何加群
(中國軸承工業(yè)協(xié)會,北京 100055)
習(xí)近平總書記多次強調(diào)“對國之大者要心中有數(shù)”。他指出“要時刻關(guān)注黨中央在關(guān)心什么,強調(diào)什么,深刻領(lǐng)會什么是黨和國家最重要的利益,最需要堅定維護的立場?!薄爸挥性?‘國之大者’中找準坐標,把工作放到‘國之大者’中思考,才能順勢而為、有所作為。相反,若是對‘國之大者’心中沒數(shù),只是強調(diào)個人或局部的‘想要’,而不去考慮‘國之大者’的‘需要’,不僅不可能有所作為,而且可能給大局和全局帶來影響和損失。在這個問題上,必須頭腦特別清醒?!?/p>
什么是“國之大者”,習(xí)近平總書記指出“黨中央關(guān)心的、強調(diào)的,就是‘國之大者’,即事關(guān)全局、事關(guān)根本、事關(guān)未來、事關(guān)黨和國家事業(yè)興衰成敗的大政方針和戰(zhàn)略部署?!?/p>
我們軸承企業(yè)面臨一系列“國之大者”,必須對“國之大者”心中有數(shù),在“國之大者”中找準坐標,其中一個需要我們高度關(guān)注的“國之大者”就是重大技術(shù)裝備軸承的自主安全可控。
黨和國家對重大技術(shù)裝備,包括重大技術(shù)裝備配套軸承的自主安全可控高度關(guān)注,近些年來陸續(xù)發(fā)布了一系列方針政策,見表1。
從國家歷次作出重大戰(zhàn)略決策的文件中可以發(fā)現(xiàn),國家重點發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域中的重大技術(shù)裝備都少不了以下幾項:
1)航空航天裝備;
2)先進軌道交通裝備;
3)高端機床裝備;
4)先進工程機械裝備;
5)海洋工程裝備;
6)清潔能源裝備;
7)先進農(nóng)業(yè)裝備;
8)高端醫(yī)療裝備。
以上幾項就是黨和國家高度關(guān)注的“國之大者”,黨和國家一再強調(diào)要重點發(fā)展關(guān)鍵領(lǐng)域的重大技術(shù)裝備,這需要大量的高端軸承進行配套,因此,我們應(yīng)在重大技術(shù)裝備配套軸承自主安全可控的“國之大者”中找準坐標。
“十三五”期間,我國軸承行業(yè)進行了大力度的重大技術(shù)裝備配套軸承和其他高端軸承的研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化,提高了為重大技術(shù)裝備配套的能力,具體情況見表2。
表1 國家關(guān)于重大技術(shù)裝備重點領(lǐng)域的規(guī)定
表2 “十三五”期間我國重大技術(shù)裝備配套軸承和其他高端軸承的開發(fā)情況
其中,洛陽軸承研究所有限公司為探月工程提供了多款關(guān)鍵軸承,包括:用于衛(wèi)星微波同軸開關(guān)的高精度、高靈敏、高真空固體潤滑軸承;用于光學(xué)掃描相機支承機構(gòu)及太陽帆板展開機構(gòu)的高精度、高真空固體潤滑軸承;用于火箭發(fā)動機渦輪泵的高速、低溫、重載自潤滑軸承等。同時承擔“嫦娥五號”月球采樣關(guān)鍵部件——鉆進機構(gòu)回轉(zhuǎn)軸系的研發(fā)與制作,助力我國探月工程重大科技專項三步走發(fā)展戰(zhàn)略畫上圓滿句號。
我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和制造強國戰(zhàn)略重點發(fā)展領(lǐng)域需要大量的高端軸承為重大技術(shù)裝備配套,軸承行業(yè)應(yīng)著力進行這些軸承的研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化,涉及到的具體領(lǐng)域及軸承類型見表3,其中需組織研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合攻關(guān)的重大技術(shù)裝備高端軸承標志性產(chǎn)品見表4。
表3 “十四五”期間我國重大技術(shù)裝備配套軸承和其他高端軸承的開發(fā)任務(wù)
表4 建議“十四五”聯(lián)合攻關(guān)的高端軸承標志性產(chǎn)品及相應(yīng)參與單位
表4 (續(xù))
由于主客觀等多方面的原因,我國為重大技術(shù)裝備配套的高端軸承的研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化步履艱難。但我們要不氣餒、不松勁,以守土有責、守土擔責、守土盡責的歷史擔當,矢志重大技術(shù)裝備軸承標志性產(chǎn)品的高端突破,賡續(xù)砥礪前行。
4.1.1 研發(fā)基礎(chǔ)
我國航空配套軸承工業(yè)從20世紀50年代中期開始起步,主要面向軍用飛機,大致經(jīng)歷了修理更換、測繪仿制、試制生產(chǎn)、批量(定型)生產(chǎn)、全面發(fā)展、行業(yè)調(diào)整、技術(shù)提高等發(fā)展階段。國內(nèi)航空軸承行業(yè)總體上形成了以“三廠一所一校”為主干力量的行業(yè)布局。近年來,又有一些企業(yè)進入了航空軸承領(lǐng)域,國內(nèi)航空軸承行業(yè)已基本具備了產(chǎn)品設(shè)計、研制開發(fā)、加工制造和試驗各類航空配套軸承的能力。近60年來,我國軸承行業(yè)先后研發(fā)生產(chǎn)了千余種、近一百萬套不同型號的航空發(fā)動機配套主軸軸承、飛機附件及發(fā)動機附件軸承,其他航空配套軸承。我國軸承行業(yè)研發(fā)民用航空發(fā)動機主軸軸承已具備了一定的基礎(chǔ)條件。
4.1.2 技術(shù)指標及典型產(chǎn)品
