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我国制造高端轴承到底有多难?

作者: 江西省机械行业商会 更新时间: 2019年12月23日 19:26:15 游览量: 97

简述:

我国制造高端轴承到底有多难? ,机械社区

我国制造高端轴承到底有多难?

轴承是机械设备中不可或缺的核心零部件,主要功能是支撑机械旋转体,降低摩擦系数并保证回转精度。 它是数学物理等理论加上材料科学、热处理技术、精密加工和数控技术等多学科的产物。无论飞机、汽车、高铁还是高精密机床,凡是旋转的部分,一般都需要轴承。

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当其他机件在轴上彼此产生相对运动时,用来保持轴的中心位置及控制该运动的机件,称为轴承。它可用于转轴的互相滚动,使转轴转动时产生的摩擦力减至最低。

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01

轴承发展起源

早期的直线运动轴承,是在撬板下放置一排木杆。这个技术可以追溯到修建卡夫拉金字塔的时候,虽然还没有明确的证据。现代直线运动轴承使用的是同一种工作原理,只不过是用滚球代替滚子。

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从重载车轮轴和机床主轴到精密钟表零件,很多场合都需要旋转轴承,最简单的旋转轴承是轴套轴承。这种设计随后被滚动轴承替代,就是用很多圆柱形的滚子替代原先的衬套。最早投入使用的滚动轴承是钟表匠约翰·哈里逊于1760年为制作H3计时器而发明的。

在意大利奈米湖的一艘古罗马船只上,发现了早期的球轴承实例,有个木制球轴承用来支撑旋转桌面,这艘船建造于公元前40年。球轴承的各种不成熟因素中,有很重要的一点就是球之间会发生碰撞,造成额外的摩擦。

第一个关于轴承球沟道的专利是菲利普·沃恩在1794年获得的。1883年,弗里德里希·费舍尔提出了使用合适的生产机器磨制大小相同、圆度准确的钢球,这奠定了创建轴承工业的基础。1907年,SKF球轴承工厂的斯文·温奎斯特设计了最早的现代自调心球轴承。

按照相对运动的接触形式轴承分为: 滚珠轴承、滚针轴承、圆锥滚柱轴承、滑动轴承、挠性轴承、空气轴承、磁悬浮轴承、宝石轴承和含油轴承等。

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02

世界轴承市场70%以上的份额,被十大跨国轴承集团占据

虽然轴承结构简单,很多小作坊都能做出来,但轴承具有很高的技术含量,甚至可作为衡量一个国家科技、工业实力的重要标准。当今世界科技工业强国无一例外都是轴承研发制造强国。

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世界轴承市场70%以上的份额,被十大跨国轴承集团公司所占据,其中美国占23%、欧盟占21%、日本占19%。世界轴承市场基本是由日本NSK 等五大公司、瑞典SKF 公司、德国FAG 等两家公司、美国Timken 等几家公司所主导。

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同时,世界轴承行业的高端市场被上述企业所垄断,而中低端市场则主要集中于中国。而我国瓦轴等10家最大的轴承企业,销售额仅占全行业的24.7%,前30家的生产集中度也仅为37.4%。

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近几年,我国轴承工业已形成一整套独立完整的工业体系,无论从轴承产量,还是轴承销售额,我国都已经迈入轴承工业大国行列,位列世界第三。数据显示,2017年,我国轴承行业规模以上企业主营业务收入1788亿元,轴承产量210亿套。能够生产小至内径0.6毫米,大至外径11米,共计多达9万多个品种规格的轴承。

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数据来源:中国轴承工业协会、中商产业研究院整理

2006年至2017年,我国轴承出口额增长较稳定,增速高于进口,进出口贸易顺差呈增长趋势,2017年贸易顺差达15.50亿美元。且对比进出口轴承单价,近几年我国进出口轴承价差较大,但价差幅度逐年减小,反映出我国轴承行业技术含量虽然与先进水平尚存在一定差距,但在追赶中。同时反映出我国中低端轴承产能过剩,高端轴承产能不足的现状。

