论我国重大技术装备轴承的自主安全可控

何加群

(中国轴承工业协会，北京 100055)

习近平总书记多次强调“对国之大者要心中有数”。他指出“要时刻关注党中央在关心什么，强调什么，深刻领会什么是党和国家最重要的利益，最需要坚定维护的立场。”“只有在 ‘国之大者’中找准坐标，把工作放到‘国之大者’中思考，才能顺势而为、有所作为。相反，若是对‘国之大者’心中没数，只是强调个人或局部的‘想要’，而不去考虑‘国之大者’的‘需要’，不仅不可能有所作为，而且可能给大局和全局带来影响和损失。在这个问题上，必须头脑特别清醒。”

什么是“国之大者”，习近平总书记指出“党中央关心的、强调的，就是‘国之大者’，即事关全局、事关根本、事关未来、事关党和国家事业兴衰成败的大政方针和战略部署。”

我们轴承企业面临一系列“国之大者”，必须对“国之大者”心中有数，在“国之大者”中找准坐标，其中一个需要我们高度关注的“国之大者”就是重大技术装备轴承的自主安全可控。

1 重大技术装备是“国之大者”

党和国家对重大技术装备，包括重大技术装备配套轴承的自主安全可控高度关注，近些年来陆续发布了一系列方针政策，见表1。

从国家历次作出重大战略决策的文件中可以发现，国家重点发展的关键领域中的重大技术装备都少不了以下几项：

1)航空航天装备；

2)先进轨道交通装备；

3)高端机床装备；

4)先进工程机械装备；

5)海洋工程装备；

6)清洁能源装备；

7)先进农业装备；

8)高端医疗装备。

以上几项就是党和国家高度关注的“国之大者”，党和国家一再强调要重点发展关键领域的重大技术装备，这需要大量的高端轴承进行配套，因此，我们应在重大技术装备配套轴承自主安全可控的“国之大者”中找准坐标。

2 “十三五”期间重大技术装备配套轴承的开发情况

“十三五”期间，我国轴承行业进行了大力度的重大技术装备配套轴承和其他高端轴承的研发→工程化→产业化，提高了为重大技术装备配套的能力，具体情况见表2。

表1 国家关于重大技术装备重点领域的规定

表2 “十三五”期间我国重大技术装备配套轴承和其他高端轴承的开发情况

其中，洛阳轴承研究所有限公司为探月工程提供了多款关键轴承，包括：用于卫星微波同轴开关的高精度、高灵敏、高真空固体润滑轴承；用于光学扫描相机支承机构及太阳帆板展开机构的高精度、高真空固体润滑轴承；用于火箭发动机涡轮泵的高速、低温、重载自润滑轴承等。同时承担“嫦娥五号”月球采样关键部件——钻进机构回转轴系的研发与制作，助力我国探月工程重大科技专项三步走发展战略画上圆满句号。

3 “十四五”期间我国重大技术装备配套轴承的开发任务

我国战略性新兴产业和制造强国战略重点发展领域需要大量的高端轴承为重大技术装备配套，轴承行业应着力进行这些轴承的研发→工程化→产业化，涉及到的具体领域及轴承类型见表3，其中需组织研发→工程化→产业化联合攻关的重大技术装备高端轴承标志性产品见表4。

表3 “十四五”期间我国重大技术装备配套轴承和其他高端轴承的开发任务

表4 建议“十四五”联合攻关的高端轴承标志性产品及相应参与单位

表4 (续)

4 矢志重大技术装备轴承标志性产品的高端突破

由于主客观等多方面的原因，我国为重大技术装备配套的高端轴承的研发→工程化→产业化步履艰难。但我们要不气馁、不松劲，以守土有责、守土担责、守土尽责的历史担当，矢志重大技术装备轴承标志性产品的高端突破，赓续砥砺前行。

4.1 民用航空发动机主轴轴承

4.1.1 研发基础

我国航空配套轴承工业从20世纪50年代中期开始起步，主要面向军用飞机，大致经历了修理更换、测绘仿制、试制生产、批量(定型)生产、全面发展、行业调整、技术提高等发展阶段。国内航空轴承行业总体上形成了以“三厂一所一校”为主干力量的行业布局。近年来，又有一些企业进入了航空轴承领域，国内航空轴承行业已基本具备了产品设计、研制开发、加工制造和试验各类航空配套轴承的能力。近60年来，我国轴承行业先后研发生产了千余种、近一百万套不同型号的航空发动机配套主轴轴承、飞机附件及发动机附件轴承，其他航空配套轴承。我国轴承行业研发民用航空发动机主轴轴承已具备了一定的基础条件。

4.1.2 技术指标及典型产品

民用航空发动机的总体结构如图1所示，其主轴轴承的典型产品及结构如图2所示，主轴轴承的技术指标要求为：dn值大于3.0×106mm·r/min，耐高温 250～300 ℃，寿命 15 000 h以上。

