世界軸承發(fā)展史(二) # t/ L& F, S" z' h4 g" [
& X: k; a& K2 Y/ O+ z9 S8 g 1,、主要技術(shù)與經(jīng)濟指標 . K0 T! ^: F( X" X/ `% B7 ?# V9 _
盡管軸承只作為各種主機支承元件,但由于品種繁多,、加工精密、尺寸范圍大,,所以軸承工業(yè)是機械工業(yè)中一種特殊的獨立產(chǎn)業(yè),,并已形成了完整的工業(yè)體系。到目前為止,,全世界已生產(chǎn)軸承品種5萬種以上,,規(guī)格多達15萬種以上。最小的軸承內(nèi)徑已小到0.15~1.0mm,,重量為0.003g,,最大的軸承外徑達40m,重340t,。1997年世界軸承總產(chǎn)量超過100億套,,總銷售額約300億美元,其中北美,、日本,、西歐占世界軸承產(chǎn)量的78%,美國,、日本,、德國已形成世界三大軸承市場。一些世界著名的軸承公司,如瑞典的SKF公司,、德國的FAG公司,、日本的NSK公司、美國的TORRINGTON公司等,,在世界500家大公司中均榜上有名,。(據(jù)美國《幸福》雜志1994年報道,,在世界500家大企業(yè)中,,SKF排387位、NSK排404位,、TORRINGTON公司的母公司英格索爾·蘭德公司排在369位),。 " r, Y" }2 k! Y; `6 q+ L
2、產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)水平 % C0 B, ~* g7 S9 J+ d* S8 Z( p9 u
軸承的整體技術(shù)水平,,在近30年來取得了令人矚目的進步,。高精度、高轉(zhuǎn)速,、高可靠性,、長壽命、免維護保養(yǎng)以及標準化,、單元化,、通用化已成為軸承的基本技術(shù)標志。特別在軸承基礎(chǔ)技術(shù)進步,、通用產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進,、專用軸承單元化和陶瓷軸承的開發(fā)等方面成效最為顯著。
. _4 g8 d* o5 Z( g- G& u% j8 N (1)基礎(chǔ)理論
; u$ j7 S% ]8 v- g9 n0 Y 軸承基礎(chǔ)理論主要指壽命理論,、額定靜載荷和極限轉(zhuǎn)速等有關(guān)的理論,。
5 L, {0 G, y& _/ V# N4 h 百余年來軸承壽命理論的研究經(jīng)歷了四個階段:第一階段是1945年以前的Stribeek的載荷分布理論,第二階段是1945~1960年間Lundberg和Palmgren軸承疲勞失效理論,,第三階段是1960~1980年間的壽命修正理論,,第四階段是1980~1998年間以Loannides和Harris為代表的新壽命理論。1962年,,國際標準化組織ISO將經(jīng)典的L-P公式作為軸承額定動載荷與壽命計算方法標準列入ISO/R281中,。近年來,由于材料技術(shù),、加工技術(shù),、潤滑技術(shù)的進步和使用條件的精確化,使軸承壽命有較大提高,,ISO適時地給出了含有可靠性,、材料、運轉(zhuǎn)條件和性能等修正系數(shù)的壽命計算公式。八十年代以來Harris等學(xué)者在大量試驗的基礎(chǔ)上提出接觸疲勞極限的新理論,,將壽命理論又向前推進了一步,,使軸承壽命計算方法不斷完善。
. T2 q7 [* U$ X L, n$ r, F; N" q 允許軸承發(fā)生相當于萬分之一滾動體直徑的永久變形,,一直是ISO額定靜載荷標準的基礎(chǔ)。最新的額定靜載荷理論的貢獻是給出了對應(yīng)于這個永久變形的各類軸承的最大滾動體接觸應(yīng)力,。
% w' F( y% G. j* K 軸承極限轉(zhuǎn)速研究也取得了新進展,。當前世界上較有影響的軸承公司如瑞典的SKF、德國INA,、FAG,、日本NTN等公司對極限轉(zhuǎn)速的定義、限定范圍與使用條件都作出了較科學(xué)的規(guī)定,,使極限轉(zhuǎn)速的研究更加深入,。 & E/ ?8 w+ F0 u6 r; G
(2)設(shè)計理論