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数据来源:中国轴承工业协会、中商产业研究院整理

当前,国产轴承的设计和制造技术基本上是模仿,产品开发能力低,在某些核心技术的研发领域甚至还是空白。虽然对国内主机的配套率达到80%,但高速铁路客车、中高档轿车、计算机、空调、高水平轧机等重要主机的配套和维修轴承,基本上依靠进口。

国产轴承制造工艺和工艺装备技术发展缓慢,车加工数控率低,磨加工自动化水平低,全国仅有200多条自动生产线。对轴承寿命和可靠性至关重要的先进热处理工艺和装备,如控制气氛保护加热、双细化、贝氏体淬火等覆盖率低,许多技术难题攻关未能取得突破。

轴承钢新钢种的研发,钢材质量的提高,润滑、冷却、清洗和磨料磨具等相关技术的研发,尚不能适应轴承产品水平和质量提高的要求。

以最常见的深沟球轴承为例,国外先进产品的实际寿命一般为计算寿命的8倍以上,最高可达30倍以上,可靠性为98%以上。

而国产轴承的寿命一般为计算寿命的3~5倍,可靠性为96%左右,差距还是很显著的。这对于普通的运动机械来说,问题不算太大。但是在高端领域就很难接受了,因此国内航空轴承、高铁轴承、机器人轴承等基本以进口轴承为主。

03

轴承很难造吗?

轴承几乎存在于我们生活的每一个角落,从满地都是的共享单车到掠过头顶的民航客机,从鱼翔浅底的核潜艇到巡天遥看的空间站,电冰箱、洗衣机、电脑散热风扇、抽油烟机、手机里的振动马达……轴承无处不在。

轴承的种类极其庞杂,详述起来可以写成许多本厚厚的手册。用最简单的办法可以分成两种,滚动摩擦的和滑动摩擦的。无论那种摩擦,都要求振动越小越好、磨损越少越好、发热越低越好。

中国的轴承行业和很多工业部门一样,产能庞大、技术水平中等,少数核心领域突破了西方封锁,大量的高端产品却还是要依靠进口。

中国能够制造很多极端极端条件下使用的高端轴承。比如99A坦克座圈就是个超大的滚动摩擦轴承,不但要让十几吨重的炮塔运转自如,还要承受125毫米滑膛炮的恐怖后坐力。155毫米自行火炮的后坐力更大,它的炮塔座圈同样很强大。这样的轴承,多数国家连边都摸不到。

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双37高炮这种低端武器也离不开轴承,这是它的座圈

精巧的机械则需要另外一种概念的轴承。比如卫星上的太阳帆板需要随时调整自己相对于太阳的角度,来获得合适的光照条件。但卫星上了天就没有机会派人去给轴承加润滑油。所以,这里要用到所谓的固体润滑剂轴承,设法把一种把二硫化钼的物质薄薄地喷射在轴承里,让它在遥远而寒冷的太空里正常工作好几年。这种轴承,同样没有几个国家可以染指。

国内生产的军用轴承

为了让这样的轴承能够正常工作,需要一个国家的工业体系能够冶炼出合适的材料,能够炼制出合适的润滑油和其他润滑剂,还要具备恰当的力学分析和加工能力,更需要持之以恒的试验和积累。

04

轴承,中国很强大又很不强大

中国是无可置疑的超级轴承大国。早在2014年,中国轴承产量已经达到196亿套,居于世界第三位。我们的轴承产量可以支撑指尖陀螺这种减压玩具,产量之大占到了全世界的五分之一。中国生产的最小轴承直径0.6毫米,最大的直径11米,上天入地、无所不在。

难道这样的中国还不能叫做轴承强国吗?

是的,不能。

我们的轴承和其他机械产品一样,在尖端产品、可靠性、寿命等方面,与西方发达国家有着相当大的差距。以高速轴承来说,国内主机厂生产的动车组所用的轴箱,轴承品牌都来自欧洲、日本,中国自己生产的真空脱气轴承钢,无论质量稳定性还是疲劳寿命,都与国外高品质真空脱气钢存在一定差距。

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美国空军地勤人员正在维护F15战斗机的F110发动机风扇轴承

