金属自修复材料在轴承上的应用,轴承的国际技术现状及发展趋势

轴承工业作为机械基础工业,其技术水平高低,对一个国家的工业技术发展水平具有一定的代表意义。如果说,一个不具有轴承工业的国家,不是一个完整意义上的工业化国家的话,那么,一个不具有先进轴承技术水平的国家,则很难说是一个拥有了先进制造技术的国家。目前,目、欧、美占据了世界轴承市场的大半壁江山。

现代仿真技术随着计算机的广泛应用而迅速发展。该技术的具体做法是将某应用工况下轴承的载荷方向、大小、润滑方式,旋转速度及环境参数,以及轴承主参数等同时输入计算机,通过演算,了解轴承可能达到的寿命,从而评价轴承设计是否合用。这种试验方法可以大幅度缩短试验时间,减少人力和试验资金,可以在轴承未制造完成之前,预先知道其应用效果,是一种又快又省心的试验方法。国外先进轴承工业公司SKF、NTN在轴承仿真试验技术的研究达到先进水平。


要:金属磨损自修复材料,是由一组天然矿石材料的超细粉体构成的,添加在润滑脂中,轴承运转中,在摩擦表面金属磨损时产生的热能作用下发生化学置换反应,在滚动体和滚道的摩擦表面生成光洁度的铁基硅酸盐耐磨保护层,使轴承的使用寿命获得大幅度增大。
关键词:轴承磨损自修复耐磨保护层自改革开放以来,我国轴承工业的发展取得了举世瞩目的成就。自2000年起,按照轴承的年产量排序,我国成为继日本、美国、德国之后的世界轴承产量第四大国。轴承年产量已达20多亿套,年产值约240亿元人民币。其中出口量占总产量的50%以上,年创汇约7亿美元。近些年来,我国轴承产品在尺寸精度、旋转精度、振动噪声、寿命和可靠性等方面也都取得了明显的进步。但是国产轴承与国外轴承生产大国的产品相比,在品种上和质量上还存在着较大的差距。要进一步增加品种和提高质量,必须在轴承的设计、制造、材料、测试和润滑等综合技术上下功夫,需要有一个发展的过程。金属磨损自修复材料在国产轴承上的应{TodayHot}用提高了轴承的可靠性,降低了轴承滚道和滚动体之间的摩擦系数,大幅度延长了轴承的使用寿命,使通用轴承向“无限寿命”新概念要求的方向前进了一大步,具有显著的经济效益。
一、我国轴承产品的品种质量概况:
1997年至1999年,根据国家质量技术监督局制定的“国家监督抽查产品目录”对滚动轴承进行产品质量抽查,三年平均合格率为68%。2000年抽查产品质量比1999年高出6个百分点,证明质量监督抽查管理工作取得明显效果。与轴承工业发达国家相比,国产轴承在品种和质量上的差距主要表现在:
1、国产轴承品种少,产值低。轴承工业发达国家生产的轴承品种达15万个,我国生产的轴承品种仅2万余个,而且大多数为通用产品。国内轴承企业有2000余家,年产值的总和列在世界五大轴承公司(SKF、NSK、KOYO、NTN、NMB)之后,因此,我国轴承企业规模小,产值低,我国出口轴承平均每套价格只有0.4美元。
2、国产轴承尺寸精度公差的离散度大。虽然我国轴承在尺寸公差与旋转精度上取得很大的进步,接近国外品牌产品水平,但在尺寸偏差的离散度方面还存在着较大的差距。
3、在振动、噪声和异常声方面,我国轴承的振动极值水平高出国外品牌产品10dB以上。以6202轴承为例,国外品牌产品为26dB左右,抽检国内18个轴承企业产品,其平均值为37.5dB。
4、国产轴承的寿命和可靠度值仍较低。以深沟轴承为例,国外品牌产品的寿命一般大于计算寿命的8倍(较高可达30倍以上),可靠度达0.98以上;国产轴承的寿命一般为计算寿命的3~5倍,可靠度为0.96左右。