民用航空發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主軸軸承的典型產(chǎn)品及結(jié)構(gòu)如圖2所示,主軸軸承的技術(shù)指標要求為:dn值大于3.0×106mm·r/min,耐高溫 250~300 ℃,壽命 15 000 h以上。
1—風(fēng)扇;2—中壓壓氣機;3—高壓壓氣機;4—高壓渦輪;5—中壓渦輪;6—低壓渦輪;7,12—低壓軸承;8,11—中壓軸承;9,10—高壓軸承。
圖2 發(fā)動機主軸軸承結(jié)構(gòu)示意圖
4.1.3 關(guān)鍵技術(shù)
航空發(fā)動機主軸軸承是軸承產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠,其設(shè)計和制造技術(shù)涉及到軸承科技金字塔頂端的諸多硬科技,甚至黑科技,本文僅列出以下幾項:
1)進行包括熱分析、動態(tài)特性分析及熱彈流分析的軸承動力學(xué)分析并以此為基礎(chǔ)進行仿真設(shè)計;
2)進行包括疲勞壽命、磨損壽命、精度壽命、振動壽命、摩擦壽命的軸承綜合壽命研究;
3)對造成軸承早期失效的潛在失效因素和失效模式進行研究,采取對策,預(yù)防早期失效;
4)開發(fā)應(yīng)用新一代耐高溫400 ℃以上,接觸應(yīng)力2 400 MPa以上的軸承鋼;
5)推行以改善軸承應(yīng)力分布,降低最大接觸應(yīng)力,延緩表面和次表面裂紋源形成和疲勞裂紋擴張為要義的表面完整性制造和抗疲勞制造;
6)進行以降低摩擦力矩,提高耐磨性,減輕打滑損傷為目標的單元素或多元素離子注入等表面改性技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用;
7)進行小樣本、概率分布未知條件下的靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗的理論研究及試驗方法、試驗手段的研發(fā)應(yīng)用;
8)研發(fā)新一代模擬工況的軸承性能、耐久性和壽命試驗裝備及技術(shù)。
4.1.4 市場預(yù)測
我國民用飛機年產(chǎn)量及相應(yīng)的配套軸承需求量見表5,其中按每架飛機需配套軸承2 000套(發(fā)動機軸承900 套)計算,每架直升機需配套軸承1 500 套計算。
表5 我國民用飛機產(chǎn)量及相應(yīng)配套軸承需求量
據(jù)統(tǒng)計,2017年我國民用客機保有量3 250架,全球占比15%,預(yù)計2035年升至8 684架,全球占比19%。如此大的客機保有量,需要維修的軸承數(shù)量也很巨大。
4.1.5 小結(jié)
盡管與國外先進水平還有很大差距,我國軍用航空發(fā)動機主軸軸承已實現(xiàn)自主安全可控,民用航空發(fā)動機主軸軸承則全部靠進口,實現(xiàn)自主安全可控任重而道遠。
高速動車組軸承包括軸箱軸承、變速箱軸承和牽引電機軸承。本文討論其中價值最高、可靠性和安全性也要求最高的軸箱軸承。
4.2.1 軸箱軸承類型
我國高速動車組應(yīng)用的軸箱軸承有2類:1)SKF雙列圓柱滾子軸承(圖3);2)FAG,NSK,NTN的雙列圓錐滾子軸承(圖4)。
圖3 雙列圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式
圖4 雙列圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)形式
動車組技術(shù)來源和進口軸承的生產(chǎn)廠家見表6,各型動車組軸箱軸承基本信息見表7,至2020年,全國鐵路擁有動車組數(shù)量3 918標準組,共31 344輛。
表6 動車組技術(shù)來源和進口軸承的生產(chǎn)廠家
4.2.2 技術(shù)指標和關(guān)鍵技術(shù)
高速動車組軸箱軸承的技術(shù)指標見表4,其關(guān)鍵技術(shù)如下。
①軸承產(chǎn)品的仿真分析和數(shù)字化設(shè)計
采集并編制高速動車組軸承載荷譜,進行動力學(xué)仿真分析,產(chǎn)品數(shù)字化建模,產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(包括滾動體和滾道凸度修形,滾動體球基面與擋邊接觸狀態(tài),各工作表面硬度和粗糙度匹配等)。
表7 各型動車組軸箱軸承基本信息
②軸承鋼材的研發(fā)和制備
制訂高速動車組軸承鋼材標準并按標準研發(fā)、制備高速動車組軸承鋼材,提高對夾雜物和碳化物的含量、大小、形狀、分布狀況的控制水平。
③軸承滾子的研發(fā)和制備
研發(fā)配套高精度圓錐滾子和圓柱滾子的先進制造工藝和數(shù)字化裝備并形成生產(chǎn)能力。滾子圓度誤差、基準端面圓跳動、基準端面圓R值散差、規(guī)值批直徑變動量、規(guī)值批圓錐角變動量(僅圓錐滾子)、滾動表面粗糙度、基準端面粗糙度達到設(shè)計要求且有較大的精度儲備。
④軸承保持架的研發(fā)和制備
建立保持架穩(wěn)態(tài)分析模型和動力學(xué)分析模型,建立保持架運動方程和碰撞、沖擊振動方程,研究保持架設(shè)計參數(shù)對其轉(zhuǎn)動慣量、運動軌跡、運動穩(wěn)定性、碰撞和沖擊振動響應(yīng)的影響規(guī)律。通過以上分析確定合理的設(shè)計參數(shù),以保證保持架運動穩(wěn)定性和抗沖擊能力。
從力學(xué)性能、抗沖擊強度、吸水性、熔點、尺寸穩(wěn)定性等方面進行工程塑料保持架的材料應(yīng)用技術(shù)研究;制訂指導(dǎo)工程塑料保持架生產(chǎn)、檢驗、驗收及使用的規(guī)范和標準,形成工程塑料保持架的生產(chǎn)能力。
⑤軸承密封件的研發(fā)和制備
從拉伸強度、拉斷伸長率、熱空氣老化性能、硬度變化率、壓縮永久變形量、油脂相容性、尺寸穩(wěn)定性等方面研究密封件原料橡膠的配方、膠料制造工藝。