1—风扇；2—中压压气机；3—高压压气机；4—高压涡轮；5—中压涡轮；6—低压涡轮；7，12—低压轴承；8，11—中压轴承；9，10—高压轴承。

图2 发动机主轴轴承结构示意图

4.1.3 关键技术

航空发动机主轴轴承是轴承产业皇冠上的明珠，其设计和制造技术涉及到轴承科技金字塔顶端的诸多硬科技，甚至黑科技，本文仅列出以下几项：

1)进行包括热分析、动态特性分析及热弹流分析的轴承动力学分析并以此为基础进行仿真设计；

2)进行包括疲劳寿命、磨损寿命、精度寿命、振动寿命、摩擦寿命的轴承综合寿命研究；

3)对造成轴承早期失效的潜在失效因素和失效模式进行研究，采取对策，预防早期失效；

4)开发应用新一代耐高温400 ℃以上，接触应力2 400 MPa以上的轴承钢；

5)推行以改善轴承应力分布，降低最大接触应力，延缓表面和次表面裂纹源形成和疲劳裂纹扩张为要义的表面完整性制造和抗疲劳制造；

6)进行以降低摩擦力矩，提高耐磨性，减轻打滑损伤为目标的单元素或多元素离子注入等表面改性技术的研发应用；

7)进行小样本、概率分布未知条件下的静态试验和动态试验的理论研究及试验方法、试验手段的研发应用；

8)研发新一代模拟工况的轴承性能、耐久性和寿命试验装备及技术。

4.1.4 市场预测

我国民用飞机年产量及相应的配套轴承需求量见表5，其中按每架飞机需配套轴承2 000套(发动机轴承900 套)计算，每架直升机需配套轴承1 500 套计算。

表5 我国民用飞机产量及相应配套轴承需求量

据统计，2017年我国民用客机保有量3 250架，全球占比15%，预计2035年升至8 684架，全球占比19%。如此大的客机保有量，需要维修的轴承数量也很巨大。

4.1.5 小结

尽管与国外先进水平还有很大差距，我国军用航空发动机主轴轴承已实现自主安全可控，民用航空发动机主轴轴承则全部靠进口，实现自主安全可控任重而道远。

4.2 高速动车组轴箱轴承

高速动车组轴承包括轴箱轴承、变速箱轴承和牵引电机轴承。本文讨论其中价值最高、可靠性和安全性也要求最高的轴箱轴承。

4.2.1 轴箱轴承类型

我国高速动车组应用的轴箱轴承有2类:1)SKF双列圆柱滚子轴承(图3)；2)FAG，NSK，NTN的双列圆锥滚子轴承(图4)。

图3 双列圆柱滚子轴承的结构形式

图4 双列圆锥滚子轴承的结构形式

动车组技术来源和进口轴承的生产厂家见表6，各型动车组轴箱轴承基本信息见表7，至2020年，全国铁路拥有动车组数量3 918标准组，共31 344辆。

表6 动车组技术来源和进口轴承的生产厂家

4.2.2 技术指标和关键技术

高速动车组轴箱轴承的技术指标见表4，其关键技术如下。

①轴承产品的仿真分析和数字化设计

采集并编制高速动车组轴承载荷谱，进行动力学仿真分析，产品数字化建模，产品整体结构优化设计和微观结构优化设计(包括滚动体和滚道凸度修形，滚动体球基面与挡边接触状态，各工作表面硬度和粗糙度匹配等)。

表7 各型动车组轴箱轴承基本信息

②轴承钢材的研发和制备

制订高速动车组轴承钢材标准并按标准研发、制备高速动车组轴承钢材，提高对夹杂物和碳化物的含量、大小、形状、分布状况的控制水平。

③轴承滚子的研发和制备

研发配套高精度圆锥滚子和圆柱滚子的先进制造工艺和数字化装备并形成生产能力。滚子圆度误差、基准端面圆跳动、基准端面圆R值散差、规值批直径变动量、规值批圆锥角变动量(仅圆锥滚子)、滚动表面粗糙度、基准端面粗糙度达到设计要求且有较大的精度储备。

④轴承保持架的研发和制备

建立保持架稳态分析模型和动力学分析模型，建立保持架运动方程和碰撞、冲击振动方程，研究保持架设计参数对其转动惯量、运动轨迹、运动稳定性、碰撞和冲击振动响应的影响规律。通过以上分析确定合理的设计参数，以保证保持架运动稳定性和抗冲击能力。

从力学性能、抗冲击强度、吸水性、熔点、尺寸稳定性等方面进行工程塑料保持架的材料应用技术研究；制订指导工程塑料保持架生产、检验、验收及使用的规范和标准，形成工程塑料保持架的生产能力。

⑤轴承密封件的研发和制备

从拉伸强度、拉断伸长率、热空气老化性能、硬度变化率、压缩永久变形量、油脂相容性、尺寸稳定性等方面研究密封件原料橡胶的配方、胶料制造工艺。

研发设计低摩擦力矩、防水防尘防漏脂、低温升、利于润滑脂循环润滑的密封结构；同时研究橡胶的硫化粘接技术与金属表面处理技术，保证橡胶与金属的粘接质量，提高密封件的使用寿命。

