速发展,2014年全国工业机器人销售5.7万台,其中,国产工业机器人销售1.7万台,占29.8%;2015年全国工业机器人销售7.5万台,其中,国产工业机器人销售2.2万台,占29.3%;2016年全国工业机器人销售8.9万台,其中,国产工业机器人销售2.9万台,占32.6%。 

预计2020年全国工业机器人需求总量20万台,其中国产工业机器人7万台,占35%。

预计2020~2025年,全国工业机器人总需求量年均递增15%,2025年达40万台,其中国产工业机器人将以年均递增20%的较快速度发展,2025年达17万台。

 

1台6轴工业机器人装有4台RV减速机、2台谐波减速机,则配套轴承数量为15×4+3×2=66套。

按平均每台工业机器人需配套轴承66套、价值6000元计算,2020年全国工业机器人需求20万套,需配套轴承1320万套、价值12亿元,其中国产工业机器人7万台,需配套轴承462万套、价值4.2亿元。2025年全国工业机器人需求40万台,需配套轴承2640万套、价值24亿元,其中国产工业机器人17万台,需配套轴承1122万套、价值10.2亿元。
(三)工业机器人轴承的关键技术

工业机器人轴承安装在有限的空间,必须采用轻量化的薄壁轴承和异形轴承。

工业机器人的高载荷、高回转精度、高运转平稳性、高定位速度、高重复定位精度、长寿命、高可靠性的性能,要求配套的机器人轴承必须具备高承载能力、高精度、高刚度、低摩擦力矩、长寿命、高可靠性的性能。轻量化和高性能是一对矛盾。

为了解决这一矛盾,必须采取一系列措施。

从产品设计上——

不单以额定动载荷为目标函数,而是以额定动载荷、刚度和摩擦力矩等多项指标作为目标函数,进行多目标优化设计。同时,采用基于套圈和机床变形的薄壁轴承有限元分析方法。

从制造工艺和装备上,研发应用——

(1)易变形、难装卡、难加工的薄壁轴承、异形轴承的套圈锻造、车加工、热处理、磨加工、超精加工和装配的特种加工工艺和工艺装备;

(2)机器人轴承动态质量高精度检测技术;

(3)薄壁轴承套圈微变形热处理工艺;

(4)基于磨削变质层控制的轴承套圈精磨加工工艺;

(5)薄壁轴承负游隙的精确控制技术;

(6)薄壁角接触球轴承凸出量的精确控制技术;

(7)薄壁轴承的精密装配技术;

8)薄壁轴承套圈非接触测量技术。

六、盾构机轴承

(一)盾构机

盾构机是集机、电、液、光、气等系统为一体的工厂化流水线式作业的隧道施工装备,是一种专用于隧道掘进施工的工程机械,能够完成掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业。随着我国城市地铁、铁路隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃气管道工程、排污管道工程、供热供冷管道工程、电缆管道工程盾构法施工的全面铺开,盾构机市场总需求呈快速增长趋势,也给盾构机轴承带来广阔的市场。

(二)盾构机轴承

刀盘作为盾构机的关键部件,在隧道掘进过程中发挥着重要作用。刀盘系统中的主轴承是传递掘进动力和运动的核心部件,它在工作中承受着巨大的轴向力、倾覆力矩和一定的径向力,其性能、寿命和可靠性直接影响盾构机的施工进度、安全和掘进里程。

小尺寸盾构机主轴承采用四点接触球和交叉圆柱滚子结构的居多,个别有双列圆锥滚子结构;量大面广的盾构机主轴承主要有三排三列圆柱滚子组合轴承、三排四列圆柱滚子组合轴承,其中三排三列圆柱滚子组合轴承最常用,包括内齿式三排圆柱滚子组合轴承和外齿式三排圆柱滚子组合轴承。某型泥水平衡盾构机主轴承为外齿式三排圆柱滚子组合轴承,见下图。

 

 

 

某型土压平衡盾构机主轴承为内齿式三排圆柱滚子组合轴承,见下图。


主轴承在主机上的功能主要是支承及传递运动与载荷。盾构机转速极低,但载荷极大且不可准确预测,加上极高的可靠性要求使主轴承要承担着极大的风险,也给盾构机主轴承的设计制造提出了苛刻的要求。与通用轴承比较,由于地质结构的不均匀性,盾构机掘进阻力的大小、方向可能剧烈变化,导致盾构机主轴承常常工作在冲击、偏载等极端工况下,因而对轴承材料和热处理、轴承结构,以及刚度、强度、寿命和可靠性都提出严苛的要求。轴承工作环境还要求轴承安装部位有可靠的密封,轴承内部有良好的润滑,相关的密封结构、润滑剂均需特殊设计。