& V" J8 D) u& s( ]" @ 傳統(tǒng)的軸承設(shè)計以其應(yīng)用的理論和方法而言,多采用靜力學(xué)和擬靜力學(xué)設(shè)計方法,。近五十年來,,軸承設(shè)計理論有很大發(fā)展,,先后提出和應(yīng)用了有限差分法,、有限元法,、動力學(xué)及擬動力學(xué)、彈性流體動力潤滑理論,有力地促進了軸承產(chǎn)品設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)的研究與發(fā)展,。與此相適應(yīng),電子計算機輔助設(shè)計(CAD)已在各國軸承設(shè)計計算中廣泛應(yīng)用,,從而把軸承設(shè)計計算推向了一個新階段,。
+ E# ]. A+ ^+ N* f+ l* _ (3)通用軸承的結(jié)構(gòu)改進 7 S/ f2 N3 d/ Q
量大面廣的通用軸承產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)一直圍繞著提高軸承載荷、延長使用壽命,、增加強度與剛性,、減少摩擦磨損、降低噪聲,、減小體積、減輕重量、采用新材料及免除維護保養(yǎng)作為不懈努力的目標,。經(jīng)過近三十年的努力,,國外通用軸承已全部實現(xiàn)了更新?lián)Q代,形成了新一代的加強型產(chǎn)品,。通用軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進,,主要通過減小套圈壁厚、加大滾動體直徑與長度,、采用對數(shù)母線凸度滾子,、改變保持架結(jié)構(gòu)與參數(shù)、改變引導(dǎo)方式,、增充軸承內(nèi)密封及改善檔邊接觸來實現(xiàn),。 5 y7 ~2 `# t; Z
(4)軸承產(chǎn)品技術(shù) * z+ l5 N1 \3 Z
國外軸承產(chǎn)品的發(fā)展當今具有五個顯著的特征: " ^+ t/ {9 l) B& t+ d' M3 M2 y
A、堅持產(chǎn)品的“三化”方向,,以最少的品種滿足不同產(chǎn)業(yè)的多樣化需求,,并有利于產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn),。
, M8 ?: n, W) a F7 r# v B,、產(chǎn)品向輕量化、功能組件化,、單元化,、智能化發(fā)展,以滿足主機產(chǎn)品更新?lián)Q代要求,。
; y- a& ~' E! y8 z9 }" e8 T9 y C,、產(chǎn)品向高速度、高精度,、高可靠性,、低摩擦、低振動,、低噪聲發(fā)展,。
* w* {' L8 E" R* K D、采用和發(fā)展了計算機輔助設(shè)計(CAD),、計算機輔助制造(CAM)以及計算機集成制造系統(tǒng)/信息管理系統(tǒng)(CIMS/IMS)技術(shù),。 $ J0 S# d" i. b. [7 C6 N9 U. T1 j( w
E、在軸承產(chǎn)品上采用現(xiàn)代高新技術(shù),,如新鋼種,、新型工程陶瓷材料、表面改性技術(shù)及新的設(shè)計理論等,,以發(fā)展軸承可靠性技術(shù),。
4 L4 q# d9 N# o1 | 上述五個特征具體表現(xiàn)在如下幾個方面: d1 v) o4 _* V% o
技術(shù)標準:國際標準化組織滾動軸承第四委員會(ISO/TC4)現(xiàn)頒布正式軸承標準44項,、技術(shù)報告3項,世界各國都等同,、等效采用國際標準,,確保軸承“三化”水平。
3 d1 r3 p& ?/ y9 c, y5 a9 c 軸承精度:國外在八十年代就提出了“集中裝配設(shè)計”的概念,,即通過軸承在設(shè)計和工藝階段的相關(guān)公差設(shè)計,,使之控制在一定的公差范圍內(nèi),經(jīng)過最少組別的選配,,就可實現(xiàn)批量化集中裝配,,裝配后的軸承游隙,裝配高等均完全符合標準要求,。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)國外名牌產(chǎn)品的尺寸精度一致性較好,,基本集中在公差帶的某一 0 D( Y8 O& }" Z3 G" _