由于国产轴承在品种和质量上存在上述差距,作为轴承生产大国,我国日益发展的家电、汽车、纺织、机床等行业每年还不得不向国外进口大量轴承。进口的轴承产品主要是家用电器的低噪音及静音球轴承、长寿命汽车轴承、机床主轴轴承、高速铁路客车和货车轴承、高速纺织机械轴承等。1999年进{HotTag}口6.4亿套,2000年进口9.3亿套,2001年进口7.2亿套。见表1。从国外进口轴承统计表轴承类别1999年2000年2001年应用领域数量价值数量价值数量价值球轴承329471436442277201494995624016家电、机床纺织圆锥滚子轴承211480846826215957汽车球面滚子轴承243473211337362397矿山、石油机械滚针轴承557721156979918251011汽车、纺织机械圆柱滚子轴承3418175610807223386104054机床、轧钢机其他滚动轴承266428546370139064182758867机床带座轴承305541235567263475纺织机械合计643243462492978445837150748989由于国产轴承的寿命短,使得轴承不能与机电设备同寿命,停机维护更换轴承,降低了设备的利用率和增加了维修费用。因轴承的可靠度低而产生的失效,引发了许多重大事故。轴承工业发达国家生产的通用轴承已开始使用“无限寿命”这一新概念,专用轴承也提出了与配套主机“同步寿命”和大修期内“零失效”的指标要求。因此,国产轴承还必须继续努力在提高产品寿命和可靠性方面下功夫。
二、“金属磨损自修复材料”增加轴承寿命和可靠性的机理:
“金属磨损自修复材料”,是一组由羟基硅酸镁[Mg68]等天然矿石材料构成的复杂组分的微米级粒径颗粒材料。主要取之于天然矿石材料的这些组合物不溶解于润滑脂,不和润滑脂发生化学反应,不改变油的黏度和其他理化性质,无任何毒副作用,在常温下的化学性质十分稳定。当润滑脂作为载体将这些微粒材料带入轴承组合件中时,这些微粒材料在轴承转动中对轴承跑道和滚动体产生超精研磨作用,发生一系列物理的和化学的变化,改变了摩擦表面的金属微观结构。
微粒材料在金属摩擦表面发生的物理变化是:滚动体在滚道内滚动中,在摩擦力的作用下,超细微粒颗粒被进一步碾碎,此时微小颗粒对金属摩擦表面产生超精研磨作用,有足够硬度的微粒的超精研磨作用造成金属表面微凸体断裂,使得轴承摩擦表面的光洁度进一步提高。
微粒材料在金属摩擦表面发生的化学变化是:在超精研磨中,微凸体断裂时产生的闪温使微粒晶体中镁原子与摩擦表面的铁原子发生置换反应,在铁基金属摩擦表面生成铁基硅酸盐保护层,亦称金属陶瓷层。这一铁基硅酸盐保护层是在金属表面微凸体发生断裂出现闪温时产生的,在非磨损部位上不产生摩擦热,不发生化学置换反应。因而这种铁基硅酸盐保护层的生成有选择性,它只会在轴承的滚动体和跑道的金属摩擦表面生成一层耐磨的保护层。轴承在转动中不断发生磨损,磨损产生的微凸体断裂和释放的热能使这种化学置换反应继续进行。当其表面生成一层金属瓷保护层后,使其表面光洁度提高、摩擦系数降低,磨擦产生的热能下降,化学置换反应也就停止。但是当这一耐磨保护层受到破坏时,金属表面的摩擦热急剧增加,新的置换反应又将开始,使耐磨保护层得到恢复。
目视可见,轴承滚道和滚动体上生成的金属陶瓷保护层乌黑发亮,有淡兰色金属光泽。
经测定,这种耐磨的保护层有优良的力学和物理性能:
摩擦系数μ:0.003~0.007显微硬度Hv:提高1倍表面粗糙度:达14级膨胀系数:13.6~14.2耐高温:1575℃~1600℃耐腐蚀:优良
因此,在轴承润滑脂中加入微量“金属磨损自修复材料”后,轴承的使用寿命可得到大幅度延长,轴承的可靠性水平也得到相应提高。并且由于轴承的摩擦系数降低,可节省大量动力能源消耗。
三、使用“金属磨损自修复材料”轴承的寿命试验情况:
国家轴承质量监督检验中心受哈尔滨市政府经贸委的委托,对使用“金属磨损自修复材料”的6205轴承进行了寿命实验。对送检的24套轴承全部进行了达到一等品标准要求的3倍额定寿命试验,从中再任意抽取8套轴承进行了达到优等品标准要求的5倍额定寿命试验,而后再从中任意抽取4套轴承进行完全寿命试验。试验报告给出的结论是:
1、经21倍额定寿命试验的轴承基本保持试验前的旋转精度。当试至3倍额定寿命时,旋转精度有所下降;试至5倍额定寿命时,旋转精度恢复到原始值。
2、试至21倍额定寿命的轴承的径向游隙与试验前的径向游隙比较有少量变化。当试至3倍额定寿命时,游隙平均减少2.5μm;当试至5倍额定寿命时,游隙平均增大3μm(基本恢复到试验前数值)。随着试验时间的继续增加,轴承径向游隙有时增加有时减少,变化量很小。试至21倍额定寿命时,又基本恢复到试前数值。
