論我國重大技術裝備軸承的自主安全可控

何加群

(中國軸承工業協會，北京 100055)

習近平總書記多次強調“對國之大者要心中有數”。他指出“要時刻關注黨中央在關心什么，強調什么，深刻領會什么是黨和國家最重要的利益，最需要堅定維護的立場?！薄爸挥性?‘國之大者’中找準坐標，把工作放到‘國之大者’中思考，才能順勢而為、有所作為。相反，若是對‘國之大者’心中沒數，只是強調個人或局部的‘想要’，而不去考慮‘國之大者’的‘需要’，不僅不可能有所作為，而且可能給大局和全局帶來影響和損失。在這個問題上，必須頭腦特別清醒?！?/p>

什么是“國之大者”，習近平總書記指出“黨中央關心的、強調的，就是‘國之大者’，即事關全局、事關根本、事關未來、事關黨和國家事業興衰成敗的大政方針和戰略部署。”

我們軸承企業面臨一系列“國之大者”，必須對“國之大者”心中有數，在“國之大者”中找準坐標，其中一個需要我們高度關注的“國之大者”就是重大技術裝備軸承的自主安全可控。

1 重大技術裝備是“國之大者”

黨和國家對重大技術裝備，包括重大技術裝備配套軸承的自主安全可控高度關注，近些年來陸續發布了一系列方針政策，見表1。

從國家歷次作出重大戰略決策的文件中可以發現，國家重點發展的關鍵領域中的重大技術裝備都少不了以下幾項：

1)航空航天裝備；

2)先進軌道交通裝備；

3)高端機床裝備；

4)先進工程機械裝備；

5)海洋工程裝備；

6)清潔能源裝備；

7)先進農業裝備；

8)高端醫療裝備。

以上幾項就是黨和國家高度關注的“國之大者”，黨和國家一再強調要重點發展關鍵領域的重大技術裝備，這需要大量的高端軸承進行配套，因此，我們應在重大技術裝備配套軸承自主安全可控的“國之大者”中找準坐標。

2 “十三五”期間重大技術裝備配套軸承的開發情況

“十三五”期間，我國軸承行業進行了大力度的重大技術裝備配套軸承和其他高端軸承的研發→工程化→產業化，提高了為重大技術裝備配套的能力，具體情況見表2。

表1 國家關于重大技術裝備重點領域的規定

表2 “十三五”期間我國重大技術裝備配套軸承和其他高端軸承的開發情況

其中，洛陽軸承研究所有限公司為探月工程提供了多款關鍵軸承，包括：用于衛星微波同軸開關的高精度、高靈敏、高真空固體潤滑軸承；用于光學掃描相機支承機構及太陽帆板展開機構的高精度、高真空固體潤滑軸承；用于火箭發動機渦輪泵的高速、低溫、重載自潤滑軸承等。同時承擔“嫦娥五號”月球采樣關鍵部件——鉆進機構回轉軸系的研發與制作，助力我國探月工程重大科技專項三步走發展戰略畫上圓滿句號。

3 “十四五”期間我國重大技術裝備配套軸承的開發任務

我國戰略性新興產業和制造強國戰略重點發展領域需要大量的高端軸承為重大技術裝備配套，軸承行業應著力進行這些軸承的研發→工程化→產業化，涉及到的具體領域及軸承類型見表3，其中需組織研發→工程化→產業化聯合攻關的重大技術裝備高端軸承標志性產品見表4。

表3 “十四五”期間我國重大技術裝備配套軸承和其他高端軸承的開發任務

表4 建議“十四五”聯合攻關的高端軸承標志性產品及相應參與單位

表4 (續)

4 矢志重大技術裝備軸承標志性產品的高端突破

由于主客觀等多方面的原因，我國為重大技術裝備配套的高端軸承的研發→工程化→產業化步履艱難。但我們要不氣餒、不松勁，以守土有責、守土擔責、守土盡責的歷史擔當，矢志重大技術裝備軸承標志性產品的高端突破，賡續砥礪前行。

4.1 民用航空發動機主軸軸承

4.1.1 研發基礎

我國航空配套軸承工業從20世紀50年代中期開始起步，主要面向軍用飛機，大致經歷了修理更換、測繪仿制、試制生產、批量(定型)生產、全面發展、行業調整、技術提高等發展階段。國內航空軸承行業總體上形成了以“三廠一所一?！睘橹鞲闪α康男袠I布局。近年來，又有一些企業進入了航空軸承領域，國內航空軸承行業已基本具備了產品設計、研制開發、加工制造和試驗各類航空配套軸承的能力。近60年來，我國軸承行業先后研發生產了千余種、近一百萬套不同型號的航空發動機配套主軸軸承、飛機附件及發動機附件軸承，其他航空配套軸承。我國軸承行業研發民用航空發動機主軸軸承已具備了一定的基礎條件。

