凸轮从动轴承

凸轮从动轴承-凸轮从动轴承厂家浅谈世界轴承发展史(一)

发布日期:2018-07-27 作者: 点击:

凸轮从动轴承厂家浅谈世界轴承发展史(一)

螺栓轴承

1、主要技术与经济指标  

    尽管轴承只作为各种主机支承元件,但由于品种繁多、加工精密、尺寸范围大,所以轴承工业是机械工业中一种特殊的独立产业,并已形成了完整的工业体系。到目前为止,全世界已生产轴承品种5万种以上,规格多达15万种以上。最小的轴承内径已小到0.15~1.0mm,重量为0.003g,最大的轴承外径达40m,重340t。1997年世界轴承总产量超过100亿套,总销售额约300亿美元,其中北美、日本、西欧占世界轴承产量的78%,美国、日本、德国已形成世界三大轴承市场。一些世界著名的轴承公司,如瑞典的SKF公司、德国的FAG公司、日本的NSK公司、美国的TORRINGTON公司等,在世界500家大公司中均榜上有名。(据美国《幸福》杂志1994年报道,在世界500家大企业中,SKF排387位、NSK排404位、TORRINGTON公司的母公司英格索尔·兰德公司排在369位)。  

2、产品及相关技术水平  

    螺栓轴承的整体技术水平,在近30年来取得了令人瞩目的进步。高精度、高转速、高可靠性、长寿命、免维护保养以及标准化、单元化、通用化已成为轴承的基本技术标志。特别在轴承基础技术进步、通用产品的结构改进、专用轴承单元化和陶瓷轴承的开发等方面成效最为显著。 

(1)基础理论  

轴承基础理论主要指寿命理论、额定静载荷和极限转速等有关的理论。  

百余年来轴承寿命理论的研究经历了四个阶段:第一阶段是1945年以前的Stribeek的载荷分布理论,第二阶段是1945~1960年间Lundberg和Palmgren轴承疲劳失效理论,第三阶段是1960~1980年间的寿命修正理论,第四阶段是1980~1998年间以Loannides和Harris为代表的新寿命理论。1962年,国际标准化组织ISO将经典的L-P公式作为轴承额定动载荷与寿命计算方法标准列入ISO/R281中。近年来,由于材料技术、加工技术、润滑技术的进步和使用条件的精确化,使轴承寿命有较大提高,ISO适时地给出了含有可靠性、材料、运转条件和性能等修正系数的寿命计算公式。八十年代以来Harris等学者在大量试验的基础上提出接触疲劳极限的新理论,将寿命理论又向前推进了一步,使轴承寿命计算方法不断完善。 

允许轴承发生相当于万分之一滚动体直径的永久变形,一直是ISO额定静载荷标准的基础。最新的额定静载荷理论的贡献是给出了对应于这个永久变形的各类轴承的最大滚动体接触应力。  

轴承极限转速研究也取得了新进展。当前世界上较有影响的轴承公司如瑞典的SKF、德国INA、FAG、日本NTN等公司对极限转速的定义、限定范围与使用条件都作出了较科学的规定,使极限转速的研究更加深入。  

(2)设计理论  

传统的轴承设计以其应用的理论和方法而言,多采用静力学和拟静力学设计方法。近五十年来,曲线滚轮厂家的轴承设计理论有很大发展,先后提出和应用了有限差分法、有限元法、动力学及拟动力学、弹性流体动力润滑理论,有力地促进了轴承产品设计和应用技术的研究与发展。与此相适应,电子计算机辅助设计(CAD)已在各国轴承设计计算中广泛应用,从而把轴承设计计算推向了一个新阶段。 

(3)通用轴承的结构改进  

量大面广的通用轴承产品的结构一直围绕着提高轴承载荷、延长使用寿命、增加强度与刚性、减少摩擦磨损、降低噪声、减小体积、减轻重量、采用新材料及免除维护保养作为不懈努力的目标。经过近三十年的努力,国外通用轴承已全部实现了更新换代,形成了新一代的加强型产品。通用轴承内部结构的改进,主要通过减小套圈壁厚、加大滚动体直径与长度、采用对数母线凸度滚子、改变保持架结构与参数、改变引导方式、增充轴承内密封及改善档边接触来实现。 