(三)盾构机轴承的市场需求

截至2015年全球已累计生产盾构机超过10000台,保有量达5000多台,年需求量300~500台。目前中国已成为世界上生产和使用盾构机最多的国家之一。

随着我国城市地铁、铁道隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃气管道工程、排污管道工程、供热供冷管道工程、电缆管道工程盾构法施工的全面铺开,国内每年盾构机需求量在400台左右,其中国产300台左右另外,国内在役的盾构机保有量约1800余台,这些盾构机的主轴承超过设计寿命后都需要维修和更换。按上述数据粗略估计,盾构机主轴承的年需求量达400套,总产值约12亿元。随着各类地下工程的大量建设,以及国家“走出去”和“一带一路”战略的推进,盾构机市场总需求呈快速增长趋势,给盾构机主轴承带来广阔的市场。

(四)盾构机轴承的国产化

我国从1957年开始进行盾构机的研制,1966年我国首台隧道盾构机在杭州水利部研究院研制成功,通过六十年的不断引进、消化吸收再创新和自主创新,盾构机已实现国产化,制造企业超过40家。

但是盾构机系列轴承中盾构机主轴承和滚刀轴承还依赖国外品牌,其中盾构机主轴承主要采用ROTHE ERDE、SKF、ROBALLO、KOYO、IMO几家公司产品,滚刀轴承主要采用美国TIMKEN公司产品,少量NTN产品。

科技部从2007年起开始战略布局盾构机关键核心零部件的国产化,通过“863”计划项目《土压平衡盾构机主轴承的研制》的实施,在盾构机主轴承设计分析技术、大模数齿圈单齿背冷感应淬火技术、表面淬火硬化层无损检测方法、盾构机主轴承精密加工工艺、异种金属保持架焊接工艺技术等关键技术的研发应用上取得了突破,研制的主轴承寿命达到7000h以上。

2016年9月,洛轴研制的国内首台Φ6.28米复合盾构机国产主轴承下线,经行业专家评估达到国外盾构机主轴承水平。同年11月,装有该主轴承的盾构机CT006H在中铁隧道局合肥地铁三号线正式投入施工使用;2018年3月,经过一年多的施工应用,投入合肥地铁三号线施工的主轴承连续工作累计掘进2369.65米,最高日掘进28.5米,最高月掘进397.5米,顺利完成全标段工程。经检测,该台盾构机运行平稳可靠,拆解后主轴承状态良好,标志着我国已经掌握了盾构机主轴承的核心技术,打破了少数国外公司的技术垄断,主轴承能满足6-7米级盾构机的使用要求。下一步可在行业内全面推广应用。

目前,11-12米级盾构机国产化主轴承已在研制中,今年1月14日,洛轴研制的11米级盾构机轴承举行下线仪式。尚需通过不断的技术创新,逐步实现大直径复合盾构机主轴承的国产化。

但是国内目前6-7米级盾构机主轴承才完成工程化应用,尚未形成核心竞争能力,由于缺乏相应的试验手段和相关的基础资料,在设计理论、制造工艺、安装及使用经验,以及承载能力、寿命和可靠性、质量的一致性等方面与国外同期同类产品相比,还存在一定的差距。在大型盾构机和TBM掘进机主轴承的国产化方面,国内轴承企业研究的更少,尚需进行更多的基础研究和技术创新。

(五)盾构机轴承的技术指标和关键技术

1、技术指标

无故障使用10000h(或累计掘进10km以上,轴向跳动≤0.1mm,适用转速1~3r/min)。

2、关键技术

1)盾构机主轴承设计技术

① 建立覆盖典型地质条件的工况数据库,制定满足静强度分析、动力学分析、可靠度预测、性能和寿命试验所必需的定常和非定常动态载荷谱、特殊工况下的极限载荷谱等。

② 完成主轴承失效数据搜集和分析,编制典型工况条件下主轴承失效图谱。

③ 开展低速、重载、冲击条件下主轴承的润滑理论及摩擦学研究,定常和非定常动态工况下主轴承的接触力学和动力学特征研究,形成相应的设计理论。

④ 进行主轴承可靠性理论研究。建立不同地质和掘进工况条件下主轴承可靠性理论与剩余寿命预估技术。

⑤ 开展主轴承强度、刚度及寿命设计理论研究,主轴承主参数、滚子和滚道的理想凸度、轴承游隙、密封结构、保持架等零件结构参数优化设计,以及主轴承性能仿真与寿命预测软件开发。