4.1.2 技術指標及典型產品

民用航空發動機的總體結構如圖1所示，其主軸軸承的典型產品及結構如圖2所示，主軸軸承的技術指標要求為：dn值大于3.0×106mm·r/min，耐高溫 250～300 ℃，壽命 15 000 h以上。

1—風扇；2—中壓壓氣機；3—高壓壓氣機；4—高壓渦輪；5—中壓渦輪；6—低壓渦輪；7，12—低壓軸承；8，11—中壓軸承；9，10—高壓軸承。

圖2 發動機主軸軸承結構示意圖

4.1.3 關鍵技術

航空發動機主軸軸承是軸承產業皇冠上的明珠，其設計和制造技術涉及到軸承科技金字塔頂端的諸多硬科技，甚至黑科技，本文僅列出以下幾項：

1)進行包括熱分析、動態特性分析及熱彈流分析的軸承動力學分析并以此為基礎進行仿真設計；

2)進行包括疲勞壽命、磨損壽命、精度壽命、振動壽命、摩擦壽命的軸承綜合壽命研究；

3)對造成軸承早期失效的潛在失效因素和失效模式進行研究，采取對策，預防早期失效；

4)開發應用新一代耐高溫400 ℃以上，接觸應力2 400 MPa以上的軸承鋼；

5)推行以改善軸承應力分布，降低最大接觸應力，延緩表面和次表面裂紋源形成和疲勞裂紋擴張為要義的表面完整性制造和抗疲勞制造；

6)進行以降低摩擦力矩，提高耐磨性，減輕打滑損傷為目標的單元素或多元素離子注入等表面改性技術的研發應用；

7)進行小樣本、概率分布未知條件下的靜態試驗和動態試驗的理論研究及試驗方法、試驗手段的研發應用；

8)研發新一代模擬工況的軸承性能、耐久性和壽命試驗裝備及技術。

4.1.4 市場預測

我國民用飛機年產量及相應的配套軸承需求量見表5，其中按每架飛機需配套軸承2 000套(發動機軸承900 套)計算，每架直升機需配套軸承1 500 套計算。

表5 我國民用飛機產量及相應配套軸承需求量

據統計，2017年我國民用客機保有量3 250架，全球占比15%，預計2035年升至8 684架，全球占比19%。如此大的客機保有量，需要維修的軸承數量也很巨大。

4.1.5 小結

盡管與國外先進水平還有很大差距，我國軍用航空發動機主軸軸承已實現自主安全可控，民用航空發動機主軸軸承則全部靠進口，實現自主安全可控任重而道遠。

4.2 高速動車組軸箱軸承

高速動車組軸承包括軸箱軸承、變速箱軸承和牽引電機軸承。本文討論其中價值最高、可靠性和安全性也要求最高的軸箱軸承。

4.2.1 軸箱軸承類型

我國高速動車組應用的軸箱軸承有2類:1)SKF雙列圓柱滾子軸承(圖3)；2)FAG，NSK，NTN的雙列圓錐滾子軸承(圖4)。

圖3 雙列圓柱滾子軸承的結構形式

圖4 雙列圓錐滾子軸承的結構形式

動車組技術來源和進口軸承的生產廠家見表6，各型動車組軸箱軸承基本信息見表7，至2020年，全國鐵路擁有動車組數量3 918標準組，共31 344輛。

表6 動車組技術來源和進口軸承的生產廠家

4.2.2 技術指標和關鍵技術

高速動車組軸箱軸承的技術指標見表4，其關鍵技術如下。

①軸承產品的仿真分析和數字化設計

采集并編制高速動車組軸承載荷譜，進行動力學仿真分析，產品數字化建模，產品整體結構優化設計和微觀結構優化設計(包括滾動體和滾道凸度修形，滾動體球基面與擋邊接觸狀態，各工作表面硬度和粗糙度匹配等)。

表7 各型動車組軸箱軸承基本信息

②軸承鋼材的研發和制備

制訂高速動車組軸承鋼材標準并按標準研發、制備高速動車組軸承鋼材，提高對夾雜物和碳化物的含量、大小、形狀、分布狀況的控制水平。

③軸承滾子的研發和制備

研發配套高精度圓錐滾子和圓柱滾子的先進制造工藝和數字化裝備并形成生產能力。滾子圓度誤差、基準端面圓跳動、基準端面圓R值散差、規值批直徑變動量、規值批圓錐角變動量(僅圓錐滾子)、滾動表面粗糙度、基準端面粗糙度達到設計要求且有較大的精度儲備。

④軸承保持架的研發和制備

建立保持架穩態分析模型和動力學分析模型，建立保持架運動方程和碰撞、沖擊振動方程，研究保持架設計參數對其轉動慣量、運動軌跡、運動穩定性、碰撞和沖擊振動響應的影響規律。通過以上分析確定合理的設計參數，以保證保持架運動穩定性和抗沖擊能力。