3、轴承试至21倍额定寿命时,轴承套圈滚道和钢球表面乌亮,基本没有磨损。
4、“金属磨损自修复材料”在轴承中应用,能延长轴承的使用寿命。
在轴承寿命试验过程中出现过下述情况:当试验进行到8倍额定寿命时,编号为SM21-024的轴承内圈滚道因生产时存在砂轮花状磨削烧伤而失效。对此,试验报告指出:通常轴承滚道有磨削烧伤的轴承在寿命试验时,达不到1倍额定寿命滚道就会发生剥落而失效。该轴承试验到了8倍额定寿命,这显然是“金属磨损自修复材料”起到了延长轴承寿命的作用。
在轴承寿命试验过程中,曾3次发生尼龙保持架熔化并流出,但轴承更换新的尼龙保持架后仍可继续使用。原因是:该润滑脂使用温度为80℃,在轴承寿命试验中因轴承连续运转温度升高而使润滑脂流失。在干摩擦下造成轴承温度进一步升高到超过254℃,从而使尼龙保持架熔化而流出。以往发生这种情况时,钢球和套圈会发生退火并粘结在一起,使轴承失效。但本次试验轴承套圈和钢球都完好无损,说明生成的金属陶瓷保护层发挥了作用,使干摩擦系数降低,干摩擦产生的热量不足以使钢球和套圈退火和粘结。
详见国家轴承质量监督检验中心:“金属磨损自修复轴承寿命试验报告”。
受到试验经费的限制,6205轴承的寿命试验进行到21倍额定寿命而停止。
四、使用“金属磨损自修复材料”工艺措施的轴承的生产和应用情况:
哈尔滨埃特轴承有限公司从去年以来对生产出的新轴承进行金属磨损自修复材料工艺处理,取得了明显的效果。
1、高速电机主轴轴承
高速电机主轴轴承经过金属磨损自修复材料工艺处理后,提高了极限转速,在dn≤1×106转/分的转速下仍可使用脂润滑。
正常情况下当轴承转速dn≥0.4×106转/分时,必须采用油雾润滑。供油设备需要有空气压缩机、油路及高级定子油,在高压空气携带下向轴承内部喷油。油气从轴承一端喷入,从另一端喷出,逸出的油雾在空气中漂浮造成空气污染,使油耗增大,空压机用电量也较大,噪声亦大。用金属磨损自修复材料处理后的轴承,用脂润滑代替油雾润滑,完全解决了油雾润滑产生的不利影响,减化了供油的机械加工,节约了产品的制造成本。使用油雾润滑的轴承的使用寿命一般为2个月,经金属磨损自修复材料工艺处理的轴承,使用脂润滑其使用寿命可达1年。
2、数控机床主轴轴承
数控机床主轴轴承用双联、四联角接触球轴承,该轴承经用金属磨损自修复材料工艺处理后,在装机使用中其精度、温升、噪声、刚度与“SKF”公司的同类产品相比没有任何区别。该机床已工作了一年多,其性能仍保持不变。
3、油田稠油泵轴承
油田稠油增压泵轴承由深沟球轴承、圆柱滚子轴承、推力球轴承组成,工作介质为稠质原油,泵的使用寿命通常不超过3个月。而且油泵工作1周左右,泵效就开始下降,工作3个月泵效下降70%,噪音也较大,需停机维修。该轴承经使用金属磨损自修复材料工艺处理后,整机噪声由97dB下降到80dB,无异常音,泵效由53M3/h提高到63M3/h,电机输出功率下降17%。现已工作2个月,仍保持状态不变。
4、轧钢机轧辊轴承
该轴承承受较重的载荷,大型轴承每套价格在1000~2500元左右,轴承使用寿命较短,一般为15~20个工作日,维修成本较高。用金属磨损自修复材料工艺处理该轴承后,寿命提高5倍以上,大大降低了维修成本。
5、材轧辊导轮轴承
轧线材轧辊导轮轴承的线速度为120米/秒,导轮转速15000转/分,轴承的寿命只有8小时。使用金属磨损自修复材料工艺处理后的轴承,使用寿命达到了40小时。
6、无受力盲区自行车中轴轴承
该自行车为运动员专用赛车。由于结构限制,要保证轴承的寿命,轴的直径不能加大,在使用中,经常发生中轴断裂事故。对该轴承使用金属磨损自修复材料技术后,轴承的承载能力大大提高,在轴承外径尺寸不变的条件下,使中轴的直径加大3mm,从而解决了中轴断裂的问题。由于中轴承摩擦系数降低,使运动员的成绩提高了6%。
对轴承使用金属磨损自修复材料工艺处理,是自去年以来进行的一项开拓性的工作,应用的范围正在逐步扩大之中,所取得的效果是令人鼓舞的。上述应用项目仅是其中取得了准确数据的一部分实例。