2)盾构机主轴承控形控性制造技术

① 制定专门的盾构机主轴承的钢材质量控制标准,建立钢材质量控制系统,实现“四化”要求,即成份设计智能化、内在质量高纯化、生产过程自动化和冶金质量一致化。

② 开展精密热处理技术研究。开发三个滚道同时淬火、齿轮淬火工艺,研制专用数控热处理设备和工装,提高淬火质量的一致性和稳定性;开发具有自主知识产权的材料性能模拟软件;开发热处理质量的动态在线控制及检测技术;研究适用于主轴承的表面改性技术。

③ 全面掌握盾构机主轴承零件精密加工技术,开发主轴承滚道的硬车工艺、CBN等超硬刀具制造技术。

④ 全面掌握盾构机主轴承的润滑与密封系统设计制造技术。

⑤ 全面掌握盾构机主轴承再制造技术,制定主轴承再制造质量标准。

3)主轴承质量控制与健康状态监控技术

① 制定盾构机主轴承专门的产品标准,严格规定主轴承的基本系列参数、材料、热处理、内在和表面质量等技术要求、试验方法和检验规则等。

② 开发盾构机主轴承专门的无损检测技术,制定无损检测技术规范。

③ 研制内嵌式超微型传感器,开发数字化、网络化和智能化的状态监测与故障诊断软件。

④ 研制盾构机主轴承试验台,考核主轴承的启动摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性能等,形成盾构机主轴承试验规范。

七、城市轨道交通轴承(一)主要结构类型


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


(二)市场需求

目前,已有38个城市经批准建设轨道交通(地铁、轻轨),规划总里程6680公里。到2020年,将有50个城市设有轨道交通,营运总里程将由3000公里增加到7000公里,新增4000公里,平均每年新增800公里。相应的需新增地铁、轻轨车辆30000辆,平均每年6000辆,需配套轴箱轴承48000套,销售额1.5亿元。加上每年大修理地铁、轻轨车辆6000辆,需更换轴承48000套,销售额1.5亿元。合计每年需城市轨道交通轴承96000套,销售额3亿元。

(三)十年磨一剑

中国轴协和中国城轨协会组织协调西北轴承和北京地铁以“十年磨一剑”的精神锲而不舍地进行地铁轴承联合研发攻关。联合研发攻关历时7年,经过了6个阶段:

第一阶段:2008年67月,西北轴承按北京地铁提出的技术要求,进行地铁轴承的产品设计。

第二阶段:2008年720088月,由西北轴承按供需双方认可的产品设计图纸和技术要求,试制样品。

第三阶段:2009年220112月,同时在西北轴承技术中心实验室和国家轴承质量监督检验中心实验室对试制的轴承样品进行了120万公里的台架试验。

第四阶段:2014年1011月,在北京地铁8号线对试制的轴承样品进行1000公里不载客运营考核试验(其中空载试验考核836公里,加沙袋重载试验考核176公里)。全列车参试轴承均无故障冲击信息,亦无温升超标。

第五阶段:2014年1220159月,在北京地铁8号线进行10万公里载人正线运营考核。全列车参试轴承均无故障冲击信息,亦无温升超标。

第六阶段:将经过1000公里不载客运营考核试验,又经过10万公里正线运营考核的轴承中拆卸4套,委托国家轴承质量监督检验中心进行各项技术指标检测,结论是全部检测项目符合技术标准和技术条件。

全部六个阶段的攻关,均达到攻关目标,从而为替代进口的国产地铁轴承产业化打下了良好的基础。此后,参试轴承继续运行39万公里,直至车辆大修仍完好无损。又在北京10号线进行了同样的试验。

(四)开发目标

2018年~2019年完成中试和装车运行考核,实现小批量生产。2019年实现产业化。2022年满足主机行业需求的能力达80%。

技术指标:

·精度P5级(精密级);

·轴重≥14t;

·运行环境温度-40℃~+40℃;

·温升≤50℃;

·满足地铁车辆80km/h~160km/h的使用要求;

·使用寿命≥240万km,免维护周期不低于一个架修期。

(五)关键技术

·产品仿真分析和数字化设计

同高速动车组轴承。

·轴承钢材研发和制备

同高速动车组轴承。

·轴承滚子研发和制备

同高速动车组轴承。

·轴承保持架研发和制备

同高速动车组轴承。

·轴承密封件研发和制备

同高速动车组轴承。

·轴承润滑脂研发和制备

同高速动车组轴承。

·组建示范生产线进行样品试制

组建示范生产线,生产足够数量的用于检验、检测、台架试验、空车运行试验、正线载人运行考核的样品。

·轴承台架试验

按相关标准,制订台架试验规范,进行模拟工况循环次数试验:≤200km/h,60万km;>200km/h,120万km。

·轴承产品标准制订

轴承行业和轨道交通行业相关单位参加,制订地铁轴承产品团体标准。

·轴承装车试验和应用

制订试验规范和应急预案,进行空车轻载、重载试验,正线载人一个架修期(或段修期)运行考核。并实现产业化应用。

(六)“一条龙”研发——工程化——产业化

下一步,将有7个组合,进行地铁车辆轴承“一条龙”研发——工程化——产业化。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