從力學性能、抗沖擊強度、吸水性、熔點、尺寸穩定性等方面進行工程塑料保持架的材料應用技術研究；制訂指導工程塑料保持架生產、檢驗、驗收及使用的規范和標準，形成工程塑料保持架的生產能力。

⑤軸承密封件的研發和制備

從拉伸強度、拉斷伸長率、熱空氣老化性能、硬度變化率、壓縮永久變形量、油脂相容性、尺寸穩定性等方面研究密封件原料橡膠的配方、膠料制造工藝。

研發設計低摩擦力矩、防水防塵防漏脂、低溫升、利于潤滑脂循環潤滑的密封結構；同時研究橡膠的硫化粘接技術與金屬表面處理技術，保證橡膠與金屬的粘接質量，提高密封件的使用壽命。

制訂指導密封件生產、檢驗、驗收及使用的規范和標準，形成密封件的生產能力。

⑥軸承潤滑脂的研發和制備

在摩擦學研究的基礎上，研究軸承潤滑狀態、油膜厚度、接觸區域演化、摩擦磨損的動態發展行為規律，研發適用于高速動車組軸承的高效潤滑脂，保證軸承安全運行的潤滑條件。

形成高效潤滑脂生產、檢測和應用的技術規范。完成軸承潤滑狀態監測與故障診斷技術的研發。形成高效潤滑脂的生產能力。

⑦組建示范生產線進行軸承樣品試制

組建示范生產線，生產足夠數量的用于檢驗、檢測、臺架試驗和裝車試驗的樣品。

⑧軸承臺架試驗

制訂耐久性試驗、防水密封試驗、防塵密封試驗和綜合性能試驗規范并進行相應的性能試驗。

⑨軸承產品標準制訂

大力推動和積極參與有關高速動車組軸承的鐵路行業標準的制訂。

⑩軸承裝車試驗和應用

由國鐵集團按其制訂的試驗規范進行裝車試驗，并實現產業化應用。

4.2.3 市場分析

我國歷年高速動車組的生產數量見表8。預計今后若干年內，全國每年新造高速動車組300標準列左右，每標準列8輛，每輛裝用8套軸箱軸承，則需軸箱軸承8×8×300=19 200(套)。每年需大修同樣數量的車輛，即需換裝新軸承19 200套。則每年的軸箱軸承需求量為38 400套，每套國產軸承按6 000元計算，銷售額約23 040萬元。

4.2.4 政策支持

高速鐵路是戰略性新興產業，是制造強國戰略的重點領域。國產高速動車組及配套軸承的開發應用引起了國家有關部委的高度重視和社會各界的廣泛關注。十多年來，國家有關部委實施了一系列支持國產高速動車組軸承開發應用的政策項目，見表9(據不完全統計，這些項目核定總投資近19億元)。

表8 我國高速動車組生產數量

表9 支持國產高速動車組軸承開發應用的政策項目

4.2.5 高速動車組軸承自主化

由于國鐵集團對高鐵軸承國產化持慎重態度，軸承行業雖以“十年磨一劍”精神開發高鐵軸承，至今仍未達到國產化應用，但我們仍要鍥而不舍，繼續推進高鐵軸承自主化進程。

4.3 數控機床軸承

4.3.1 數控機床軸承系統

數控機床軸承包括高速主軸-軸承系統(含電主軸軸承、動靜壓軸承)、直線導軌軸承、滾珠絲杠等功能部件(圖5—圖7)。

4.3.2 軸承類型及其圖示

成對組配或多聯組配角接觸球軸承如圖8所示，在應用安裝時必須施加一定的預載荷。選擇適當的預載荷可以提高主軸系統剛性，降低溫升，改善系統加工精度。軸承預載荷通常分為輕(A)、中(B)、重(C)3檔，用戶可根據主軸系統的實際工況進行選擇。單、雙列圓柱滾子軸承的結構如圖9所示。雙向推力角接觸球軸承如圖10所示，通常要求SP等級公差，有需要時也可要求UP等級公差。

1—護套；2—前壓緊環；3—前軸承；4—軸承座；5—后軸承；6—后鎖緊螺母；7—后端蓋；8—驅動帶輪；9—帶輪鎖緊螺母；10—編碼器帶輪；11—后緊定螺母；12—后壓蓋；13—后壓緊環；14—后調整環；15—前緊定螺母；16—角接觸軸承組；17—前調整環；18—主軸。

圖6 高速電主軸-軸承系統典型結構圖

圖7 滾珠絲杠與直線導軌軸承

圖8 機床主軸用角接觸球軸承的成組配對

圖9 單、雙列圓柱滾子軸承

圖10 雙向推力角接觸球軸承

4.3.3 關鍵技術指標

1)精度等級P2或P4；

2)精度壽命達30 000 h；

3)溫升小于20 ℃；

4)高速性能穩定提高，dmn值2020年達到3.0×106mm·r/min，2025年達到4.0×106mm·r/min；

5)平均無故障時間(MTBF)由500 h提高到2 000 h；

6)氮化硅陶瓷球軸承采用熱等靜壓處理，達到抗彎強度不小于900 MPa，韋布爾模數不小于12，氣孔率不大于0.02%，壓碎載荷不小于50%，精度等級高于G5的要求。