研發(fā)設(shè)計低摩擦力矩、防水防塵防漏脂、低溫升、利于潤滑脂循環(huán)潤滑的密封結(jié)構(gòu);同時研究橡膠的硫化粘接技術(shù)與金屬表面處理技術(shù),保證橡膠與金屬的粘接質(zhì)量,提高密封件的使用壽命。
制訂指導(dǎo)密封件生產(chǎn)、檢驗、驗收及使用的規(guī)范和標準,形成密封件的生產(chǎn)能力。
⑥軸承潤滑脂的研發(fā)和制備
在摩擦學(xué)研究的基礎(chǔ)上,研究軸承潤滑狀態(tài)、油膜厚度、接觸區(qū)域演化、摩擦磨損的動態(tài)發(fā)展行為規(guī)律,研發(fā)適用于高速動車組軸承的高效潤滑脂,保證軸承安全運行的潤滑條件。
形成高效潤滑脂生產(chǎn)、檢測和應(yīng)用的技術(shù)規(guī)范。完成軸承潤滑狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研發(fā)。形成高效潤滑脂的生產(chǎn)能力。
⑦組建示范生產(chǎn)線進行軸承樣品試制
組建示范生產(chǎn)線,生產(chǎn)足夠數(shù)量的用于檢驗、檢測、臺架試驗和裝車試驗的樣品。
⑧軸承臺架試驗
制訂耐久性試驗、防水密封試驗、防塵密封試驗和綜合性能試驗規(guī)范并進行相應(yīng)的性能試驗。
⑨軸承產(chǎn)品標準制訂
大力推動和積極參與有關(guān)高速動車組軸承的鐵路行業(yè)標準的制訂。
⑩軸承裝車試驗和應(yīng)用
由國鐵集團按其制訂的試驗規(guī)范進行裝車試驗,并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
4.2.3 市場分析
我國歷年高速動車組的生產(chǎn)數(shù)量見表8。預(yù)計今后若干年內(nèi),全國每年新造高速動車組300標準列左右,每標準列8輛,每輛裝用8套軸箱軸承,則需軸箱軸承8×8×300=19 200(套)。每年需大修同樣數(shù)量的車輛,即需換裝新軸承19 200套。則每年的軸箱軸承需求量為38 400套,每套國產(chǎn)軸承按6 000元計算,銷售額約23 040萬元。
4.2.4 政策支持
高速鐵路是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),是制造強國戰(zhàn)略的重點領(lǐng)域。國產(chǎn)高速動車組及配套軸承的開發(fā)應(yīng)用引起了國家有關(guān)部委的高度重視和社會各界的廣泛關(guān)注。十多年來,國家有關(guān)部委實施了一系列支持國產(chǎn)高速動車組軸承開發(fā)應(yīng)用的政策項目,見表9(據(jù)不完全統(tǒng)計,這些項目核定總投資近19億元)。
表8 我國高速動車組生產(chǎn)數(shù)量
表9 支持國產(chǎn)高速動車組軸承開發(fā)應(yīng)用的政策項目
4.2.5 高速動車組軸承自主化
由于國鐵集團對高鐵軸承國產(chǎn)化持慎重態(tài)度,軸承行業(yè)雖以“十年磨一劍”精神開發(fā)高鐵軸承,至今仍未達到國產(chǎn)化應(yīng)用,但我們?nèi)砸浂簧?,繼續(xù)推進高鐵軸承自主化進程。
4.3.1 數(shù)控機床軸承系統(tǒng)
數(shù)控機床軸承包括高速主軸-軸承系統(tǒng)(含電主軸軸承、動靜壓軸承)、直線導(dǎo)軌軸承、滾珠絲杠等功能部件(圖5—圖7)。
4.3.2 軸承類型及其圖示
成對組配或多聯(lián)組配角接觸球軸承如圖8所示,在應(yīng)用安裝時必須施加一定的預(yù)載荷。選擇適當?shù)念A(yù)載荷可以提高主軸系統(tǒng)剛性,降低溫升,改善系統(tǒng)加工精度。軸承預(yù)載荷通常分為輕(A)、中(B)、重(C)3檔,用戶可根據(jù)主軸系統(tǒng)的實際工況進行選擇。單、雙列圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)如圖9所示。雙向推力角接觸球軸承如圖10所示,通常要求SP等級公差,有需要時也可要求UP等級公差。
1—護套;2—前壓緊環(huán);3—前軸承;4—軸承座;5—后軸承;6—后鎖緊螺母;7—后端蓋;8—驅(qū)動帶輪;9—帶輪鎖緊螺母;10—編碼器帶輪;11—后緊定螺母;12—后壓蓋;13—后壓緊環(huán);14—后調(diào)整環(huán);15—前緊定螺母;16—角接觸軸承組;17—前調(diào)整環(huán);18—主軸。
圖6 高速電主軸-軸承系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖
圖7 滾珠絲杠與直線導(dǎo)軌軸承
圖8 機床主軸用角接觸球軸承的成組配對
圖9 單、雙列圓柱滾子軸承
圖10 雙向推力角接觸球軸承
4.3.3 關(guān)鍵技術(shù)指標
1)精度等級P2或P4;
2)精度壽命達30 000 h;
3)溫升小于20 ℃;
4)高速性能穩(wěn)定提高,dmn值2020年達到3.0×106mm·r/min,2025年達到4.0×106mm·r/min;
5)平均無故障時間(MTBF)由500 h提高到2 000 h;
6)氮化硅陶瓷球軸承采用熱等靜壓處理,達到抗彎強度不小于900 MPa,韋布爾模數(shù)不小于12,氣孔率不大于0.02%,壓碎載荷不小于50%,精度等級高于G5的要求。
4.3.4 市場分析
我國軸承行業(yè)生產(chǎn)機床軸承的企業(yè)有近百家,規(guī)模以上企業(yè)20余家。目前國產(chǎn)機床軸承以供應(yīng)維修市場為主,主要應(yīng)用于低端機床。高檔數(shù)控機床使用的精密軸承大部分依賴進口,該市場被國外的NTN,NSK,SKF等公司壟斷。