(4)轴承产品技术  

国外轴承产品的发展当今具有五个显著的特征:  

A、坚持产品的“三化”方向,以最少的品种满足不同产业的多样化需求,并有利于产品规模化生产。  

B、产品向轻量化、功能组件化、单元化、智能化发展,以满足主机产品更新换代要求。  

C、产品向高速度、高精度、高可靠性、低摩擦、低振动、低噪声发展。  

D、采用和发展了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)以及计算机集成制造系统/信息管理系统(CIMS/IMS)技术。  

E、在轴承产品上采用现代高新技术,如新钢种、新型工程陶瓷材料、表面改性技术及新的设计理论等,以发展轴承可靠性技术

上述五个特征具体表现在如下几个方面:

技术标准:国际标准化组织滚动轴承第四委员会(ISO/TC4)现颁布正式轴承标准44项、技术报告3项,世界各国都等同、等效采用国际标准,确保轴承“三化”水平。  

轴承精度:国外在八十年代就提出了“集中装配设计”的概念,即通过轴承在设计和工艺阶段的相关公差设计,使之控制在一定的公差范围内,经过最少组别的选配,就可实现批量化集中装配,装配后的轴承游隙,装配高等均完全符合标准要求。经检测发现国外名牌产品的尺寸精度一致性较好,基本集中在公差带的某一 范围内,且离散度较小。如国外精密机床主轴轴承的轴、径向跳动在0.5μm以下;薄板轧机工作辊轴承可保证思辊径向摆动量在板厚的3%以下;日本NMB公司研制成功的硬磁盘驱动器高精度小型整体球轴承的重复精度在0.1μm以下。

轴承性能:主要表现在用于航空航天工业配套和高技术所需的专用轴承高速、高灵敏、高可靠性及耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐辐射和耐真空度的能力;通用轴承的转速、温升、振动、噪声和密封等性能两方面。 

专用轴承中的飞机发动机主轴轴承的速度参数dn值已达到(2.25-2.5)×106mm.r/min,耐高温能力达250-300℃,寿命1000h。dn值为3×106mm.r/min的轴承国外正在研制;陀螺仪轴承精度达ABEC9级(P2级)、摩擦力矩仅为0.001~0.002mNm;火箭发动机涡轮泵轴承,耐低温能力达-253℃(液氢)~-183℃(液氧),转速20000~40000r/min,寿命7h;原子能反应堆的轴承温度高达650℃;迄今美国已研制出能耐133.3×(10-11~10-13)Pa高真空度轴承。通用轴承中机床主轴轴承为适应CNC机床的需求发展很快。如现代数控车床主轴转速可达到3500~10000r/min,比普通车床提高1/3至3倍;磨床主轴轴承,SKF公司推出大接触角60°的角接触球轴承,国外主要轴承公司已系列生产,此类轴承与双列向心圆柱滚子轴承组合使用,可显著提高速度性能;法国GAMET公司推出的空心滚子圆锥轴承,改善了轴承温升,是现今机床主轴轴承精品。工业机器人精密薄壁轴承国外已有常温环境下、大于150℃高温环境下和在腐蚀、辐射、污染工况下使用的各种类型,有的已实现产业人,并正向精密化、小型化和智能化方面发展。近年来,随着机电产品的发展,一些精密机械和高档家电对轴承的音质控制提出了相当严格的要求。为降低轴承振动、改善轴承间质,提高轴承的无异音合格率,国外在产品设计、加工工艺、工装设备、洁净度控制、钢球加工及保持架改进等诸多方面都取得了有益的经验。如日本NSK的6202“静音”轴承噪声值仅26dB左右。除加工工艺外,润滑脂对轴承的振动和噪声有较大影响。国外一些著名轴承公司均采用轴承专用脂来降低轴承的振动和噪声,如SKF公司按照不同的温度、转速、载荷等使用条件以及轴承尺寸大小来选用不同的轴承专用脂;NSK公司相继开发了AV2、NS7和NSC等低噪声轴承专用脂,较好地控制了噪声,延长了轴承的噪声寿命。目前国外常见的轴承异音在线检测主要有两种方法,一是测量轴承振动的峰值,用峰值因子来判别轴承是否有异音。另一种方法是在测振仪上接示波器,通过示波器上的波形幅值及波的形状来控制。这两种方法都取得了较好的效果。密封轴承的密封特性是衡量轴承性能的一个重要指标。全世界密封轴承的产量约占轴承总产量的70%,各类通用轴承都有密封轴承系列。九十年代日本KOYO公司的轻接触密封、SKF公司推出的双唇非接触式橡胶密封、FAG公司的高速主轴轴承密封、INA公司满滚子轴承聚脂密封、TIMKEN公司的通用圆锥滚子轴承密封、FAG公司的轧机轴承密封等,都代表了当代密封轴承技术的最新成果。

