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軸承發展簡史--現代軸承的發展--我國軸承產業的發展

軸承是機械傳動軸的支承,是實現主機性能、功能與效率的重要保證,被譽為機器的“關節”。其主要功能是傳遞力和運動,減少摩擦損失。

 不要以為這么高端的器件是近現代的產物,不,軸承在地球上已經存在8000年了。


軸承初現


8000年前的新石器時代,中國出現了慢輪制陶工藝。制陶用的陶輪是一個裝有直立轉軸的圓盤,把和好的陶土或粗坯放在陶輪的中央,使陶輪轉動。

距今8000年的跨湖橋文化遺址出土的木質陶輪底座

這個木質陶輪底座像個梯形圓臺,上臺面中心位置有一個凸起小圓柱,它就是陶輪轉盤用的軸。轉盤通過圓臺上的軸來支撐旋轉,這是現在已發現的最早的軸承原型。

跨湖橋文化遺址陶輪工作示意圖

此后過了2000多年,距今6000年古埃及啟動了浩瀚的金字塔修建工程。

修建過程中,古埃及人在撬板下放置一排木桿,利用木桿的滾動使重物移動,人們叫它木倫運輸。

這與現代直線運動軸承使用的是用一種工作原理,只不過有時用球代替滾子。

 后來人們發現用直徑大的木輪運輸速度更快,于是木輪的直徑越來越大,逐漸演變成帶軸的輪子,這便形成了最早的車輪雛形。當然,車輪也是我們中華民族的發明。

距今4700年的黃帝時期,人類歷史上第一部車輛駛上歷史舞臺。

黃帝造車,故稱軒轅氏。

軒是古代一種有圍棚的車,轅是車的基本構件。

到了2700多年前的春秋時期已經發明了車軸的潤滑劑。有《詩經》為證:

載脂載轄,

還車言邁。

遄臻于衛,

不瑕有害?

——詩經 邶風泉水

轄在古代解釋為“車軸端鍵”。用于古車上,它相當于我們現在所說的銷釘,穿過軸端,可以將車輪“轄”住,使車輪軸向固定;而“脂”潤滑劑,“還”即回家,“邁”就是快。

這幾句詩譯成現代漢語,就是:用油脂,將車軸潤滑,在軸端,把銷釘檢查,驅車遠行,送我回家 ??炜斓刳s到家鄉衛??!切莫讓我問心有愧。

人類就這樣在懵懵懂懂間使用著軸承原理。

直到距今2200年,由于周、秦、漢朝對軸承技術發明和應用的廣泛實踐,在秦漢時代的一些重要文化典籍中,對這種器件已經有了明確的記載,并且有了專用名詞,比較常見的有“軸”、“釭”、“锏”等,后來又逐漸發展為“軸受”(見《說文解字》)?,F在日語中對軸承的文字表達仍為 “軸受”。

 從發掘出的文物可以看出秦漢時期的“軸受”具備內腔結構,可以放置滾子。這種“軸受”被認為是人類制造的初代滾動軸承。

▲在中國陜西農村發現的具有內腔的環形青銅制品(公元前2世紀)圖片來源:《滾動軸承潤滑》

早期的滾動軸承有一個很大的毛病,就是滾子之間會發生碰撞,造成不必要的摩擦。而帶有保持架的現代滾動軸承是1760年由英國鐘表匠約翰·哈里森發明的。距今還不到260年。


現代軸承的發展


初創期

 17世紀是現代軸承的初創時期。

伽利略曾對“固定球”的,或者“籠裝球”的球軸承做過最早的描述,不過一直停留在紙面設計中,在隨后相當長的時間里,伽利略在機器上安裝軸承的設想一直沒有實現。

直到1794年,第一個關于球溝道的專利誕生,英國的一個鐵器制造商用滾珠軸承制造了四輪馬車的車軸軸承。從那時起直到19世紀的50年代和60年代,人們將滾珠軸承廣泛使用在兒童玩的旋轉木馬,螺旋槳軸,軍艦上的機槍轉塔,扶手椅和自行車等器械。

1883年,FAG創始人弗里德里希·費舍爾提出了使用合適的生產機器磨制大小相同、圓度準確的鋼球的主張。這一設想奠定了軸承工業的基礎。

 弗里德里希·費舍爾設計的球磨機

 1895年,亨利·鐵姆肯設計出第一個圓錐滾子軸承,三年后獲得了專利并成立Timken(鐵姆肯)公司。

1907年,SKF軸承工廠的斯文·溫奎斯特設計了最早的現代自調心球軸承。

 斯文·溫奎斯特于1907年繪制的自調心球軸承原圖

 這時中國也沒閑著,清朝時期已經能生產出做工精良的滾動軸承。下圖就是一套滾子軸承,制造精細,套圈、保持架、滾子都和現代的軸承極為相似。

從17世紀到19世紀,現代軸承發展了兩百年的時間,而軸承的工業化生產才剛剛起步。


成長期

兩次世界大戰刺激了軍事工業、機械工業的發展,人們發現軸承的用途遍布汽車、飛機、坦克裝甲、機床、儀器、儀表、自行車、縫紉機等等領域,幾乎是萬能的存在。

第二次世界大戰時期,隨著戰爭手段的現代化,人們對軸承的認識和重視升華到了空前的高度,各個國家都急需軸承,急盼建立軸承工業。于是乎,一大批軸承廠在各國先后出現,軸承的種類更是井噴式的增長。


發展期

近幾十年來,隨著航空航天、核電工業、電子計算機、光電磁儀器、精密機械等高新技術的飛速發展,體現當代科學技術水平的世界軸承工業進入一個全面革新制造技術,迅速發展品種,大力提高性能、精度,日益成熟完善的歷史新時期。