按照國家統(tǒng)計局和中國機床工具協(xié)會的統(tǒng)計,2019年全國共生產(chǎn)金屬切削機床420×104臺,機床軸承類型較多,在此僅以技術(shù)含量高,適用面廣,具有一定代表性的主軸軸承和絲杠軸承為例分析市場容量:每臺機床需配套主軸軸承4~6套,絲杠軸承4~8套,則每年新增機床共需配套主軸軸承252×104套,絲杠軸承336×104套;按機床折舊期為8年,主軸軸承使用壽命為0.5年,絲杠軸承使用壽命為2年計算,需要主軸軸承3 528×104套,絲杠軸承1 176×104套;綜合考慮新增機床市場和維修市場的需求,每年國內(nèi)機床軸承的市場規(guī)模為4 500×104套左右,銷售額約60~100億元。
4.3.5 自主化
目前,由于國產(chǎn)軸承的精度保持性和平均無故障時間與國外產(chǎn)品有較大差距,軸承成本在機床造價中占比很小,機床企業(yè)缺乏國產(chǎn)化的壓力和動力,不少機床終極用戶對國產(chǎn)軸承品牌不認可,要求機床制造時配置國外品牌軸承等原因,使高檔數(shù)控機床的全部軸承以及中檔數(shù)控機床的大部分軸承仍依賴進口。
因此,我們需要整合軸承行業(yè)幾十年來在數(shù)控機床軸承上的碎片化研發(fā)成果,在此基礎(chǔ)上將產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合,加大研發(fā)和工程化的力度,力爭在較短時間內(nèi)使軸承精度、性能、壽命和可靠性,特別是精度保持性和平均無故障時間達到國際先進水平。
4.4.1 軸承類型
減速器是工業(yè)機器人的核心部件,而軸承則是減速器的關(guān)鍵零件。工業(yè)機器人減速器有RV減速器、諧波減速器、擺線針輪減速器、行星減速器等,用量最大,技術(shù)水平最高的是RV減速器和諧波減速器,掌握了這2類減速器軸承的技術(shù),也就掌握了工業(yè)機器人減速器的最高技術(shù)。
如圖11所示,RV減速器軸承包括作為減速器主軸承的薄壁角接觸球軸承,用于偏心軸定位和主體支承的薄壁圓錐滾子軸承,用于擺線輪支承的圓柱滾子(滾針)保持架組件以及用于齒輪支承的薄壁深溝球軸承。
如圖12所示,諧波減速器軸承包括用于剛輪的薄壁交叉圓柱滾子軸承和用于柔輪的柔性軸承。
4.4.2 關(guān)鍵技術(shù)
工業(yè)機器人軸承的安裝空間有限,必須采用輕量化的薄壁軸承和異型軸承。另外,工業(yè)機器人的高載荷、高回轉(zhuǎn)精度、高運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、高定位速度、高重復(fù)定位精度、長壽命、高可靠性的性能要求配套軸承也必須具備高承載能力、高精度、高剛度、低摩擦力矩、長壽命、高可靠性的性能。輕量化與高性能之間相互矛盾,必須進行綜合考慮:
1)在產(chǎn)品設(shè)計方面,不單以額定動載荷為目標函數(shù),而是以額定動載荷、剛度和摩擦力矩等多項指標作為目標函數(shù),進行多目標優(yōu)化設(shè)計,同時采用基于套圈變形的薄壁軸承有限元分析方法。
2)在制造工藝和裝備方面,研發(fā)應(yīng)用易變形、難裝卡、難加工的薄壁軸承,以及異型軸承的套圈鍛造、車加工、熱處理、磨加工、超精加工和裝配的特種加工工藝和工藝裝備;開發(fā)機器人軸承動態(tài)質(zhì)量高精度檢測技術(shù),基于磨削變質(zhì)層控制的軸承套圈精磨加工工藝,薄壁軸承套圈微變形熱處理工藝;研發(fā)薄壁軸承負游隙和凸出量精確控制技術(shù)、精密裝配技術(shù)和套圈非接觸測量技術(shù)。
圖11 RV減速器軸承
圖12 諧波減速器軸承
4.4.3 市場分析
從全球市場角度來看,歐洲和日本是工業(yè)機器人主要供應(yīng)商,ABB、庫卡(KUKA)、發(fā)那科(FANUC)、安川電機(YASHAWA)占據(jù)工業(yè)機器人的主要市場份額,約占全球市場份額的50%。機器人減速器70%以上市場份額由日本納博特斯克(Nabtesco,生產(chǎn)RV減速器)和哈默納科(Harmonic drive,生產(chǎn)諧波減速器)壟斷。由表10可知,我國工業(yè)機器人市場及國產(chǎn)工業(yè)機器人銷量處于高速發(fā)展階段:2014年全國工業(yè)機器人銷售5.7×104臺,國產(chǎn)工業(yè)機器人銷售1.7×104臺,占比29.8%;2016年全國工業(yè)機器人銷售8.9×104臺,國產(chǎn)工業(yè)機器人銷售2.9×104臺,占比32.6%;2020年全國工業(yè)機器人銷售23.7×104臺,國產(chǎn)工業(yè)機器人銷售8.3×104臺,占比35%。
預(yù)計2021—2025年,全國工業(yè)機器人總需求量年均遞增15%,2025年達47×104臺,國產(chǎn)工業(yè)機器人將以年均遞增20%的較快速度發(fā)展,2025年達20×104臺。
表10 我國工業(yè)機器人的銷量
以6軸工業(yè)機器人為例進行分析,其需配套4個RV減速器和2個諧波減速器,則配套軸承數(shù)量為66套(表11),價值約6 000元。2020年全國工業(yè)機器人需求約23.7×104套,需配套軸承1 564×104套、價值14億元,其中國產(chǎn)工業(yè)機器人8.3×104臺,需配套軸承548×104套、價值5億元;2025年全國工業(yè)機器人需求47×104臺,需配套軸承3 100×104套、價值28億元,其中國產(chǎn)工業(yè)機器人20×104臺,需配套軸承1 320×104套、價值12億元。
表11 工業(yè)機器人減速器配套軸承種類及數(shù)量
4.5.1 軸承類型