范圍內(nèi),且離散度較小,。如國外精密機床主軸軸承的軸,、徑向跳動在0.5μm以下;薄板軋機工作輥軸承可保證思輥徑向擺動量在板厚的3%以下,;日本NMB公司研制成功的硬磁盤驅(qū)動器高精度小型整體球軸承的重復(fù)精度在0.1μm以下,。
& f0 @7 Z6 W K8 T+ d! D: E 軸承性能:主要表現(xiàn)在用于航空航天工業(yè)配套和高技術(shù)所需的專用軸承高速、高靈敏,、高可靠性及耐高溫,、耐低溫、耐腐蝕,、耐輻射和耐真空度的能力,;通用軸承的轉(zhuǎn)速、溫升,、振動,、噪聲和密封等性能兩方面。
$ b7 G5 N3 F/ y, Y 專用軸承中的飛機發(fā)動機主軸軸承的速度參數(shù)dn值已達到(2.25-2.5)×106mm.r/min,,耐高溫能力達250-300℃,,壽命1000h。dn值為3×106mm.r/min的軸承國外正在研制,;陀螺儀軸承精度達ABEC9級(P2級)、摩擦力矩僅為0.001~0.002mNm,;火箭發(fā)動機渦輪泵軸承,,耐低溫能力達-253℃(液氫)~-183℃(液氧),轉(zhuǎn)速20000~40000r/min,,壽命7h,;原子能反應(yīng)堆的軸承溫度高達650℃,;迄今美國已研制出能耐133.3×(10-11~10-13)Pa高真空度軸承。通用軸承中機床主軸軸承為適應(yīng)CNC機床的需求發(fā)展很快,。如現(xiàn)代數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速可達到3500~10000r/min,,比普通車床提高1/3至3倍;磨床主軸軸承,,SKF公司推出大接觸角60°的角接觸球軸承,,國外主要軸承公司已系列生產(chǎn),此類軸承與雙列向心圓柱滾子軸承組合使用,,可顯著提高速度性能,;法國GAMET公司推出的空心滾子圓錐軸承,改善了軸承溫升,,是現(xiàn)今機床主軸軸承精品,。工業(yè)機器人精密薄壁軸承國外已有常溫環(huán)境下、大于150℃高溫環(huán)境下和在腐蝕,、輻射,、污染工況下使用的各種類型,有的已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)人,,并正向精密化,、小型化和智能化方面發(fā)展。近年來,,隨著機電產(chǎn)品的發(fā)展,,一些精密機械和高檔家電對軸承的音質(zhì)控制提出了相當嚴格的要求。為降低軸承振動,、改善軸承間質(zhì),,提高軸承的無異音合格率,國外在產(chǎn)品設(shè)計,、加工工藝,、工裝設(shè)備、潔凈度控制,、鋼球加工及保持架改進等諸多方面都取得了有益的經(jīng)驗,。如日本NSK的6202“靜音”軸承噪聲值僅26dB左右。除加工工藝外,,潤滑脂對軸承的振動和噪聲有較大影響,。國外一些著名軸承公司均采用軸承專用脂來降低軸承的振動和噪聲,如SKF公司按照不同的溫度,、轉(zhuǎn)速,、載荷等使用條件以及軸承尺寸大小來選用不同的軸承專用脂;NSK公司相繼開發(fā)了AV2,、NS7和NSC等低噪聲軸承專用脂,,較好地控制了噪聲,,延長了軸承的噪聲壽命。目前國外常見的軸承異音在線檢測主要有兩種方法,,一是測量軸承振動的峰值,,用峰值因子來判別軸承是否有異音。另一種方法是在測振儀上接示波器,,通過示波器上的波形幅值及波的形狀來控制,。這兩種方法都取得了較好的效果。密封軸承的密封特性是衡量軸承性能的一個重要指標,。全世界密封軸承的產(chǎn)量約占軸承總產(chǎn)量的70%,,各類通用軸承都有密封軸承系列。九十年代日本KOYO公司的輕接觸密封,、SKF公司推出的雙唇非接觸式橡膠密封,、FAG公司的高速主軸軸承密封、INA公司滿滾子軸承聚脂密封,、TIMKEN公司的通用圓錐滾子軸承密封,、FAG公司的軋機軸承密封等,都代表了當代密封軸承技術(shù)的最新成果,。 9 _5 C! K- i) p; c# {0 [
軸承壽命和可靠性:國外深溝球軸承的臺架試驗壽命一般為計算壽命的8倍甚至十幾倍以上,,可靠度高達98%以上,甚至達99.9%,;圓錐滾子軸承一般為計算壽命的4~6倍,,甚至8倍以上,可靠度達98%以上,。一些為重點主機配套的軸承壽命亦較長,。如鐵路貨車軸承壽命達150~200萬公里,可實現(xiàn)十年無更換,;鐵路客車軸承如日本,、意大利的高速列車速度可達350km/h,行駛壽命為150~300萬公里,,可靠度80萬里達90%,。載重汽車輪轂軸承行駛壽命達25萬公里。軋機軋輥軸承扎制壽命可達60~80萬噸鋼等等,。 : b% \- j4 B X; ^% ^