這個時期軸承品種應有盡有,用途包羅萬象。目前軸承品種數以萬計,特大型軸承大到38米,微型軸承小到零點幾毫米。

即有傳統單列、雙列、多列球軸承、滾子軸承、滾針軸承、圓錐軸承、更有無潤滑軸承、自潤滑軸承、角接觸軸承、傳器軸承、萬向節軸承、超薄壁軸承、輪轂單元軸承、空氣軸承、直線軸承、超導軸承、磁浮軸承等等。

軸承的分類

在這些軸承中,應用最廣泛,標準化、產業化程度最高的是滾動軸承。在理論研產品制造與應用技術方面,人們也是對滾動軸承情有獨鐘。


軸承的技術特征


軸承技術的本質特征主要表現在5個方面:

1 運動學特征——摩擦及高速旋轉運動

旋轉是滾動軸承最常見的運動形式。旋轉過程中產生摩擦,摩擦的直接結果是發熱和磨損,并由此引發傳動系統一系列的應用問題,輕則降低效率、影響主機功能與性能的發揮,重則導致燃軸事故和損壞主機部件。

在軸承技術中,高速度旋轉下的摩擦熱問題最為突出,是軸承技術發展的主要瓶頸之一。

2 動力學特征——高頻交變載荷及彈性接觸應力與變形

傳遞運動與載荷是軸承的基本功能,也決定了軸承服役過程的動力學特征。對軸承的力學分析從靜彈性力學到擬動力力學分析的工程應用,已經走過了近200年的時間,但是成熟的動力學模擬仿真至今未完成。擁有足夠長時間的實驗數據積累,但缺乏分析計算工具是軸承動力學研究的尷尬之處。

3 摩擦學特征——摩擦、磨損與潤滑成為軸承服役性能典型表現

人類認識與利用摩擦已經有8000年的歷史,通過科學實驗應用現代科學技術來分析研究摩擦不過500年,而將摩擦學發展為一門學科還不到50年。摩擦學的誕生,加深了工業領域摩擦現象的深入研究。隨著軸承應用范圍的拓展,對于軸承接觸面摩擦的研究逐步由宏觀發展到微觀,已經進入分子層面、納米尺度。

4 界面力學與應用技術特征——高端軸承接觸面的微觀分析及應用技術

“界面力學”的研究已經成為高端軸承設計與制造工程學的重要基礎和內容。軸承性能提升很大程度上是界面科學與技術范疇的課題。

5 失效特征——以表面疲勞為主要形式

滾動軸承工作“表面層”的物理、化學和力學狀態,冶金質量如顯微結構變化、再結晶、晶間腐蝕、合金貧化等,是引起疲勞失效的重要因素。


我國軸承產業的發展


我國現代軸承工業從清朝末年開始萌芽,經過了漫長的停滯階段,直到解放后才得以發展。2021年,我國軸承行業已發展1400多家規模以上企業,其中滾動軸承的年產量215億套,出口61.8億套。我國軸承產業規模位居世界第三位,市場占有率約為全球市場的20%。

20世紀90年代到21世紀初的十多年,是我國軸承產業快速發展的階段,這段時間先后建成浙江東部、長三角、遼寧瓦房店、山東聊城、河南洛陽5個產業集聚區。

 我國軸承工業發展迅速,同時也擁有與其他工業產業相同的瓶頸——大而不強。中國在中低端軸承領域早已是全球最大的生產和銷售基地,但在高端軸承領域卻少有發言權。國際上高端軸承產品及制造技術基本上被瑞典、德國、日本、美國所壟斷,我國每年進口軸承40億美元左右,其中70%為民用高端軸承。

 軸承的發展離不開軸承材料、精密制造兩大類技術的發展。

1 材料技術

用來制造軸承的鋼材被稱為軸承鋼。著名冶金專家、工程院院士殷瑞鈺就曾指出“軸承鋼用來做球的、做錐的、做棒的、做套的,對實物質量的要求都不一樣,如果都使用同一種鋼材制造,產品的質量必然是有問題的”。國外公司針對不同尺寸和用途的軸承零件,開發和應用了不同的鋼種,而國內軸承鋼的品種種類比較單一,無法完全滿足高端軸承的制造要求。

鋼材質量方面也存在良莠不齊的問題。我國有20多家鋼企具備軸承鋼生產能力,以興澄特鋼為例,其軸承鋼已連續九年位列世界軸承鋼產銷量第一,且大量出口瑞典SKF、德國SCHAEFFLER(FAG)、日本NTN等世界知名軸承企業。說明我國軸承鋼產品質量是得到國際認可的,甚至達到了世界先進水平。但也有相當數量的企業,軸承鋼產品質量差強人意,甚至還有一些劣質產品渾水摸魚,擾亂了軸承鋼市場環境。

這就是軸承鋼材產業目前所的問題所在。

 2 精密制造技術

 國外知名軸承公司成形加工技術的先進水平體現在:

自動化程度高,普遍采用自動生產線,并配有在線檢測、自動分選,以減少人為誤差

產品一致性高,熱處理后的硬度均勻性高

注重表面微觀形貌

精密技術考驗了企業的硬件設備、人工技術、企業匠心等等,我國在制造技術上的差距主要表現在高精度加工裝備及工藝穩定性,檢測與試驗技術,數據的處理和積累,數字化建模與仿真分析等方面。


高端軸承關鍵共性技術路線圖


 《高端軸承技術路線圖》中國軸承工業協會


文章來源:微信公眾號:新材道(id:MatDao)

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