盾構(gòu)機是集機械、電氣、液壓、光學(xué)、力學(xué)、氣動、傳感、信息、導(dǎo)向為一體,能夠完成掘進、支護、出渣等施工工序并進行連續(xù)作業(yè)的工廠化流水線式作業(yè)的隧道施工裝備,被譽為“工程機械之王”,是衡量一個國家裝備制造業(yè)水平的重大關(guān)鍵裝備。隨著我國城市地鐵、鐵路隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃氣管道工程、排污管道工程、供熱供冷管道工程、電纜管道工程盾構(gòu)法施工的全面鋪開,盾構(gòu)機市場總需求呈快速增長趨勢,也給盾構(gòu)機軸承帶來廣闊的市場。
刀盤是盾構(gòu)機的關(guān)鍵部件,在隧道掘進過程中發(fā)揮著重要作用。刀盤系統(tǒng)中的主軸承是傳遞掘進動力和運動的核心零件,在工作中承受著巨大的軸向力、傾覆力矩和一定的徑向力,其性能、壽命和可靠性直接影響盾構(gòu)機的施工進度、安全和掘進里程。小尺寸盾構(gòu)機主軸承通常采用四點接觸球和交叉圓柱滾子結(jié)構(gòu),個別有雙列圓錐滾子結(jié)構(gòu)。量大面廣的盾構(gòu)機主軸承主要有三排三列圓柱滾子組合軸承和三排四列圓柱滾子組合軸承,其中最常用的三排三列圓柱滾子組合軸承可分為內(nèi)齒式(圖13)和外齒式(圖14)。
圖13 土壓平衡盾構(gòu)機內(nèi)齒式主軸承
圖14 泥水平衡盾構(gòu)機外齒式主軸承
盾構(gòu)機主軸承的功能主要是支承及傳遞運動與載荷,然而由于盾構(gòu)機轉(zhuǎn)速極低,載荷極大且不可準確預(yù)測,可靠性要求極高,使盾構(gòu)機主軸承承擔著極大的風(fēng)險,也對其設(shè)計制造提出了苛刻的要求。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性,盾構(gòu)機掘進阻力的大小、方向可能劇烈變化,盾構(gòu)機主軸承常常工作在沖擊、偏載等極端工況下,對軸承的材料和熱處理、結(jié)構(gòu)、剛度、強度、壽命和可靠性等技術(shù)指標要求嚴苛。另外,還要求盾構(gòu)機主軸承安裝部位有可靠的密封,軸承內(nèi)部有良好的潤滑,相關(guān)密封結(jié)構(gòu)和潤滑劑均需特殊設(shè)計以滿足苛刻的環(huán)境工況。
4.5.2 技術(shù)指標和關(guān)鍵技術(shù)
盾構(gòu)機主軸承的技術(shù)指標見表4,其關(guān)鍵技術(shù)如下。
①設(shè)計技術(shù)
建立覆蓋典型地質(zhì)條件的工況數(shù)據(jù)庫,制定滿足靜強度分析、動力學(xué)分析、可靠度預(yù)測、性能和壽命試驗所必需的定常和非定常動態(tài)載荷譜、特殊工況下的極限載荷譜等。
完成盾構(gòu)機主軸承失效數(shù)據(jù)搜集和分析,編制典型工況條件下的失效圖譜。
開展低速、重載、沖擊條件下盾構(gòu)機主軸承的潤滑理論及摩擦學(xué)研究,定常和非定常動態(tài)工況下主軸承的接觸力學(xué)和動力學(xué)特征研究并形成相應(yīng)的設(shè)計理論。
進行盾構(gòu)機主軸承可靠性理論研究,建立不同地質(zhì)和掘進工況條件下主軸承的可靠性理論與剩余壽命預(yù)估技術(shù)。
開展盾構(gòu)機主軸承強度、剛度及壽命設(shè)計理論研究,主參數(shù)、滾子和滾道的理想凸度、軸承游隙、密封結(jié)構(gòu)、保持架等零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,以及性能仿真與壽命預(yù)測軟件的開發(fā)。
②控形控性制造技術(shù)
制定盾構(gòu)機主軸承專用的鋼材質(zhì)量控制標準,建立鋼材質(zhì)量控制系統(tǒng),實現(xiàn)“四化”要求,即成份設(shè)計智能化、內(nèi)在質(zhì)量高純化、生產(chǎn)過程自動化和冶金質(zhì)量一致化。
開展精密熱處理技術(shù)研究,開發(fā)3個滾道同時淬火的無軟帶熱處理工藝和齒輪淬火工藝,研制專用數(shù)控熱處理設(shè)備和工裝,提高淬火質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性;開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料性能模擬軟件,動態(tài)在線控制及檢測技術(shù)和表面改性技術(shù)。
全面掌握盾構(gòu)機主軸承零件精密加工技術(shù),開發(fā)滾道硬車工藝、CBN等超硬刀具制造技術(shù)。
全面掌握盾構(gòu)機主軸承潤滑與密封系統(tǒng)的設(shè)計制造技術(shù)。
全面掌握盾構(gòu)機主軸承再制造技術(shù),制定主軸承再制造質(zhì)量標準。
③質(zhì)量控制與健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)
制定盾構(gòu)機主軸承產(chǎn)品標準,嚴格規(guī)定基本參數(shù)、材料、熱處理、內(nèi)在和表面質(zhì)量等技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)則。
開發(fā)盾構(gòu)機主軸承無損檢測技術(shù),制定無損檢測技術(shù)規(guī)范。
研制內(nèi)嵌式超微型傳感器,開發(fā)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件。
研制盾構(gòu)機主軸承試驗臺,考核啟動摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性等性能,形成盾構(gòu)機主軸承試驗規(guī)范。
4.5.3 市場需求
全球已累計生產(chǎn)盾構(gòu)機超過10 000臺,保有量達5 000多臺,年需求量300~500臺。目前,我國已成為世界上生產(chǎn)和使用盾構(gòu)機最多的國家,每年需求量約400臺(其中國產(chǎn)約300臺)。另外,國內(nèi)在役的盾構(gòu)機約1 800余臺,這些盾構(gòu)機主軸承超過設(shè)計壽命后均需要維修和更換。按上述數(shù)據(jù)粗略估計,盾構(gòu)機主軸承的年需求量達400套、約12億元。