凸轮从动轴承寿命和可靠性:国外深沟球轴承的台架试验寿命一般为计算寿命的8倍甚至十几倍以上,可靠度高达98%以上,甚至达99.9%;圆锥滚子轴承一般为计算寿命的4~6倍,甚至8倍以上,可靠度达98%以上。一些为重点主机配套的轴承寿命亦较长。如铁路货车轴承寿命达150~200万公里,可实现十年无更换;铁路客车轴承如日本、意大利的高速列车速度可达350km/h,行驶寿命为150~300万公里,可靠度80万里达90%。载重汽车轮毂轴承行驶寿命达25万公里。轧机轧辊轴承扎制寿命可达60~80万吨钢等等。 

轴承新结构、新产品:首先是轴承单元化技术方兴未艾。轴承行业为了方便用户的装拆、免除维持和减轻结构件重量,已越来越注重开发轴承单元,比较典型的轴承单元有汽车轮毂单元、自调心汽车离合器轴承单元、汽车水泵轴连轴承单元、带座外球面轴承单元、轧机轴承单元、铁路轴承单元、计算机磁盘驱动器主轴轴承单元、气流纺杯轴承单元、钻铣床高速主轴轴承单元等。第二、SKF近年来开发了一种很有发展前途的CARB专利轴承产品。它是一种单列、长腰鼓形调心滚子轴承,既具有圆柱滚子轴承的承载能力,又具有双列调心滚子轴承的调心性能,还具有这两类轴承所不具备的轴向位移调节能力,是圆柱滚子轴承、双列调心滚子轴承、调心球轴承、滚针轴承等的理想换代产品。SKF1998年CARB轴承销售额达到2.5亿克朗,约为年销售额的1%。第三、陶瓷轴承是近三十年来兴起、不为发展并逐步走向工程应用的一种高性能轴承产品。现有全陶瓷轴承(套圈、滚动休均为陶瓷)和混合陶瓷轴承(仅滚动体为陶瓷)两种。陶瓷轴承具有高速(dn值达300万)、长寿命(约为钢制轴承的3~5倍)、耐摩擦、高刚度、重量轻(只有钢制轴承的60%)、防磁、绝缘和承受缺油润滑等等优点,在航空、兵器、机床、汽车等领域使用陶瓷轴承或陶瓷球都取得了满意的效果。第四、直线运动支承组件已广泛应用于数控机床、加工中心、工业机器人、自动生产线上,并实现专业化生产。这种组件系指直线导轨和滚珠丝杠,与滑动系统相比,具有结构刚性高、定位精度高、摩擦阻尼小、精度保持性好等优点,也是一种有广泛应用前途的产品。第五、非滚动化轴承产品的应用引起很大关注,如磁悬浮轴承是可能替代滚动轴承的一种机电一体化产品,它的最突出优点是磨耗小,如在汽车中使用磨耗量仅为滚动轴承的千分之一,且转速可达3×105r/min。这种产品已用于陀螺转子、节能电机、计算机磁盘传动机构和电主轴支承中。 