1.国际先进轴承特点介绍

国内外发展趋势目前,国内外轴承试验方法,主要有四种:一、摩擦磨损试验,二、试验台架试验,三、试验室模拟试验,四、实际工况运行试验。国外对上述几种试验方法均有使用,但应用目的不一样,例如,开发一种全新的产品,首先须做摩擦磨损试验。但如果磨擦磨损形式无多大变化,仅产品尺寸、受载工况变化,则仅需做台架、模拟或实际运行试验即可。国外对一些关键{TodayHot}部位的新产品考核极为严格,必须经实际运行试验,才能获准进行配套使用。瑞典SKF、日本NTN新近研究轴承仿真试验技术、只能替代台架、模拟或实验,以缩短产品设计的时间,加快产品开发的进度,但距实际运行情况还有所差距。现在,我国轴承行业已开展摩擦磨损试验的,只有洛阳轴承研究所一家;已开展轴承台架试验的,有洛阳轴承研究所、上海轴研所、杭州轴承试验中心和瓦房店、哈尔滨等20余家国有轴承企业;可以展开模拟试验的有洛阳轴承研究所、杭州轴承试验中心以及洛轴、襄轴等企业。而要实际进行试验,只有在配套主机企业提出此方面要求时轴承生产企业才予以进行,如铁路客车轮对轴承及小轿车的轮毂轴承等。总之,国内在开展模拟和实际运行试验方面还不广泛,应进一步扩大主机范围或实际工况范围,为仿真试验早日提到日程作好充分的软、硬件准备。主要研究内容和目标为了进行仿真试验,需先对一些代表性类型的典型产品进行台架或模拟试验,找出寿命与承载、工况之间的函数关系,而后利用这种关系,通过计算机进行轴承设计和试验工作,这通常只是针对那些极为重要的产品才进行的试验。根据我国现有能力,今后十年主要目标是对铁路车辆轴承、汽车轮毂轴承以及高速度磨床主轴轴承进行仿真试验研究,并逐渐具备一定的仿真试验条件。研究内容如下:·在铁路车辆、汽车轮毂、机床主轴的模拟试验设备上建立仿真系统。·通过典型试验数据找到铁路、车辆、汽车轮毂、磨床主轴{HotTag}轴承的数学模型。·编制计算机仿真系统软件。润滑技术技术概要滚动轴承在运动中由于阻力使轴承不断磨损而失效,润滑脂和润滑方式的不同,对降低轴承摩擦磨损效果不同。因此润滑技术已成为轴承技术研究的重要组成部分。有人把润滑脂称为“轴承的第五个零件”(其他为内圈、外圈、滚动体、保持架)。阻碍滚动轴承旋转的阻力由滚动磨擦、滑动磨擦和润滑剂磨擦组成。当滚动体在滚道上滚动时会出现滚动磨擦;滑动磨擦出现在保持架中滚动体的引导面上、保持架的挡边引导面上以及滚子轴承中滚子端面和套圈挡边上。润滑剂磨擦则由润滑剂在接触处的内部磨擦以及润滑剂的搅拌和挤压所组成。一套轴承的总磨擦即滚动磨擦、滑动磨擦和润滑剂磨擦的总和就是阻抗轴承运动的阻力。研究润滑技术的任务就是开发不同润滑脂及其润滑方式,使其轴承阻力较小,寿命较长。国内外发展趋势国外先进工业国家,对常见工况下的轴承润滑脂,技术和生产上已完全过关,已形成系列品种和批量生产能力,当前主要趋势是研究提高一些特殊情况下润滑脂的性能,如正在研究提高宇航用全氟醚润滑脂的真空稳定性,爬移性以及粘温性能等;又如低温脂,虽在应用中有较好效果,但其润滑机理未能有很好的理论阐述。再如,研究在高温(200-4000C)下使用气态润滑剂的研究等。我国当前轴承润滑的研究任务极重,如果经费允许,应重点解决以下几个问题:其一,提高现有密封轴承润滑脂在常温环境下的使用寿命;其二,提高低噪声轴承润滑脂振动性能;其三,研究开发常见工况下轴承润滑脂新品种,开拓创新。主要研究内容和目标根据我国轴承润滑脂与国外的差距,今后十年润滑脂的研究内容与目标是:研究提高润滑脂寿命的途径,对家电用密封轴承(如洗衣机、吸尘器、计算机、空调器等)和难以进行维修或拆卸对运行精度构成破坏部位的密封轴承(精密机床主轴、精密仪表转轴、深水作业机械传动系统等),使其所用润滑脂寿命等同于机械寿命;研究润滑脂降噪性,使低噪声轴承(v3/z3、v4/z4等)取得降噪值达3-5dB以上;研究开发15-20个润滑脂新品种,形成我国轴承润滑脂系列的基本格局。