4.5.4 自主化
經(jīng)過艱苦努力,我國已實現(xiàn)盾構(gòu)機國產(chǎn)化并向國外出口,但盾構(gòu)機主軸承仍全部依賴進口,主要采用ROTHE ERDE,SKF,ROBALLO,KOYO,IMO等幾家公司的產(chǎn)品。國家科技部從2007年開始布局盾構(gòu)機主軸承的國產(chǎn)化研發(fā),經(jīng)過十多年的努力,盾構(gòu)機主軸承的研發(fā)已具備一定基礎(chǔ)。洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團聯(lián)合攻關(guān)研制的國內(nèi)首套φ6.28 m盾構(gòu)機主軸承已于2016年9月下線并應(yīng)用于合肥地鐵3號線的盾構(gòu)施工,至2018年3月,經(jīng)過一年多的施工應(yīng)用,累計掘進里程2 369.65 m,順利完成標段工程。2019年1月14日,洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團合作研制的φ11 m盾構(gòu)機主軸承下線并成功應(yīng)用于舟山海底隧道的施工。2021年年初,中交天和機械設(shè)備有限公司自主研發(fā)制造的我國最大直徑(16.07 m)泥水平衡盾構(gòu)機“運河號”下線,其裝配了洛陽軸承研究所有限公司開發(fā)的特大型管片拼裝機轉(zhuǎn)盤軸承。
盾構(gòu)機主軸承是可靠性、安全性要求極高的產(chǎn)品,其自主化任重而道遠,需要花真功夫,下大力氣,產(chǎn)學(xué)研用緊密合作,積極慎重地推進盾構(gòu)機主軸承的研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化,最終實現(xiàn)自主安全可控的目標。
4.6.1 我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況
2006年起,我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)“井噴式”發(fā)展,截至2020年,全國(除港澳臺地區(qū)外)累計裝機超15×104臺,累計裝機容量超2.9×109kW。因政策和消納能力的影響,我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在此期間二次起落,目前又進入了高速發(fā)展階段(表12)。
從產(chǎn)業(yè)布局上看:我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從集中式開發(fā)向分散式開發(fā)發(fā)展;從“三北”(西北、華北、東北)向中部、東部、南部發(fā)展;向“二?!?海上、海外)發(fā)展。
從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上看:平均單機容量逐年增大,已由2010年的1 000 kW以下增大到2017年的2 100 kW,2020年的2 668 kW,目前還在繼續(xù)增大;主流機型為陸上2.5~3.0 MW,海上4~5 MW;雙饋型和直驅(qū)型并存,直驅(qū)型的占比逐步增大。
表12 2008—2018年全國風(fēng)電新增和累計裝機容量
2020年因政策因素導(dǎo)致的搶裝潮過后,風(fēng)電軸承的需求不會下降很多,而是趨于平穩(wěn),主要是由于海上風(fēng)機的需求逐步增加,而且前期風(fēng)場已達20年的壽命期限,需要更新?lián)Q代。按照國家確定的2030年碳達峰、2060年碳中和的“30·60雙碳目標”,要求2030年非化石能源在總能源中占比達到25%,光伏和風(fēng)電要新增裝機容量不小于10×109kW,平均每年新增裝機容量約1×109kW,其中風(fēng)電平均每年新增裝機容量約0.5×109kW,是以往正常年份平均值的1倍以上。
4.6.2 風(fēng)電機組軸承類型
風(fēng)電機組軸承主要包括偏航軸承、變槳軸承、主軸軸承、增速器軸承、發(fā)電機軸承(圖15)。其中,偏航軸承、變槳軸承和2.5 MW以下主軸軸承已國產(chǎn)化。各種功率的增速器軸承、發(fā)電機軸承,2.5 MW以上主軸軸承則主要靠進口,亟待自主化。
圖15 風(fēng)電機組軸承示意圖
①偏航、變槳軸承
如圖16所示,偏航軸承安裝于塔筒頂端、機倉底部,承載風(fēng)機主傳動系統(tǒng)的全部重量,用于準確適時地調(diào)整風(fēng)機迎風(fēng)方向。變槳軸承將槳葉與輪轂結(jié)合在一起,根據(jù)風(fēng)向調(diào)整槳葉迎風(fēng)角度使其達最佳狀態(tài)。偏航、變槳軸承要有足夠的強度和承受軸向力、徑向力、傾覆力矩聯(lián)合作用的能力,要求運行平穩(wěn),啟動力矩小,潤滑、防腐及密封性能好。
圖16 風(fēng)電機組偏航、變槳軸承結(jié)構(gòu)示意圖
偏航、變槳軸承為特大型轉(zhuǎn)盤軸承,外徑約0.5~4.5 m,重0.5~6.0 t。偏航軸承的結(jié)構(gòu)形式主要有單列四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式、外齒式)和雙列四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式、外齒式)2種;變槳軸承多采用雙列同徑四點接觸球轉(zhuǎn)盤軸承(無齒式、內(nèi)齒式)。
