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浅谈我国高端轴承及相关前沿技术

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  当前轴承行业现状

  根据中国工程院所著的《高端轴承发展战略研究》的定义,高端轴承是指高性能、高可靠性、高技术含量,能够满足高端设备或武器装备等极端工况与特殊环境要求,对国民经济和国家安全具有战略意义的轴承。从实用的角度而言,高端轴承可以具体分类为:滚动轴承、滑动轴承、悬浮类轴承和滚动功能部件。

  从现阶段的全球轴承行业来看,瑞典、德国、日本、美国基本垄断了国际上的高端轴承产品及制造技术。随着全球经济一体化的趋势发展以及我国改革开放政策的进一步深化,第一线的轴承巨头如SKF、SCHAEFFLER、NSK、NTN、JTKET、TIMKEN等以轴承为主导产品的跨国公司都已经将其制造和研发中心布局在我国市场,但其高端轴承的研发与制造却仍然设立在公司母国,可见这些工业发达国家对高端轴承重要性及其制造技术的严密封锁。

  我国每年进口轴承40亿美元左右,其中70%为民用高端轴承。我们自己的高端轴承制造能力仍处于起步阶段,主要是受限于原材料、精密机床、检测试验技术及基础理论与技术前沿研究的落后,仅在武器、军工领域的部分领域有所突破,占总需求份额的5%左右。

  差距体现

  我国与世界轴承强国的差距主要体现在以下几个方面:

  1.轴承产品,包括:

  公差的一致性,包括几何尺度、物理指标、性能指标、动态性能(摩擦、震动与噪声)

  轴承寿命

  产品可靠性

  2.制造技术,包括:

  高精密度加工装备

  工艺稳定性

  检测与试验技术及装备

  数据的采集、处理与积累

  数字化建模与仿真分析

  3.基础理论,包括:

  产品的物理指标

  对复杂、极端工况的物理现象(如耦合摩擦、热与温升、寿命预测)缺少系统的实验研究和理论层面的认识。

  潜在问题

  我国目前有40多所高校(清华大学、浙江大学、西安交通大学等)在国家自然科学基金等资助下开展了轴承领域的研究。虽然通过这些项目提高了行业及社会对高端轴承技术的认识,但存在的问题依然突出:

  基础研究薄弱是一个普遍性问题,轴承也不例外。

  传统力学、摩擦学发展到界面科学与技术、抗疲劳制造技术、极端环境应用时的摩擦行为与磨损、润滑现象的基础研究。

  基础研究与产业发展脱节,大量科技成果不能有效地转化为生产力

  从事基础研究的高校与作为产业发展主体的企业联系不到位

  共性关键技术投入严重不足,企业大都各自为政,这是基础与产业脱节的体制原因。新出现的生产服务型平台,会是校企合作的新领域,并大有可为。

  协同创新机制建设尚待加强,虽然已经开展了多年,但效果不佳,推行起来困难重重。本质上来说,该机制使得企业获取创新的灵感;高校拓展研究的深度与广度;用户输出产品;研究型企业找到自己专长的用武之地

  前沿技术[1]-[4]

  与高端轴承相关的前沿技术开发也同样是我国行业的薄弱一环,归纳起来有如下内容:

  一.匹配工业物联网技术的大数据环境构建,其内容包括载荷谱、性能要求、制造过程保障、设计仿真、寿命评估预测、全寿命周期管理等需要长期数据积累为基础,概括来说:

  产品数据

  运营数据

  价值链数据

  外部数据

  二.高端材料技术

  轴承钢的纯净化、细质化、均匀化

  轴承钢冶炼、连铸和热轧工艺过程中的纯净化冶金技术

  碳化物控制、基体细化、表面改性实现细质化和均匀化

  特殊后处理(热处理、冷处理、复合处理)

  新型轴承钢、各向同性轴承钢、高温轴承钢、耐蚀轴承钢

  航天航空发动机主轴承用钢M50、M50NiLi、CSS-42L技术

  高氮轴承钢以及低密度、低模量、耐腐蚀的无磁轴承合金

  子零部件的前沿材料,如工业陶瓷、工程塑料、密封橡塑、润滑材料等

  三.轴承精密制造技术

  工作表面应具有的“表面完整性”

  润滑状态对工作面的微观形貌指标

  磨损寿命对磨损率的要求

  坯料组织状态遗传演化规律、成形过程宏观塑性变形和微观组织状态相互作用机制、可控性成形机理与工艺规划

  滚动接触表面磨削变质层和残余应力的形成与可控机理、表面层强化的形成与可控机理、数控超精密高速内/外圆磨削装备

  四.轴承润滑与密封技术

  基础油的开发研究,添加剂的摩擦学机理研究,极压抗磨性能与抗氧化性能,添加剂对润滑脂流变及摩擦学性能的影响,纳米添加剂的自修复机理和复配规律

  润滑添加量、添加方式、补充间隔与周期对润滑脂流变、摩擦学性能的影响机理

  摩擦工况对纳米颗粒粒径的选择性及粒径分布的摩擦学增强效应

  应用中润滑通道的设计原理

  轴承自润滑方式研究

  五.轴承性能试验技术

  轴承动态预紧力及轴向刚度测试机制的设计和验证,对超高速轴承预紧力进行设计分析与调控,实现非均匀预紧和在线调控

  高速轴承的热力学平衡试验机制研究

  通过接触动态膜厚测量,预测润滑状态及效果,实现对轴承应用过程中的实时监控和寿命预测

  形变热处理工艺对轴承基体组织性能的改进技术研究

  参考文献

  [1]赵振业.先进轴承与抗疲劳制造[C].国际轴承峰会论文集,2010.

  [2]何加群.中国战略性新兴产业研究与发展.轴承[M].北京:机械工业出版社,2012.

  [3]中国机械工程学会.中国机械工程技术路线图[M].北京:中国科学技术出版社,2016.

  [4]高性能滚动轴承基础研究课题报告[R].西安:西安交通大学,2015.

 


(来源:轴承家园)




(网络配图)