其中高温、常温、低温等约8-10个品种,一般中等或极高水平的电机轴承润滑脂5-8个品种以及航天航海等特种工况下轴承润滑脂5-8个品种。密封技术技术概要新近发展的滚动轴承,在两端面都安装有相应的密封装置。其作用一方面是保护轴承内部的润滑脂在使用中不会流失,保证轴承处于润滑状态;另一方面是保护轴承,使外界的尘埃或有害气体不会进入轴承内腔,以免对轴承造成损伤。常见的有橡胶或工程塑料的密封圈,也有钢板冲制的密封圈。密封结构多种多样,密封的效果不一样。密封圈与轴承之间有间隙的,称非接触式密封,间隙越小,密封效果越好,但允许轴的转速面积越小;密封圈与轴承之间无间隙的,称接触式密封,密封圈接触唇的接触面积越大,密封效果越好,但允许轴的转速越小。密封技术主要是研究开发应用于不同工况下的相应密封装置,以及该密封圈材料与相应润滑脂的共融性等。国内外发展趋势日本的几大轴承公司代表了轴承密封技术发展的方向。他们在开发密封技术发展方向和轴承装置技术方面历史较早,研究有深度,目前密封技术较为成熟。从单密封唇发展到多密封唇,从接触式密封开发出非接触密封等;从产品类型看,球轴承、滚子轴承均有。我国跟随国际发展趋势,也开发出了具有密封圈的深沟球轴承、水泵轴承、铁路轴承、滚针轴承以及短圆柱滚子轴承几大类轴承,其中深沟球轴承产量较大,应用面较广。根据国家技术监督局近期对我国密封轴承质量检测结果来看,我国密封轴承结构设计问题较大,密封效果不好,漏脂现象较严重,用户反应强烈。经分析,主要的原因是我国现行的密封圈设计结构不合理,内圈不带密封槽,再加上制造精度不高等。因此,我国轴承密封技术今后发展的趋势是:以深沟球轴承为代表,开展密封技术试验,寻找较佳密封圈结构和较佳密封间隙;开展密封材料研究,寻找耐磨损,耐老化,耐高温及抗腐蚀的材料,为提高接触式密封寿命,开发高温条件下或在有害气氛条件下工作的密封圈打下技术基础。主要研究内容和目标根据当前我国密封轴承质量低劣的现状,今后主要研究内容是:首先是加强研究试验,筛选出深沟球轴承的密封圈结构并开发相应轴承内圈密封槽结构,进行现行深沟还需轴承密封结构的更新换代,争取在2005年使该类轴承密封性能赶上国际20世纪90年代末同类产品的先进水平;其次是结合我国轿车工业的发展,开发适合于在120-1800C高温下长期工作的高温密封轴承;第三是以铁路车辆轴承为代表开发圆锥、圆柱滚子轴承系列用密封新结构。降噪技术技术概要轴承噪声是环境的重要污染源,也是轴承行业需要控制的重要指标,特别是对家电,办公机械、仪器仪表用轴承噪声限值更为突出。近十多年,我国轴承行业在降低轴承噪声方面做了许多工作,使轴承降噪水平有很大提高,但是与国外相比,仍有一定的差距,用户反映突出的是“异音”问题,即轴承运转中出现一种不规则的突发声,甚至尖叫声。轴承噪声影响因素很多,也很复杂,需要从轴承的整体设计,轴承的每一个零件——内圈、外圈、保持架、滚动体和润滑油去分析研究,也需要从轴承每个零件所用的材料、加工工艺过程乃至工程中采用的设备、工艺材料等方面去分析研究。这是轴承噪声技术所涉及的基本内容。国内外发展的趋势技术的发展是无止境的,尽管国外先进的轴承公司轴承降噪水平已很高了,但仍提出进一步的发展方向,即向“静音”轴承发展,我国轴承产品今后十年在噪声技术方面发展趋势是:一是解决轴承的“异音”,二是使降振水平上一个新台阶,即赶上国外先进工业国家轴承的20世纪90年代末的水平。主要研究内容及目标为了解决轴承“异音”问题和使降振水平上一个新台阶,在技术标准上增加控制振幅限值,因此,主要研究内容是提高滚动体表面和圈滚道的圆度,解决保持架与滚动体之间引导平稳性,同时降低润滑脂的杂质颗粒度,与相应滚动表面接触亲合的均衡性。要求滚动体和滚道粗糙度控制度达0.001μm;润滑脂的杂质颗粒不大于0.01μm;提高保持架球窝真圆度,使保持架与滚动体之间的窜动量精度达0.01μm。