八、轿车轮毂轴承单元

(一)轿车轮毂轴承单元的种类

1、轿车轮毂轴承用普通轴承

由两套圆锥滚子轴承或球轴承组合而成的。

特点:

1)装车时需要调整游隙;

2)装配质量受人为因素影响大,安装难度大,可靠 性较差;

3)使用后需定期维护,维护成本较高。

2、第一代轿车轮毂轴承单元

第一代轿车轮毂轴承单元是外圈整体式内组件分离的双列角接触球轴承或双列圆锥滚子轴承。

特点:

1)无须调整游隙;

2)使用后免维护;

3)装配要求较高,受周边零件精度、人工安装因素影响较大。

3、第二代轿车轮毂轴承单元

第一代轿车轮毂轴承单元外圈与转向节集成,形成了第二代轿车轮毂轴承单元。

特点:除了保有第一代产品优点外——

1)安装简单,减少了人工因素影响;

2)优化结构,减轻了重量;

3)只能用于从动轮。

4、第三代轿车轮毂轴承单元

第二代轿车轮毂轴承单元外侧列内圈与hub集成,形成了第三代轿车轮毂轴承单元。

特点:保有第二代轴承单元的优点外——

1)结构紧凑,实现了轻量化;

2)产品刚度、强度高,安全性好;

3)适用于主动或从动轮。

5、第四代轿车轮毂轴承单元

第三代轿车轮毂轴承单元内侧列内圈与等速万向节集成,取消花键轴,形成了第四代轿车轮毂轴承单元,目前还在实验室阶段。

特点:

1)多零件集成,部件刚性更好,安全性更好,舒适性提高;

2)成本较高,增加用车成本。

(二)轿车轮毂轴承单元供需情

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

(三)轿车轮毂轴承单元关键技术

1、轻量化结构

在满足整车使用强度的条件下,对法兰盘形状和内部结构进行优化,实现轻量化高强度,产品重量减轻10%,达到国际先进水平。

2、超轻阻滞力矩

改进密封结构设计,提高各零件加工精度,选择合理的负游隙,采用高效润滑脂,显著降低摩擦力矩,阻滞力矩减小25%以上,达到国际先进水平。

3、全方位密封技术

国内外轿车轮毂轴承单元的失效很大一部分是由密封失效引起的。通过采用多唇多腔密封技术取代双唇密封技术,有效地增大了密封空间,提高了密封的可靠性,降低了振动和温升,攻克了轴承漏脂的难题,密封效果和性能超过了国外同类产品。在多唇多腔密封技术的基础上,进而研发了全方位橡胶密封技术,彻底解决了由于套圈与密封结构之间的金属直接配合导致的水分进入轴承内部的问题。

4、旋铆技术

采用旋铆技术,将外法兰盘前端铆压至轴承外圈端面,使轴承外圈与法兰盘形成一个整体,解决了原采用螺母压紧,容易松动,产生轴向位移的问题,增强了轴承的刚性和安全性,从而提高了轴承的可靠性和使用寿命。

5、超音频淬火技术

采用超音频淬火技术取代原中频淬火技术。超音频(IGBT)感应加热电源是一种新型的高效节能电源,应用其进行轿车轮毂轴承单元的表面淬火,温度及加热时间可精确控制,加热速度快,无氧化层,变形小,能保证工件的表面硬度、淬硬层深度和抗冲击韧性达到国外先进技术标准。

6、负游隙检测技术

通过大量的工艺验证,掌握了位移法负游隙检测技术。根据轴承设计参数和游隙影响系数,采取双工位通道检测。通过对组装一工位前正游隙的检测和二工位压装过程监控,得出产品的最终负游隙。一工位通过配重块和气缸二个方向联合加载,二工位通过伺服位移,精确控制重复检测精度。采用这种检测技术,实现了制造过程的精准检测,使负游隙的波动范围由0.03mm缩小到0.01mm。