4.3.4 市場分析

我國軸承行業生產機床軸承的企業有近百家，規模以上企業20余家。目前國產機床軸承以供應維修市場為主，主要應用于低端機床。高檔數控機床使用的精密軸承大部分依賴進口，該市場被國外的NTN，NSK，SKF等公司壟斷。

按照國家統計局和中國機床工具協會的統計，2019年全國共生產金屬切削機床420×104臺，機床軸承類型較多，在此僅以技術含量高，適用面廣，具有一定代表性的主軸軸承和絲杠軸承為例分析市場容量：每臺機床需配套主軸軸承4～6套，絲杠軸承4～8套，則每年新增機床共需配套主軸軸承252×104套，絲杠軸承336×104套；按機床折舊期為8年，主軸軸承使用壽命為0.5年，絲杠軸承使用壽命為2年計算，需要主軸軸承3 528×104套，絲杠軸承1 176×104套；綜合考慮新增機床市場和維修市場的需求，每年國內機床軸承的市場規模為4 500×104套左右，銷售額約60～100億元。

4.3.5 自主化

目前，由于國產軸承的精度保持性和平均無故障時間與國外產品有較大差距，軸承成本在機床造價中占比很小，機床企業缺乏國產化的壓力和動力，不少機床終極用戶對國產軸承品牌不認可，要求機床制造時配置國外品牌軸承等原因，使高檔數控機床的全部軸承以及中檔數控機床的大部分軸承仍依賴進口。

因此，我們需要整合軸承行業幾十年來在數控機床軸承上的碎片化研發成果，在此基礎上將產學研用結合，加大研發和工程化的力度，力爭在較短時間內使軸承精度、性能、壽命和可靠性，特別是精度保持性和平均無故障時間達到國際先進水平。

4.4 工業機器人軸承

4.4.1 軸承類型

減速器是工業機器人的核心部件，而軸承則是減速器的關鍵零件。工業機器人減速器有RV減速器、諧波減速器、擺線針輪減速器、行星減速器等，用量最大，技術水平最高的是RV減速器和諧波減速器，掌握了這2類減速器軸承的技術，也就掌握了工業機器人減速器的最高技術。

如圖11所示，RV減速器軸承包括作為減速器主軸承的薄壁角接觸球軸承，用于偏心軸定位和主體支承的薄壁圓錐滾子軸承，用于擺線輪支承的圓柱滾子(滾針)保持架組件以及用于齒輪支承的薄壁深溝球軸承。

如圖12所示，諧波減速器軸承包括用于剛輪的薄壁交叉圓柱滾子軸承和用于柔輪的柔性軸承。

4.4.2 關鍵技術

工業機器人軸承的安裝空間有限，必須采用輕量化的薄壁軸承和異型軸承。另外，工業機器人的高載荷、高回轉精度、高運轉平穩性、高定位速度、高重復定位精度、長壽命、高可靠性的性能要求配套軸承也必須具備高承載能力、高精度、高剛度、低摩擦力矩、長壽命、高可靠性的性能。輕量化與高性能之間相互矛盾，必須進行綜合考慮：

1)在產品設計方面，不單以額定動載荷為目標函數，而是以額定動載荷、剛度和摩擦力矩等多項指標作為目標函數，進行多目標優化設計,同時采用基于套圈變形的薄壁軸承有限元分析方法。

2)在制造工藝和裝備方面，研發應用易變形、難裝卡、難加工的薄壁軸承，以及異型軸承的套圈鍛造、車加工、熱處理、磨加工、超精加工和裝配的特種加工工藝和工藝裝備；開發機器人軸承動態質量高精度檢測技術，基于磨削變質層控制的軸承套圈精磨加工工藝，薄壁軸承套圈微變形熱處理工藝；研發薄壁軸承負游隙和凸出量精確控制技術、精密裝配技術和套圈非接觸測量技術。

圖11 RV減速器軸承

圖12 諧波減速器軸承

4.4.3 市場分析

從全球市場角度來看，歐洲和日本是工業機器人主要供應商，ABB、庫卡(KUKA)、發那科(FANUC)、安川電機(YASHAWA)占據工業機器人的主要市場份額，約占全球市場份額的50%。機器人減速器70%以上市場份額由日本納博特斯克(Nabtesco，生產RV減速器)和哈默納科(Harmonic drive，生產諧波減速器)壟斷。由表10可知，我國工業機器人市場及國產工業機器人銷量處于高速發展階段：2014年全國工業機器人銷售5.7×104臺，國產工業機器人銷售1.7×104臺，占比29.8%；2016年全國工業機器人銷售8.9×104臺，國產工業機器人銷售2.9×104臺，占比32.6%；2020年全國工業機器人銷售23.7×104臺，國產工業機器人銷售8.3×104臺，占比35%。