近年來,隨著風(fēng)電機組單機容量的不斷增大,暴露出包括軸承在內(nèi)的變槳系統(tǒng)剛性和承載能力不足的問題。需要以提高剛性和承載能力為要義,改進變槳系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計,其中,變槳軸承已證實的一項有效措施就是以滾子軸承取代球軸承。目前,國外取代率已達30%,國內(nèi)取代率約15%,需加大取代的力度。
②主軸軸承
風(fēng)電機組的主軸起著支承輪轂及葉片,傳遞扭矩到增速器的作用,主軸軸承(圖17)是風(fēng)電機組主傳動鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,不僅要承受風(fēng)力載荷,還要承受主軸、增速器的重力載荷,工況復(fù)雜。根據(jù)風(fēng)電機組的單機功率、整體結(jié)構(gòu)、工況、制造成本、安裝工藝等因素,主軸軸承需采用不同配置:
圖17 風(fēng)電機組主軸軸承結(jié)構(gòu)示意圖
1)三點式支承,采用一個調(diào)心滾子軸承,與增速器兩邊的彈性支承形成三點式支承,應(yīng)用于低兆瓦級風(fēng)電機組。
2)二點式支承,有調(diào)心滾子軸承+調(diào)心滾子軸承,單列圓錐滾子軸承+單列圓錐滾子軸承,圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承,GARB軸承+調(diào)心滾子軸承4種配置,應(yīng)用于中等兆瓦級風(fēng)電機組。
3)單點式支承,大多采用大錐角雙列圓錐滾子軸承,亦有采用三排圓柱滾子軸承,應(yīng)用于大兆瓦風(fēng)電機組。
近年來,大兆瓦風(fēng)電機組主軸軸承事故頻發(fā),初步分析原因是風(fēng)電機組主軸系統(tǒng)和選用的主軸軸承均存在剛性和承載能力不足的問題,風(fēng)能和軸承業(yè)界正密切配合,努力解決此問題。
在甘肅2個風(fēng)電場和湖南某風(fēng)電場使用的230臺2 MW電勵磁風(fēng)電機組,主軸系統(tǒng)裝用某跨國軸承公司生產(chǎn)的雙列圓錐滾子軸承,軸承保持架斷裂導(dǎo)致軸承抱死的事故頻發(fā),更換該公司多方改進的軸承175臺次均未解決問題,換裝某國產(chǎn)加強型三排圓柱滾子軸承后,風(fēng)電機組才得以正常運行。
③增速器軸承
由于風(fēng)電機組主軸的轉(zhuǎn)速較低,需要增速器進行增速以達到發(fā)電所需轉(zhuǎn)速。如圖18所示,增速器通常采用三級變速齒輪傳動,輸入端為一級行星輪傳動,中間軸及輸出軸采用二級平行軸傳動。風(fēng)電機組增速器是大傳動比的齒輪箱,由于承受的扭矩和轉(zhuǎn)速波動范圍大,傳輸負載易突變,箱體重量與安裝空間有限制,安裝平臺存在柔性變形等因素,其與傳統(tǒng)重載工業(yè)齒輪箱的應(yīng)用環(huán)境相去甚遠。
圖18 風(fēng)電機組增速器結(jié)構(gòu)示意圖
增速器配套軸承的類型見表13,各軸承的結(jié)構(gòu)如圖19所示。風(fēng)電機組增速器的故障80%起源于有缺陷的軸承,因此,對增速器及其配套軸承的可靠性研究已成為風(fēng)能業(yè)界的難點、重點,軸承企業(yè)也應(yīng)密切關(guān)注并跟進一些前沿技術(shù)。目前,風(fēng)能業(yè)界正在進行懸浮類軸承應(yīng)用于增速器的探索研究,軸承企業(yè)應(yīng)積極支持和參與。
表13 風(fēng)電機組增速器配套軸承的類型
圖19 風(fēng)電機組增速器軸承結(jié)構(gòu)示意圖
④發(fā)電機軸承
如圖20所示,風(fēng)電機組發(fā)電機軸承的組配形式較多,最常用的是深溝球軸承與圓柱滾子軸承的組配形式,圓柱滾子軸承用于承受較大的徑向載荷,深溝球軸承則承受一定的軸向載荷。
圖20 發(fā)電機軸承結(jié)構(gòu)示意圖
4.6.3 關(guān)鍵技術(shù)
在我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)“井噴式”發(fā)展時,我國軸承產(chǎn)業(yè)倉促上陣,沒有經(jīng)過充分研發(fā)和工程化,2.5 MW以下風(fēng)電機組的偏航、變槳軸承和主軸軸承就進入了產(chǎn)業(yè)化和大批量供貨,留下很多隱患。現(xiàn)在必須進行研發(fā)、工程化補課,重點關(guān)注以下關(guān)鍵技術(shù):
1)在大量數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上構(gòu)建風(fēng)電機組軸承載荷譜;
2)建立軸承產(chǎn)品數(shù)字化模型,進行數(shù)字化仿真分析和設(shè)計;
3)對于國外和國產(chǎn)的主軸軸承、變槳軸承早期故障頻發(fā)問題,在充分失效分析的基礎(chǔ)上進行這2類軸承的重新選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計;
4)探索增速器應(yīng)用懸浮類軸承的技術(shù)可行性;
5)對42CrMo材料進行合金成分優(yōu)化(如增加Ni),提高42CrMo軸承套圈熱處理的淬硬性和淬透性;
6)研發(fā)應(yīng)用表面強化處理技術(shù),防止打滑損傷軸承滾動面;
7)研發(fā)應(yīng)用淬硬性、淬透性達技術(shù)要求的3個滾道同時淬火的無軟帶表面熱處理技術(shù)和裝備;
8)解決齒輪淬火齒根產(chǎn)生裂紋的問題;
9)對激光相變硬化技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電機組軸承熱處理的可行性進行深入研究;
10)研究2.5 MW以上風(fēng)電機組主軸軸承用42CrMo(優(yōu)化合金成分,無軟帶表面淬火)取代滲碳鋼制造的技術(shù)可行性;