7、三凸技术

内法兰盘滚道、圆锥滚子、外法兰盘滚道均进行凸度修型,减小摩擦,提高运转灵活性,振动、温升和使用寿命均优于不进行凸度修型的国外产品。

8、多表面一次磨削

传统工艺是采用砂轮一次磨削一个表面,效率和加工质量低。改为金刚石滚轮修整,一次磨削4个表面或5个表面,提高了加工精度,同轴度、沟心距、垂直度误差小,旋转精度高。 

九、新能源汽车专用轴承

新能源汽车的发展已成为不可逆转的潮流。我国已成为新能源汽车增量和保有量全球第一的国家。


对新能源汽车的发展有多种预测——

一般预测2020年可达到200万辆。

2025年预测有多种:300万辆、500万辆、700万辆。

(二)新能源汽车专用轴承

新能源汽车专用轴承有二种:

一种是轮毂驱动电机(轴承)单元,有纯电动、混合动力等多种类型,是一种正在研发的高度集成化的产品。

另一种是目前广泛应用的新能源汽车驱动电机专用轴承。

1、轮毂驱动电机(轴承)单元

结构如下图所示。

 

 

2、新能源汽车驱动电机专用轴承

1)使用工况

高转速、急变速、低扭矩、低温升、低噪音、耐高温、长寿命、高可靠性。

2)主要技术指标

耐高低温-40℃~180℃,高速度10000~25000rpmdmn值0.7×106mm·r/min,长寿命10000h以上。

3)常用规格

尺寸范围20mm<d<100mm

型号6007-2Z、6008-2Z、6206-2Z、6207-2Z、6208-2Z、6305-2Z、6306-2Z、6307-2Z、6308-2Z、6210-2Z等。

4)关键技术

① 密封:采用非接触式密封圈(RZ)和防尘盖(Z)两种结构,保证轴承的密封性能、低扭矩、高温性能。

② 保持架:采用特殊设计工程塑料保持架,在保证强度的条件下保证保持架轻量化,保证轴承的充分润滑,实现高速、低力矩性能。

③ 润滑:采用耐高低温专用润滑脂,保证轴承的耐高低温性能,高速性能等。

④ 套圈材料和热处理:采用高纯度优质轴承钢及锻件毛坯,经过特殊热处理,提高轴承寿命和可靠性。

5)需求预测

每辆新能源汽车2台驱动电机,每台驱动电机需2套轴承,则每辆新能源汽车需驱动电机轴承4套,按每套20~25元计算,则每辆新能源汽车配套轴承销售额80~100元。

近几年应用量:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

需求量预测:

2020年,200万辆,需驱动电机轴承800万套,销售额

1.6亿元~2亿元。

2025年,三种预测

300万辆,需驱动电机轴承1200万套,销售额2.4亿元~3亿元。

500万辆,需驱动电机轴承2000万套,销售额4.0亿元~5亿元。

700万辆,需驱动电机轴承2800万套,销售额5.6亿元~7亿元。

(三)对新能源汽车轴承开发的建议

1、我们要十分关注新能源汽车的发展。新能源汽车颠覆了传统结构,对轴承用量减少,技术要求特殊。这对我们轴承行业来说机遇和挑战并存,挑战大于机遇。我们要未雨绸缪,进行前瞻性的技术和市场布局,抓住这一新兴市场机会,全力追赶,抢占先机。

2、传统汽车向新能源汽车的过渡,将要经历很长的发展阶段。我们仍然要十分注重传统汽车领域配套轴承的技术发展,努力提高轴承的精度、性能、寿命和可靠性。特别要在轴承的轻量化、集成化、低摩擦力矩和长免维护周期上下功夫。3、开发新能源汽车轴承要分类施策目前使用量大面广的驱动电机轴承,要在技术升级、质量提升上下功夫,满足新能源汽车驱动电机的特殊使用要求。

轮毂驱动电机(轴承)单元,本质上是一种结构复杂的、集成化的电机系统,轴承是重要的配套件。我们轴承企业没有必要作很大的投入进入整体开发领域,而应努力进入从事开发的企业和科研院所的产业链,与整机同步开发配套轴承,为整机配套。

十、风力发电机组轴承

(一)我国风电产业发展概况

2006年起,我国风电产业“井喷式”发展。截至2017年,全国(除港、澳台地区外)累计装机容量1.88亿千瓦,累计装机11.4万多台。

在这十多年间,我国风电产业因受政策因素和消纳能力的影响,二次大起大落。现在,已进入健康理性的发展阶段(见下二表)。

我国风电产业的发展趋势:

1、产业布局

从集中式开发向分散式开发发展;

“三北”(西北、华北、东北)向中部、东部、南部发展;

“二海”(海上、海外)发展。

2、产品结构

单机容量逐年增大,已由2010年的1000千瓦以下增大到2017年的2100千瓦,还要继续增大;