預計2021—2025年，全國工業機器人總需求量年均遞增15%，2025年達47×104臺，國產工業機器人將以年均遞增20%的較快速度發展，2025年達20×104臺。

表10 我國工業機器人的銷量

以6軸工業機器人為例進行分析，其需配套4個RV減速器和2個諧波減速器，則配套軸承數量為66套(表11)，價值約6 000元。2020年全國工業機器人需求約23.7×104套，需配套軸承1 564×104套、價值14億元，其中國產工業機器人8.3×104臺，需配套軸承548×104套、價值5億元；2025年全國工業機器人需求47×104臺，需配套軸承3 100×104套、價值28億元，其中國產工業機器人20×104臺，需配套軸承1 320×104套、價值12億元。

表11 工業機器人減速器配套軸承種類及數量

4.5 盾構機主軸承

4.5.1 軸承類型

盾構機是集機械、電氣、液壓、光學、力學、氣動、傳感、信息、導向為一體，能夠完成掘進、支護、出渣等施工工序并進行連續作業的工廠化流水線式作業的隧道施工裝備，被譽為“工程機械之王”，是衡量一個國家裝備制造業水平的重大關鍵裝備。隨著我國城市地鐵、鐵路隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃氣管道工程、排污管道工程、供熱供冷管道工程、電纜管道工程盾構法施工的全面鋪開，盾構機市場總需求呈快速增長趨勢，也給盾構機軸承帶來廣闊的市場。

刀盤是盾構機的關鍵部件，在隧道掘進過程中發揮著重要作用。刀盤系統中的主軸承是傳遞掘進動力和運動的核心零件，在工作中承受著巨大的軸向力、傾覆力矩和一定的徑向力，其性能、壽命和可靠性直接影響盾構機的施工進度、安全和掘進里程。小尺寸盾構機主軸承通常采用四點接觸球和交叉圓柱滾子結構，個別有雙列圓錐滾子結構。量大面廣的盾構機主軸承主要有三排三列圓柱滾子組合軸承和三排四列圓柱滾子組合軸承，其中最常用的三排三列圓柱滾子組合軸承可分為內齒式(圖13)和外齒式(圖14)。

圖13 土壓平衡盾構機內齒式主軸承

圖14 泥水平衡盾構機外齒式主軸承

盾構機主軸承的功能主要是支承及傳遞運動與載荷，然而由于盾構機轉速極低，載荷極大且不可準確預測，可靠性要求極高，使盾構機主軸承承擔著極大的風險，也對其設計制造提出了苛刻的要求。由于地質結構的不均勻性，盾構機掘進阻力的大小、方向可能劇烈變化，盾構機主軸承常常工作在沖擊、偏載等極端工況下，對軸承的材料和熱處理、結構、剛度、強度、壽命和可靠性等技術指標要求嚴苛。另外，還要求盾構機主軸承安裝部位有可靠的密封，軸承內部有良好的潤滑，相關密封結構和潤滑劑均需特殊設計以滿足苛刻的環境工況。

4.5.2 技術指標和關鍵技術

盾構機主軸承的技術指標見表4，其關鍵技術如下。

①設計技術

建立覆蓋典型地質條件的工況數據庫，制定滿足靜強度分析、動力學分析、可靠度預測、性能和壽命試驗所必需的定常和非定常動態載荷譜、特殊工況下的極限載荷譜等。

完成盾構機主軸承失效數據搜集和分析，編制典型工況條件下的失效圖譜。

開展低速、重載、沖擊條件下盾構機主軸承的潤滑理論及摩擦學研究，定常和非定常動態工況下主軸承的接觸力學和動力學特征研究并形成相應的設計理論。

進行盾構機主軸承可靠性理論研究，建立不同地質和掘進工況條件下主軸承的可靠性理論與剩余壽命預估技術。

開展盾構機主軸承強度、剛度及壽命設計理論研究，主參數、滾子和滾道的理想凸度、軸承游隙、密封結構、保持架等零件結構參數的優化設計，以及性能仿真與壽命預測軟件的開發。

②控形控性制造技術

制定盾構機主軸承專用的鋼材質量控制標準，建立鋼材質量控制系統，實現“四化”要求，即成份設計智能化、內在質量高純化、生產過程自動化和冶金質量一致化。

開展精密熱處理技術研究，開發3個滾道同時淬火的無軟帶熱處理工藝和齒輪淬火工藝，研制專用數控熱處理設備和工裝，提高淬火質量的一致性和穩定性；開發具有自主知識產權的材料性能模擬軟件，動態在線控制及檢測技術和表面改性技術。