日本NSK轴承

NSK成立于1916年,是日本国内第一家设计生产轴承的厂商。几十年来,NSK开发出无数新型轴承,满足世界各地用户的需求,并为产业发展和技术进步做出了极大的贡献。同时NSK凭借其在精密加工方面的技术优势,不断开发汽车零部件、精密机械组件等高、精、尖产品,在电子应用等领域积极开展多元化经营。
NSK在全球20多个国家和地区建立了销售网络,并拥有30多家工厂,行业排名在世界范围内稳居榜首。

瑞典SKF轴承

SKF优秀的工程师们经常组队到各工厂稽核生产流程的工序。美国福特汽车对其供应商的质量评估系统范围不单包括产品、工作表现,设计及制造;更对供应商提供技术支援的能力、及时供货、市场领导地位、价格定位、适应力和灵活性及创新几方面的表现评估,并对最佳表现者颁赠“Q1质量第一奖座”,作为福特汽车供应商的20家SKF工厂全数获得此奖项。

SKF也曾荣获通用汽车、大众汽车、墨西哥日产、佳士拿、劳斯莱斯、奥迪、英国铁路、Black&Decker、亚特拉科普柯颁赠的同类殊荣。

德国FAG轴承

象征德国工业技术的最高成就,广泛应用于各行各业中,其它品牌轴承不能胜任的地方,其代表作有高速、高精度主轴轴承,极限转速高于任何其它品牌。而这种优良特性普遍反映在FAG的所有轴承上,即具有较高的极限转速和承载力。

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