主流机型——陆上2.5兆瓦,海上4兆瓦;


双馈型和直驱型并存,直驱型占比逐步增大。



(二)风电轴承

风电机组轴承主要5种:偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、增速器轴承、发电机轴承(见下图)。其中,2.5兆瓦及以下偏航、变桨主轴轴承已国产化。增速器轴承、发电机轴承、2.5兆瓦以上偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承主要靠进口,亟待自主化。

 


1、偏航、变桨轴承

偏航轴承安装于塔筒顶端、机仓底部,承载风机主传动系统的全部重量,用于准确适时地调整风机的迎风方向。变桨轴承将桨叶和轮毂结合在一起,根据风向,调整桨叶迎风角度达最佳状态。

偏航和变桨轴承要有足够的强度和承受轴向力、径向力和倾覆力矩联合作用的能力,要求运行平稳,启动力矩小,润滑、防腐及密封性能好。

偏航轴承的结构形式主要有两种,单列四点接触球转盘轴承(无齿式、内齿式、外齿式)和双列四点接触球转盘轴承(无齿式、内齿式、外齿式)。变桨轴承多采用双列同径四点接触球转盘轴承(无齿式、内齿式)。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

偏航、变桨轴承是特大型转盘轴承,外径D=0.5米~4.5米,重量0.5吨~6吨。

2、主轴轴承

主轴起支承轮毂及叶片、传递扭矩到增速器的作用,主轴轴承主要承受径向力,要求具有良好的调心性能、抗振性能和运转平稳性。2兆瓦及以下风机主轴轴承一般采用调心滚子轴承,2兆瓦以上大功率风机采用大锥角双列圆锥滚子轴承或三列圆柱滚子轴承。

















 

 

 

 

 

 

 

3、增速器轴承

由于风力发电机组主轴的转速较低,因此需要增速器进行增速,达到发电所需的转速。通常增速器采用三级变速齿轮传动,输入端为一级行星轮传动,中间轴及输出轴采用二级平行轴传动。

 

 

 


在所有风机配套轴承中,尤其要引起高度关注的是增速器轴承。

风机增速器是大传动比的齿轮箱。由于承受的扭矩和转速波动范围大,传输负载易突变,箱体重量与安装空间有限制,安装平台存在柔性变形等等,因而与传统的重载工业齿轮箱的应用环境相去甚远。

风机增速器的故障80%起源于有缺陷的轴承。因此,对风机增速器及其配套轴承的可靠性的研究,已成为当前风能业界的难点和重点。我们应密切关注和跟进一些前沿技术。

4、发电机轴承

风电机组发电机轴承的组配形式较多,其中最常用的是深沟球轴承与圆柱滚子轴承组配形式。用圆柱滚子轴承承受较大的径向载荷,深沟球轴承承受一定的轴向载荷。


 

(三)风电轴承市场分析

按每年新增2300万千瓦,单机容量2100千瓦计算,每年新增风电机组约11000台。

按每台份偏航度浆轴承4套,则共44000套;

主轴轴承1套,则共11000套;

增速器轴承20套,则共220000套;

发电机轴承2套,则共22000套。

合计297000套

按每台份轴承价格50万元,则每年风电机组轴承销售额55亿元。

(四)风电机组轴承关键技术

在我国风电产业“井喷式”发展时,我国轴承产业仓促上阵,2.5兆瓦以下风电偏航变桨和主轴轴承没有经过充分研发和工程化就进入产业化,大批量供货,留下很多隐患。现在,必须回过头来进行研发、工程化补课,在以下关键技术上下功夫:

1、在进行大量数据积累的基础上,构建风电机组轴承载荷谱。

2、建立轴承产品数字化模型,进行数字化仿真分析和设计。

3、对于国外和国产主轴轴承、变桨轴承早期故障频发的问题,在进行充分的失效分析的基础上,进行这二种轴承的重新选型和结构设计。

4、对42CrMo材料进行合金成分优化(如增加Ni或Si),提高用42CrMo材料制造的轴承套圈热处理的淬硬性和淬透性。

5、研发应用防止因打滑损伤轴承滚动面的表面强化处理技术。

6、研发应用淬硬性、淬透性达技术要求的少无软带表面热处理技术和装备。

7、解决齿轮淬火齿根产生裂纹的问题。

8、对激光相变硬化技术应用于风电机组轴承热处理的可行性进行深入研究。

9、着力推进智能化——

产品智能化:第一步,研发轴承运行状态远程自动监测的传感器轴承;第二步,研发轴承运行状态远程自动监测、自动调控的智能轴承。

制造过程智能化:循数字化→网络化→智能化的路径实现制造过程智能化。

十一、高性能医疗器械轴承

(一)医疗器械轴承概述

高性能医疗器械主要包括医疗检测与实验分析、手术及服务器械与机器人等。目前应用最广泛的是大型医疗器械中的医学影像设备,包括医学影像诊断设备和医学影像治疗设备。医学影像诊断设备主要有X线成像设备、磁共振(MRI)设备、回波类超声CT、透射类超声CT、核医学设备、热成像设备和内窥镜等。医学影像治疗设备主要有介入放射学系统、立体定向放射外科SRS、立体定向放射治疗SRT、X-刀、γ刀等。以CT机为例研究医疗器械轴承结构、性能与技术要求。医用CT机主轴承属CT机核心部件。

CT机主轴承应用于固定的CT机架和旋转扫描部分之间的连接部位,是CT机旋转扫描部分的关键部件,用于传递和承受X线管、准直仪、探测器、滑环等装置产生的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩,需满足CT机较高转速、低噪声、高精度、低振动和长寿命的使用要求。

(二)CT机主轴承的种类

1、钢丝滚道轴承

 

 

2、等截面薄壁轴承

 

3、空气轴承或其他先进结构轴承

空气轴承是悬浮类结构。此类轴承主要用在4代CT机上,目前尚在完善阶段。

4、主旋转轴承

LYC轴承在借鉴国外先进技术的基础上,针对国外镶嵌式结构轴承存在着零件加工难度大、生产成本高、结构复杂的问题,研制出一种全新结构的CT机主旋转轴承,如下图所示,达到了简化加工工艺、降低生产成本和提高可靠性的效果。轴承能够满足第三代CT机主轴轴承的使用要求,轴承整体性能达到国际先进水平。

 

 

(三)市场需求

我国CT机市场年需求超过2000台,每台主轴承价格35000元。预计到2020年全国保有量将达到30000台,主轴承价值10.5亿元。每年新增2000台,主轴承销售额7000万元。

医用CT机配套轴承还将较长时期保持钢丝滚道和等截面薄壁这两种结构型式,更优秀的替代产品(气悬浮结构)还不够成熟。

(四)CT机轴承关键技术

1、钢丝滚道轴承

1)对钢丝滚道轴承特性的接触力学分析、失效机理、寿命评估与计算的理论依据和经验数据;

2)对失效机理研究需要的大量的数据及长期的失效分析积累;

3)轴承的结构设计技术与传统轴承结构设计大相径庭,需要研究轴承服役寿命的评估与计算方法,建立数据仿真分析的物理模型及数学模型;

4)需要开发轴承滚道钢丝热处理和机加工专有技术;

5)研究确保精准诊断的重要因素运转噪声控制技术。不仅涉及原理与设计,还与制造过程的技术水平和服役运行的维护保养密切相关;

6)轴承游隙调整和装配技术等专有技术是影响CT机运转刚性的关键。

2、等截面薄壁轴承

1)等截面薄壁轴承结构参数优化设计技术;

2)等截面薄壁轴承加工技术;

3)薄壁轴承的精密装配技术;

4)轴承保持架结构与材料研究;

5)密封结构研究;

6)轴承润滑剂研制;

7)薄壁轴承套圈的非接触测量技术;

8)轴承综合性能评价技术。

十二、陶瓷轴承

(一)制造陶瓷轴承的材料

1、套圈和滚动体

陶瓷——氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3

2、保持架

工程塑料——聚四氟乙烯(PTFE)、尼龙66、聚酰亚胺

陶瓷——氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4

不锈钢

特种航空铝

(二)陶瓷轴承的分类

陶瓷轴承可分为三类——

第一类为滚动体用陶瓷材料制造,而内外圈仍用轴承钢制造;

第二类为滚动体和内圈用陶瓷材料制造,而外圈用轴承钢制造;

第三类为滚动体和内外圈都用陶瓷材料制造。

第一类和第二类叫做混合陶瓷轴承;第三类叫全陶瓷轴承。

(三)陶瓷轴承的特性和陶瓷轴承应用领域

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、自润滑性能、绝缘性好、导磁率低、低密度、高硬度、高弹性模量、高刚度、低摩擦系数和低热膨胀系数的特性,陶瓷轴承用于制造应用于特殊工况、高端装备的高速轴承、高精度轴承、高温轴承、真空环境用轴承、腐蚀环境用轴承。