全面掌握盾構機主軸承零件精密加工技術，開發滾道硬車工藝、CBN等超硬刀具制造技術。

全面掌握盾構機主軸承潤滑與密封系統的設計制造技術。

全面掌握盾構機主軸承再制造技術，制定主軸承再制造質量標準。

③質量控制與健康狀態監控技術

制定盾構機主軸承產品標準，嚴格規定基本參數、材料、熱處理、內在和表面質量等技術要求、試驗方法和檢驗規則。

開發盾構機主軸承無損檢測技術，制定無損檢測技術規范。

研制內嵌式超微型傳感器，開發數字化、網絡化和智能化的狀態監測與故障診斷軟件。

研制盾構機主軸承試驗臺，考核啟動摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性等性能，形成盾構機主軸承試驗規范。

4.5.3 市場需求

全球已累計生產盾構機超過10 000臺，保有量達5 000多臺，年需求量300～500臺。目前，我國已成為世界上生產和使用盾構機最多的國家，每年需求量約400臺(其中國產約300臺)。另外，國內在役的盾構機約1 800余臺，這些盾構機主軸承超過設計壽命后均需要維修和更換。按上述數據粗略估計，盾構機主軸承的年需求量達400套、約12億元。

4.5.4 自主化

經過艱苦努力，我國已實現盾構機國產化并向國外出口，但盾構機主軸承仍全部依賴進口，主要采用ROTHE ERDE，SKF，ROBALLO，KOYO，IMO等幾家公司的產品。國家科技部從2007年開始布局盾構機主軸承的國產化研發，經過十多年的努力，盾構機主軸承的研發已具備一定基礎。洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團聯合攻關研制的國內首套φ6.28 m盾構機主軸承已于2016年9月下線并應用于合肥地鐵3號線的盾構施工，至2018年3月，經過一年多的施工應用，累計掘進里程2 369.65 m，順利完成標段工程。2019年1月14日，洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團合作研制的φ11 m盾構機主軸承下線并成功應用于舟山海底隧道的施工。2021年年初，中交天和機械設備有限公司自主研發制造的我國最大直徑(16.07 m)泥水平衡盾構機“運河號”下線，其裝配了洛陽軸承研究所有限公司開發的特大型管片拼裝機轉盤軸承。

盾構機主軸承是可靠性、安全性要求極高的產品，其自主化任重而道遠，需要花真功夫，下大力氣，產學研用緊密合作，積極慎重地推進盾構機主軸承的研發→工程化→產業化，最終實現自主安全可控的目標。

4.6 風力發電機組軸承

4.6.1 我國風電產業發展概況

2006年起，我國風電產業“井噴式”發展，截至2020年，全國(除港澳臺地區外)累計裝機超15×104臺，累計裝機容量超2.9×109kW。因政策和消納能力的影響，我國風電產業在此期間二次起落，目前又進入了高速發展階段(表12)。

從產業布局上看：我國風電產業從集中式開發向分散式開發發展；從“三北”(西北、華北、東北)向中部、東部、南部發展；向“二海”(海上、海外)發展。

從產品結構上看：平均單機容量逐年增大，已由2010年的1 000 kW以下增大到2017年的2 100 kW，2020年的2 668 kW，目前還在繼續增大；主流機型為陸上2.5～3.0 MW，海上4～5 MW；雙饋型和直驅型并存，直驅型的占比逐步增大。

表12 2008—2018年全國風電新增和累計裝機容量

2020年因政策因素導致的搶裝潮過后，風電軸承的需求不會下降很多，而是趨于平穩，主要是由于海上風機的需求逐步增加，而且前期風場已達20年的壽命期限，需要更新換代。按照國家確定的2030年碳達峰、2060年碳中和的“30·60雙碳目標”，要求2030年非化石能源在總能源中占比達到25%，光伏和風電要新增裝機容量不小于10×109kW，平均每年新增裝機容量約1×109kW，其中風電平均每年新增裝機容量約0.5×109kW，是以往正常年份平均值的1倍以上。

4.6.2 風電機組軸承類型

風電機組軸承主要包括偏航軸承、變槳軸承、主軸軸承、增速器軸承、發電機軸承(圖15)。其中，偏航軸承、變槳軸承和2.5 MW以下主軸軸承已國產化。各種功率的增速器軸承、發電機軸承，2.5 MW以上主軸軸承則主要靠進口，亟待自主化。

圖15 風電機組軸承示意圖

①偏航、變槳軸承

如圖16所示，偏航軸承安裝于塔筒頂端、機倉底部，承載風機主傳動系統的全部重量，用于準確適時地調整風機迎風方向。變槳軸承將槳葉與輪轂結合在一起，根據風向調整槳葉迎風角度使其達最佳狀態。偏航、變槳軸承要有足夠的強度和承受軸向力、徑向力、傾覆力矩聯合作用的能力，要求運行平穩，啟動力矩小，潤滑、防腐及密封性能好。

圖16 風電機組偏航、變槳軸承結構示意圖

偏航、變槳軸承為特大型轉盤軸承，外徑約0.5～4.5 m，重0.5～6.0 t。偏航軸承的結構形式主要有單列四點接觸球轉盤軸承(無齒式、內齒式、外齒式)和雙列四點接觸球轉盤軸承(無齒式、內齒式、外齒式)2種；變槳軸承多采用雙列同徑四點接觸球轉盤軸承(無齒式、內齒式)。