軸承新結(jié)構(gòu),、新產(chǎn)品:首先是軸承單元化技術(shù)方興未艾。軸承行業(yè)為了方便用戶的裝拆,、免除維持和減輕結(jié)構(gòu)件重量,,已越來越注重開發(fā)軸承單元,比較典型的軸承單元有汽車輪轂單元,、自調(diào)心汽車離合器軸承單元,、汽車水泵軸連軸承單元、帶座外球面軸承單元,、軋機軸承單元,、鐵路軸承單元、計算機磁盤驅(qū)動器主軸軸承單元,、氣流紡杯軸承單元,、鉆銑床高速主軸軸承單元等。第二,、SKF近年來開發(fā)了一種很有發(fā)展前途的CARB專利軸承產(chǎn)品,。它是一種單列、長腰鼓形調(diào)心滾子軸承,,既具有圓柱滾子軸承的承載能力,,又具有雙列調(diào)心滾子軸承的調(diào)心性能,還具有這兩類軸承所不具備的軸向位移調(diào)節(jié)能力,,是圓柱滾子軸承,、雙列調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承,、滾針軸承等的理想換代產(chǎn)品,。SKF1998年CARB軸承銷售額達到2.5億克朗,約為年銷售額的1%,。第三,、陶瓷軸承是近三十年來興起、不為發(fā)展并逐步走向工程應(yīng)用的一種高性能軸承產(chǎn)品�,,F(xiàn)有全陶瓷軸承(套圈,、滾動休均為陶瓷)和混合陶瓷軸承(僅滾動體為陶瓷)兩種。陶瓷軸承具有高速(dn值達300萬),、長壽命(約為鋼制軸承的3~5倍),、耐摩擦、高剛度,、重量輕(只有鋼制軸承的60%),、防磁、絕緣和承受缺油潤滑等等優(yōu)點,,在航空,、兵器、機床,、汽車等領(lǐng)域使用陶瓷軸承或陶瓷球都取得了滿意的效果,。第四、直線運動支承組件已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床,、加工中心,、工業(yè)機器人,、自動生產(chǎn)線上,并實現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn),。這種組件系指直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠,,與滑動系統(tǒng)相比,具有結(jié)構(gòu)剛性高,、定位精度高,、摩擦阻尼小、精度保持性好等優(yōu)點,,也是一種有廣泛應(yīng)用前途的產(chǎn)品,。第五、非滾動化軸承產(chǎn)品的應(yīng)用引起很大關(guān)注,,如磁懸浮軸承是可能替代滾動軸承的一種機電一體化產(chǎn)品,,它的最突出優(yōu)點是磨耗小,如在汽車中使用磨耗量僅為滾動軸承的千分之一,,且轉(zhuǎn)速可達3×105r/min,。這種產(chǎn)品已用于陀螺轉(zhuǎn)子、節(jié)能電機,、計算機磁盤傳動機構(gòu)和電主軸支承中,。 7 s2 ~4 o! g7 z
(5)材料應(yīng)用技術(shù)
% {: W6 s, z7 M1 F* c 在眾多影響軸承壽命和可靠性的因素中,材料是一個重要項目,。1905年德國使用SAE52100高碳鉻鋼制造滾動軸承后,,到1920年已被廣泛用于滾動軸承制造,這是世界滾動軸承工業(yè)所用的第一代專用軸承鋼,。五十年代末真空脫氣鋼問世,,八十年代推廣了真空脫氣鋼和鋼包精煉,使軸承鋼的純度大為提高,。如最近的日本“Z級”軸承鋼含氧是僅為7PPM左右,,最近的“EP級”軸承鋼的夾雜物更為細小和均勻。美國的ASTMA295-94和SKF的D33-95標準均規(guī)定真空脫氣含氧量小于或等于15PPM,。值得注意的是,,國外一些大的軸承集團公司本身就生產(chǎn)軸承鋼,如SKF公司1997年精煉軸承鋼達44萬噸,、銷售額為33.9億克朗,,占年銷售額的8.6%。該公司在瑞典的Ovako鋼鐵公司是歐洲軸承鋼的主要供應(yīng)者,,占其市場份額的40%,,是目前世界上淬透軸承鋼的最大生產(chǎn)者。美國的TIMKEN公司的軸承鋼的年銷售額占總銷售額的比例高達32%。此外,,日本和德國在耐熱鋼的研究上也取得重大進展,。 |