(5)材料应用技术 

在众多影响轴承寿命和可靠性的因素中,材料是一个重要项目。1905年德国使用SAE52100高碳铬钢制造滚动轴承后,到1920年已被广泛用于滚动轴承制造,这是世界滚动轴承工业所用的第一代专用轴承钢。五十年代末真空脱气钢问世,八十年代推广了真空脱气钢和钢包精炼,使轴承钢的纯度大为提高。如最近的日本“Z级”轴承钢含氧是仅为7PPM左右,最近的“EP级”轴承钢的夹杂物更为细小和均匀。美国的ASTMA295-94和SKF的D33-95标准均规定真空脱气含氧量小于或等于15PPM。值得注意的是,国外一些大的轴承集团公司本身就生产轴承钢,如SKF公司1997年精炼轴承钢达44万吨、销售额为33.9亿克朗,占年销售额的8.6%。该公司在瑞典的Ovako钢铁公司是欧洲轴承钢的主要供应者,占其市场份额的40%,是目前世界上淬透轴承钢的最大生产者。美国的TIMKEN公司的轴承钢的年销售额占总销售额的比例高达32%。此外,日本和德国在耐热钢的研究上也取得重大进展。 

非金属材料用于滚动轴承制造中,主要是陶瓷和塑料。FAG、SKF、KOYO等公司都推出了陶瓷轴承新品种,世界陶瓷轴承年度贸易额超过4亿美元。塑料被广泛用于轴承的保持架,如德国SKF子公司有70%的圆柱滚子轴承和85%的新一代圆锥轴承采用了塑料保持架;FAG公司塑料保持架轴承占其轴承总产量的30%。  

(6)加工、测试、专业化和自动化水平  

轴承是批量生产的精密产品,只有用先进的制造技术和相应的设备,才能保证产品的精度、性能、寿命、可靠性和成本等技术经济指标的实现。在工业发达的国家里,对批量较大的标准轴承,通常都采用高效、高精度的自动化设备加工制造,对批量更大的则组织自动生产线、自动化车间甚至自动化工厂进行生产。如毛坯生产中采用高速镦锻机、多工位压力机和冷辗技术;车加工 中采用多轴自动车床;热处理已开始采用激光淬火技术;磨超加工一直以高速、高效为发展方向,国外套圈内表面磨削速度已达60-80m/s,外表面80-120m/s,同时大力开发了磨削-超精研自动生产线,应用CBN砂轮磨削、自适应磨削,在线测量技术和故障自动诊断等新技术,并配以轴承自动装配生产线,确保生产效率,稳定产品质量;纳米级(10-3μm)轴承加工与测量技术已取得进展;伴随计算机技术的发展与广泛应用,在铁路轴承、航空轴承、汽车轴承等试验中,采用了仿真试验技术,开发了不同类型的轴承模拟试验机。

美国、日本、法国等轴承工业发达的国家,生产集中度和专业化水平都较高。如德国三大公司轴承产量占全国总产量的96%,美国四大公司占56%,而日本五大公司占有率高达99.2%。国外较大的轴承公司的厂、点都按品种类型、尺寸段、零件以至加工工序组织专业化生产,不存在产品重复现象,更没有中小企业与大公司大量重复生产同一产品的情况。如日本轴承专业化企业生产的零部件已占全部产量80%,而工序专业化公司和轴承毛坯锻造公司、车加工专业公司、热处理专业公司也大量涌现,形成了按专业分工,规模生产,各自发挥优势的协作网络。

国外轴承产品及相关技术取得飞速发展的一个重要原因是不断增加对科学技术和产品开发的投入,加强自身的竞争地位。如美国机械工业科研费用普遍占其产值的3%~5%;SKF公司用于科研开发、技改投入和设备购置等费用1995年达29亿克朗,约上总销售额的9%;日本各轴承企业每年的技术开发和技术改造的投入都不低于销售收入的10%,充分体现了日本“科技立国”的战略思想。


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