哪怕是最常见的深沟球轴承——也就是两个钢圈中间套一圈钢珠的轴承,国外先进产品的实际寿命一般为计算寿命的8 倍以上,最高可达30 倍以上,可靠性为98%以上。而国产轴承的寿命一般为计算寿命的3~5倍,可靠性为96%左右。差距还是很显著的。这对于普通的运动机械来说,问题不算太大。但是在高端领域就很难接受了,因此国内航空轴承、高铁轴承、机器人轴承等基本以进口轴承为主。无论运20、C919,离开了进口轴承都是很难飞起来的。

作为机械产品,轴承是无法取巧的基础性零部件。轴承的性能主要取决于材料性能和加工工艺。作为世界第一钢铁大国,我们虽然在多数钢铁产品上已经碾压了全世界,但在高强度、高耐磨轴承钢的冶炼上,依然显著落后于欧美和日本。在高精度机械加工方面的差距同样是显著的。

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用来支撑涡扇发动机压气机转轴的轴承

高端产品决定了企业价值,高端轴承上的缺乏,也让中国轴承企业无缘世界名牌。在世界前10大轴承厂商中,有一家瑞典企业、五家日本企业、两家德国企业、两家美国企业。却没有一家中国企业。

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航天飞机上使用的宇航轴承

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制造高端轴承,我们正在发力

高端轴承从哪里来,这对“外国”来说,根本就不是什么问题。强大的美国,海军陆战队还要从德国引进战斗步枪,陆军还要从瑞士引进手枪,从挪威引进反舰导弹。工匠精神的德国,还要从美国买各种芯片。在西方世界里,国家之间的分工合作是很正常的。每个发达国家都有一些优秀的企业,各自拥有靠“绝活”稳坐隐形冠军的宝座。很少有人打破局面,去抢别人的饭碗。

仅仅讨论轴承的话,可以发现,国际十大轴承厂商都属于西方。然而,我们是中国人,既然不打算屈从于美国人主导的国际秩序,就必须面对被人在关键领域卡脖子的风险。芯片如此,高端轴承当然也如此。

政府对于高端轴承的国产化一直非常重视,国家工信部早在2011年,就在《机械基础件基础制造工艺和基础材料产业“十二五”发展规划》中,把轴承列为“机械基础件、基础制造工艺和基础材料”之首,规划界定: “机械基础件是组成机器不可分拆的单元,包括轴承、齿轮、液压件、液力元件、气动元件、密封件、链与链轮、传动联结件、紧固件、弹簧、粉末冶金零件、模具等”。

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SKF公司为高速铁路列车研制的轴承位置传感器

重点发展高速、精密、重载轴承,包括: 中、高档数控机床轴承和电主轴,大功率风力发电机组轴承,大型运输机轴承,重载直升机轴承,长寿命高可靠性汽车轴承及轴承单元,高速铁路列车轴承,重载铁路货车轴承,新型城市轨道交通轴承,大型薄板冷热连轧设备轴承,

大型施工机械轴承,高速度长寿命纺织设备轴承,超精密级医疗器械主轴轴承。

可以注意到,除了高铁轴承,航空轴承在其中占了两项,除了大型运输机,还有重载直升机。国防重点型号对基础零部件的带动作用是极为显著的。

需要指出的是,中国在轴承领域的差距比芯片小得多,产业基础也好得多。在可预见的将来,完全有能力在绝大多数领域赶上世界先进水平。根据规划,到2020年,风电机组轴承自主化率要达到90%,到2025年,高速精密数控机床和高速动车组自主化率要达到90%,到2030年,大飞机轴承的自主化率要达到90%。

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航空用的杆端轴承

工信部在轴承领域规划了8个国家级技术平台及单位,包括瓦房店轴承集团公司、万向集团、洛阳LYC 轴承有限公司、哈尔滨轴承集团公司、西北轴承股份公司、江苏新火炬科技股份公司、襄阳汽车轴承集团公司、天马轴承股份公司。国家支持各类高端轴承研制的企业不计其数。最近,高铁轴承的国产化工作已经有了实质性的进展。汽车轴承的国产化也早已铺开。

一些二线、三线城市,也把轴承当做自己产业升级的方向。例如河北的临西县、江苏的襄阳。浙江甚至有三个县都建立起了强大的轴承产业,产品远销海外。白菜化的场景正在逐渐清晰。