近年來，隨著風電機組單機容量的不斷增大，暴露出包括軸承在內的變槳系統剛性和承載能力不足的問題。需要以提高剛性和承載能力為要義，改進變槳系統整體結構的設計，其中，變槳軸承已證實的一項有效措施就是以滾子軸承取代球軸承。目前，國外取代率已達30%，國內取代率約15%，需加大取代的力度。

②主軸軸承

風電機組的主軸起著支承輪轂及葉片，傳遞扭矩到增速器的作用，主軸軸承(圖17)是風電機組主傳動鏈系統的關鍵部件，不僅要承受風力載荷，還要承受主軸、增速器的重力載荷，工況復雜。根據風電機組的單機功率、整體結構、工況、制造成本、安裝工藝等因素，主軸軸承需采用不同配置：

圖17 風電機組主軸軸承結構示意圖

1)三點式支承，采用一個調心滾子軸承，與增速器兩邊的彈性支承形成三點式支承，應用于低兆瓦級風電機組。

2)二點式支承，有調心滾子軸承+調心滾子軸承，單列圓錐滾子軸承+單列圓錐滾子軸承，圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承，GARB軸承+調心滾子軸承4種配置，應用于中等兆瓦級風電機組。

3)單點式支承，大多采用大錐角雙列圓錐滾子軸承，亦有采用三排圓柱滾子軸承，應用于大兆瓦風電機組。

近年來，大兆瓦風電機組主軸軸承事故頻發，初步分析原因是風電機組主軸系統和選用的主軸軸承均存在剛性和承載能力不足的問題，風能和軸承業界正密切配合，努力解決此問題。

在甘肅2個風電場和湖南某風電場使用的230臺2 MW電勵磁風電機組，主軸系統裝用某跨國軸承公司生產的雙列圓錐滾子軸承，軸承保持架斷裂導致軸承抱死的事故頻發，更換該公司多方改進的軸承175臺次均未解決問題，換裝某國產加強型三排圓柱滾子軸承后，風電機組才得以正常運行。

③增速器軸承

由于風電機組主軸的轉速較低，需要增速器進行增速以達到發電所需轉速。如圖18所示，增速器通常采用三級變速齒輪傳動，輸入端為一級行星輪傳動，中間軸及輸出軸采用二級平行軸傳動。風電機組增速器是大傳動比的齒輪箱，由于承受的扭矩和轉速波動范圍大，傳輸負載易突變，箱體重量與安裝空間有限制，安裝平臺存在柔性變形等因素，其與傳統重載工業齒輪箱的應用環境相去甚遠。

圖18 風電機組增速器結構示意圖

增速器配套軸承的類型見表13，各軸承的結構如圖19所示。風電機組增速器的故障80%起源于有缺陷的軸承，因此，對增速器及其配套軸承的可靠性研究已成為風能業界的難點、重點，軸承企業也應密切關注并跟進一些前沿技術。目前，風能業界正在進行懸浮類軸承應用于增速器的探索研究，軸承企業應積極支持和參與。

表13 風電機組增速器配套軸承的類型

圖19 風電機組增速器軸承結構示意圖

④發電機軸承

如圖20所示，風電機組發電機軸承的組配形式較多，最常用的是深溝球軸承與圓柱滾子軸承的組配形式，圓柱滾子軸承用于承受較大的徑向載荷，深溝球軸承則承受一定的軸向載荷。

圖20 發電機軸承結構示意圖

4.6.3 關鍵技術

在我國風電產業“井噴式”發展時，我國軸承產業倉促上陣，沒有經過充分研發和工程化，2.5 MW以下風電機組的偏航、變槳軸承和主軸軸承就進入了產業化和大批量供貨，留下很多隱患。現在必須進行研發、工程化補課，重點關注以下關鍵技術：

1)在大量數據積累的基礎上構建風電機組軸承載荷譜；

2)建立軸承產品數字化模型，進行數字化仿真分析和設計；

3)對于國外和國產的主軸軸承、變槳軸承早期故障頻發問題，在充分失效分析的基礎上進行這2類軸承的重新選型和結構設計；

4)探索增速器應用懸浮類軸承的技術可行性；

5)對42CrMo材料進行合金成分優化(如增加Ni)，提高42CrMo軸承套圈熱處理的淬硬性和淬透性；

6)研發應用表面強化處理技術，防止打滑損傷軸承滾動面；

7)研發應用淬硬性、淬透性達技術要求的3個滾道同時淬火的無軟帶表面熱處理技術和裝備;