陶瓷材料耐高温800℃,在高温下仍保持很高的硬度和强度,并具有良好的尺寸稳定性和润滑性能。陶瓷轴承可应用于航空发动机、炉窑、制塑、制钢等高温工况。

陶瓷材料具有耐腐蚀的特性,陶瓷轴承可应用在强酸、强碱、无机盐、有机盐、海水等苛刻环境,如电镀设备、电子设备、化工机械、船舶制造、医疗器械等。化学工业的各种耐酸泵、真空泵、离心泵和涡轮分子泵都应用全陶瓷轴承。

陶瓷材料绝缘性好,导磁率低,陶瓷轴承可用作电机工业和电力机车的绝缘轴承、防磁轴承。

陶瓷材料具有自润滑性能,在超高真空环境中,陶瓷轴承可以解决普通轴承无法实现的润滑问题。

由于陶瓷材料的低密度、高硬度、高刚性、高弹性模量、低摩擦系数和低热膨胀系数,使陶瓷轴承转动惯量小,耐磨性好,摩擦力矩小,摩擦温升低,在高速运转时,陶瓷滚动体离心力小,陀螺力矩小,自旋滑动小。因而,陶瓷轴承能满足航空发动机、数控机床主轴的高速、精密、长寿命的使用要求。装用陶瓷球的混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承已越来越广泛地应用于机床主轴。

一般人对陶瓷的印象是硬度高,易碎,抗拉强度和抗弯强度低。实际上,氮化硅陶瓷抗拉强度、抗弯强度与轴承钢相当,抗压强度很高,大约是轴承钢的5-7倍,硬度是轴承钢的1倍,尤其是在高温条件下,仍能保持高的强度和硬度。因此,陶瓷轴承具备比轴承钢轴承更高的使用寿命的基础条件。

(四)陶瓷轴承的关键技术

当前,我国陶瓷轴承制造企业众多,陶瓷轴承和陶瓷球的制造,从陶瓷粉料制备、毛坯烧结、机械加工,已形成产业链,其通行的工艺技术,这里就不赘言了。这里着重谈谈为消除陶瓷轴承早期破坏的因素:密度低、密度不均匀、气孔、杂质以及表面形成微裂纹,至关重要的三项关键技术,也正是国内陶瓷轴承业界的短板。

1、高纯度粉料制备技术

国外用于制造陶瓷轴的陶瓷粉料,杂质(铁、铝等)含量均小于50PPM,而国内用于制造陶瓷轴承的粉料,杂质(铁、铝等)含量超过500PPM,这是落后的制备工艺和装备造成的。由于铁和铝的热膨胀系数远大于陶瓷,在温度变化时,铁和铝等杂质的体积变化远大于陶瓷,严重破坏陶瓷内部组织结构和性能。高纯度陶瓷粉料的制备,应成为陶瓷轴承业界关注的重点。

2、热等静压处理技术

为消除陶瓷轴承套圈和滚动体因材料疏松、密度不均匀、气孔等缺陷造成的抗弯强度低、压碎载荷低等问题,应对烧结的陶瓷轴承的套圈、滚动体坯料进行热等静压处理,达到抗弯强度≥900 MPa,韦布尔模数≥12,气孔率≤0.02%。

3、表面无损伤的表面精加工技术目前国内外陶瓷球的最后加工工序通常采用的是金刚石研磨膏抛光工艺,加工后陶瓷球表面仍存在损伤层和划痕。为解决陶瓷材料加工表面损伤问题,部分国内外学者采用化学机械抛光原理,利用软质磨料(如CeO2SiO2Cr2O3等)抛光液抛光,但抛光效率较低。日本学者周立波提出了基于软质磨粒与被加工材料固相化学反应原理,融合磨粒的机械作用进行表面材料无损伤去除的化学机械磨削(CMG,Chemo-Mechanical-Grinding)技术,实现了干燥条件下单晶硅片的无损伤表面加工(Ra达0.15 nm)。CMG磨削技术已成功地在单晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超光滑无损伤表面的加工,具有更高的加工效率,借鉴这一方法有望提高陶瓷球的抛光效率。

虽然,上述加工新方法可以解决陶瓷材料的表面损伤问题,但是加工过程中,由于加工环境中不可避免地会混入硬质大颗粒(加工液、空气、磨料以及加工中产生的材料碎屑等),当这种硬质大颗粒混入到加工区域内会对加工表面造成划痕形式的损伤,进而严重影响表面质量,造成返工或废品,因此陶瓷材料滚动体的表面无损伤的精加工仍然是亟待解决的难题。

  语

有高端轴承研发制造能力的轴承企业及配套企业、应用高端轴承的主机企业、相关大学和科研院所,应以当前的高质量发展和长远的国家经济安全的战略思维和历史担当,致力于开发高端轴承的事业,倾全行业、全产业链创新链之力,突破开发高端轴承的难关。

 

 

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