11)著力推進產(chǎn)品智能化(研發(fā)遠程自動監(jiān)測運行狀態(tài)的傳感器軸承,進而研發(fā)遠程自動監(jiān)測、自動調(diào)控運行狀態(tài)的智能軸承)和制造過程智能化(循數(shù)字化→網(wǎng)絡(luò)化→智能化的路徑)。
4.6.4 市場分析
按每年新增裝機容量0.5×109kW,平均單機容量3 MW計算,每年新增風(fēng)電機組約17 000臺。每臺風(fēng)電機組包含4套偏航、變槳軸承,1套主軸軸承,20套增速器軸承,2套發(fā)電機軸承,則每年需配套風(fēng)電機組軸承425 000套。按每臺風(fēng)電機組軸承120萬元的價格計算,則每年風(fēng)電機組軸承銷售額為200多億元。
4.6.5 自主化
目前,偏航、變槳軸承和2.5 MW及以下風(fēng)電機組主軸軸承已國產(chǎn)化,2.5 MW以上風(fēng)電機組主軸軸承的研發(fā)也已取得積極進展且有多項創(chuàng)新,需進一步大力推進。各種功率的增速器和發(fā)電機軸承的研發(fā)則剛剛起步,仍需要很大努力才能取得突破性進展。
4.7.1 醫(yī)療器械軸承概述
高性能醫(yī)療器械主要包括醫(yī)療檢測與試驗分析,手術(shù)及服務(wù)器械與機器人等。目前應(yīng)用最廣泛的是大型醫(yī)療器械中的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備,包括醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備和醫(yī)學(xué)影像治療設(shè)備。以CT機為例研究醫(yī)療器械軸承的結(jié)構(gòu)、性能與技術(shù)要求。
醫(yī)用CT機主軸承應(yīng)用于固定CT機架和旋轉(zhuǎn)掃描部分之間的連接部位,是CT機旋轉(zhuǎn)掃描部分的關(guān)鍵部件,作用是傳遞并承受X線管、準直儀、探測器、滑環(huán)等裝置產(chǎn)生的軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩,需滿足CT機較高轉(zhuǎn)速、低噪聲、高精度、低振動和長壽命的使用要求。
4.7.2 CT機主軸承的種類
CT機主軸承主要有鋼絲滾道軸承(圖21)、等截面薄壁軸承(圖22)、空氣軸承或其他先進結(jié)構(gòu)軸承、主旋轉(zhuǎn)軸承等4類。其中,空氣軸承為懸浮類結(jié)構(gòu),主要用在第4代CT機上,目前尚在完善階段。
1,8—內(nèi)圈;2—鋼球;3,5—鋼絲滾道;4—外圈; 6—彈性襯墊;7—保持架。
1—外圈壓板螺釘;2—外圈壓板;3—外圈;4—鋼球;5—軸承座; 6—內(nèi)圈壓板;7—內(nèi)圈壓板螺釘;8—保持架;9—內(nèi)圈;10—CT機主軸。
洛陽LYC軸承有限公司針對國外鑲嵌式結(jié)構(gòu)軸承存在著零件加工難度大,生產(chǎn)成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題,研制出一種全新結(jié)構(gòu)的CT機主旋轉(zhuǎn)軸承(圖23),達到了簡化工藝,降低成本和提高可靠性的效果。該軸承能夠滿足第3代CT機主軸承的使用要求,整體性能達到國際先進水平。
4.7.3 CT機主軸承關(guān)鍵技術(shù)
①鋼絲滾道軸承
1)鋼絲滾道軸承特性的接觸力學(xué)分析、失效機理、壽命評估與計算的理論依據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù);
1—外圈;2—連接螺釘;3,6—內(nèi)圈;4—保持架;5—鋼球。
2)失效機理研究需要的大量數(shù)據(jù)及長期的失效分析積累;
3)研究軸承服役壽命的評估與計算方法,建立數(shù)據(jù)仿真分析的物理模型及數(shù)學(xué)模型;
4)開發(fā)鋼絲滾道的熱處理和機加工技術(shù);
5)在考慮原理與設(shè)計,制造過程的技術(shù)水平和服役運行的維護保養(yǎng)等因素的基礎(chǔ)上,研究確保精準診斷的運轉(zhuǎn)噪聲控制技術(shù);
6)影響CT機運轉(zhuǎn)剛性的軸承游隙調(diào)整和裝配技術(shù)。
②等截面薄壁軸承
1)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù);
2)加工技術(shù);
3)精密裝配技術(shù);
4)保持架結(jié)構(gòu)與材料研究;
5)密封結(jié)構(gòu)研究;
6)潤滑劑研制;
7)套圈的非接觸測量技術(shù);
8)軸承綜合性能評價技術(shù)。
4.7.4 CT機主軸承的市場需求
2020年全球CT機產(chǎn)銷量為11 000臺,每臺需配1套主軸承,洛陽LYC軸承有限公司CT機主軸承全球市場份額約10%。由于國產(chǎn)CT機主軸承進入市場,CT機主軸承國內(nèi)售價已由每套3.5萬元降為1.5萬元。
醫(yī)用CT機配套軸承還將較長時期保持鋼絲滾道和等截面薄壁這2種結(jié)構(gòu)型式,更優(yōu)秀的替代產(chǎn)品(氣懸浮結(jié)構(gòu))還不夠成熟。
重大技術(shù)裝備軸承的自主安全可控是國家重視、社會關(guān)注的“國之大者”,是我國軸承行業(yè)的第一要務(wù)。進入“十四五”的我國軸承行業(yè),應(yīng)心懷國之大者,矢志高端突破,賡續(xù)砥礪前行,充分運用國家支持政策,與應(yīng)用軸承的主機行業(yè)協(xié)同攻關(guān),以重大技術(shù)裝備軸承標志性產(chǎn)品研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化為突破口,促進我國重大技術(shù)裝備軸承加快實現(xiàn)自主安全可控,為早日建成世界制造業(yè)強國作出貢獻。