8)解決齒輪淬火齒根產生裂紋的問題；

9)對激光相變硬化技術應用于風電機組軸承熱處理的可行性進行深入研究；

10)研究2.5 MW以上風電機組主軸軸承用42CrMo(優化合金成分，無軟帶表面淬火)取代滲碳鋼制造的技術可行性；

11)著力推進產品智能化(研發遠程自動監測運行狀態的傳感器軸承，進而研發遠程自動監測、自動調控運行狀態的智能軸承)和制造過程智能化(循數字化→網絡化→智能化的路徑)。

4.6.4 市場分析

按每年新增裝機容量0.5×109kW，平均單機容量3 MW計算，每年新增風電機組約17 000臺。每臺風電機組包含4套偏航、變槳軸承，1套主軸軸承，20套增速器軸承，2套發電機軸承，則每年需配套風電機組軸承425 000套。按每臺風電機組軸承120萬元的價格計算，則每年風電機組軸承銷售額為200多億元。

4.6.5 自主化

目前，偏航、變槳軸承和2.5 MW及以下風電機組主軸軸承已國產化，2.5 MW以上風電機組主軸軸承的研發也已取得積極進展且有多項創新，需進一步大力推進。各種功率的增速器和發電機軸承的研發則剛剛起步，仍需要很大努力才能取得突破性進展。

4.7 高性能醫療器械軸承

4.7.1 醫療器械軸承概述

高性能醫療器械主要包括醫療檢測與試驗分析，手術及服務器械與機器人等。目前應用最廣泛的是大型醫療器械中的醫學影像設備，包括醫學影像診斷設備和醫學影像治療設備。以CT機為例研究醫療器械軸承的結構、性能與技術要求。

醫用CT機主軸承應用于固定CT機架和旋轉掃描部分之間的連接部位，是CT機旋轉掃描部分的關鍵部件，作用是傳遞并承受X線管、準直儀、探測器、滑環等裝置產生的軸向載荷、徑向載荷和傾覆力矩，需滿足CT機較高轉速、低噪聲、高精度、低振動和長壽命的使用要求。

4.7.2 CT機主軸承的種類

CT機主軸承主要有鋼絲滾道軸承(圖21)、等截面薄壁軸承(圖22)、空氣軸承或其他先進結構軸承、主旋轉軸承等4類。其中，空氣軸承為懸浮類結構，主要用在第4代CT機上，目前尚在完善階段。

1，8—內圈；2—鋼球；3，5—鋼絲滾道；4—外圈； 6—彈性襯墊；7—保持架。

1—外圈壓板螺釘；2—外圈壓板；3—外圈；4—鋼球；5—軸承座； 6—內圈壓板；7—內圈壓板螺釘；8—保持架；9—內圈；10—CT機主軸。

洛陽LYC軸承有限公司針對國外鑲嵌式結構軸承存在著零件加工難度大，生產成本高，結構復雜的問題，研制出一種全新結構的CT機主旋轉軸承(圖23)，達到了簡化工藝，降低成本和提高可靠性的效果。該軸承能夠滿足第3代CT機主軸承的使用要求，整體性能達到國際先進水平。

4.7.3 CT機主軸承關鍵技術

①鋼絲滾道軸承

1)鋼絲滾道軸承特性的接觸力學分析、失效機理、壽命評估與計算的理論依據和經驗數據；

1—外圈；2—連接螺釘；3,6—內圈；4—保持架；5—鋼球。

2)失效機理研究需要的大量數據及長期的失效分析積累；

3)研究軸承服役壽命的評估與計算方法，建立數據仿真分析的物理模型及數學模型；

4)開發鋼絲滾道的熱處理和機加工技術；

5)在考慮原理與設計，制造過程的技術水平和服役運行的維護保養等因素的基礎上，研究確保精準診斷的運轉噪聲控制技術；

6)影響CT機運轉剛性的軸承游隙調整和裝配技術。

②等截面薄壁軸承

1)結構參數優化設計技術；

2)加工技術；

3)精密裝配技術；

4)保持架結構與材料研究；

5)密封結構研究；

6)潤滑劑研制；

7)套圈的非接觸測量技術；

8)軸承綜合性能評價技術。

4.7.4 CT機主軸承的市場需求

2020年全球CT機產銷量為11 000臺，每臺需配1套主軸承，洛陽LYC軸承有限公司CT機主軸承全球市場份額約10%。由于國產CT機主軸承進入市場，CT機主軸承國內售價已由每套3.5萬元降為1.5萬元。

醫用CT機配套軸承還將較長時期保持鋼絲滾道和等截面薄壁這2種結構型式，更優秀的替代產品(氣懸浮結構)還不夠成熟。

5 結束語

重大技術裝備軸承的自主安全可控是國家重視、社會關注的“國之大者”，是我國軸承行業的第一要務。進入“十四五”的我國軸承行業，應心懷國之大者，矢志高端突破，賡續砥礪前行，充分運用國家支持政策，與應用軸承的主機行業協同攻關，以重大技術裝備軸承標志性產品研發→工程化→產業化為突破口，促進我國重大技術裝備軸承加快實現自主安全可控，為早日建成世界制造業強國作出貢獻。