制订指导密封件生产、检验、验收及使用的规范和标准，形成密封件的生产能力。

⑥轴承润滑脂的研发和制备

在摩擦学研究的基础上，研究轴承润滑状态、油膜厚度、接触区域演化、摩擦磨损的动态发展行为规律，研发适用于高速动车组轴承的高效润滑脂，保证轴承安全运行的润滑条件。

形成高效润滑脂生产、检测和应用的技术规范。完成轴承润滑状态监测与故障诊断技术的研发。形成高效润滑脂的生产能力。

⑦组建示范生产线进行轴承样品试制

组建示范生产线，生产足够数量的用于检验、检测、台架试验和装车试验的样品。

⑧轴承台架试验

制订耐久性试验、防水密封试验、防尘密封试验和综合性能试验规范并进行相应的性能试验。

⑨轴承产品标准制订

大力推动和积极参与有关高速动车组轴承的铁路行业标准的制订。

⑩轴承装车试验和应用

由国铁集团按其制订的试验规范进行装车试验，并实现产业化应用。

4.2.3 市场分析

我国历年高速动车组的生产数量见表8。预计今后若干年内，全国每年新造高速动车组300标准列左右，每标准列8辆，每辆装用8套轴箱轴承，则需轴箱轴承8×8×300=19 200(套)。每年需大修同样数量的车辆，即需换装新轴承19 200套。则每年的轴箱轴承需求量为38 400套，每套国产轴承按6 000元计算，销售额约23 040万元。

4.2.4 政策支持

高速铁路是战略性新兴产业，是制造强国战略的重点领域。国产高速动车组及配套轴承的开发应用引起了国家有关部委的高度重视和社会各界的广泛关注。十多年来，国家有关部委实施了一系列支持国产高速动车组轴承开发应用的政策项目，见表9(据不完全统计，这些项目核定总投资近19亿元)。

表8 我国高速动车组生产数量

表9 支持国产高速动车组轴承开发应用的政策项目

4.2.5 高速动车组轴承自主化

由于国铁集团对高铁轴承国产化持慎重态度，轴承行业虽以“十年磨一剑”精神开发高铁轴承，至今仍未达到国产化应用，但我们仍要锲而不舍，继续推进高铁轴承自主化进程。

4.3 数控机床轴承

4.3.1 数控机床轴承系统

数控机床轴承包括高速主轴-轴承系统(含电主轴轴承、动静压轴承)、直线导轨轴承、滚珠丝杠等功能部件(图5—图7)。

4.3.2 轴承类型及其图示

成对组配或多联组配角接触球轴承如图8所示，在应用安装时必须施加一定的预载荷。选择适当的预载荷可以提高主轴系统刚性，降低温升，改善系统加工精度。轴承预载荷通常分为轻(A)、中(B)、重(C)3档，用户可根据主轴系统的实际工况进行选择。单、双列圆柱滚子轴承的结构如图9所示。双向推力角接触球轴承如图10所示，通常要求SP等级公差，有需要时也可要求UP等级公差。

1—护套；2—前压紧环；3—前轴承；4—轴承座；5—后轴承；6—后锁紧螺母；7—后端盖；8—驱动带轮；9—带轮锁紧螺母；10—编码器带轮；11—后紧定螺母；12—后压盖；13—后压紧环；14—后调整环；15—前紧定螺母；16—角接触轴承组；17—前调整环；18—主轴。

图6 高速电主轴-轴承系统典型结构图

图7 滚珠丝杠与直线导轨轴承

图8 机床主轴用角接触球轴承的成组配对

图9 单、双列圆柱滚子轴承

图10 双向推力角接触球轴承

4.3.3 关键技术指标

1)精度等级P2或P4；

2)精度寿命达30 000 h；

3)温升小于20 ℃；

4)高速性能稳定提高，dmn值2020年达到3.0×106mm·r/min，2025年达到4.0×106mm·r/min；

5)平均无故障时间(MTBF)由500 h提高到2 000 h；

6)氮化硅陶瓷球轴承采用热等静压处理，达到抗弯强度不小于900 MPa，韦布尔模数不小于12，气孔率不大于0.02%，压碎载荷不小于50%，精度等级高于G5的要求。

4.3.4 市场分析

我国轴承行业生产机床轴承的企业有近百家，规模以上企业20余家。目前国产机床轴承以供应维修市场为主，主要应用于低端机床。高档数控机床使用的精密轴承大部分依赖进口，该市场被国外的NTN，NSK，SKF等公司垄断。

按照国家统计局和中国机床工具协会的统计，2019年全国共生产金属切削机床420×104台，机床轴承类型较多，在此仅以技术含量高，适用面广，具有一定代表性的主轴轴承和丝杠轴承为例分析市场容量：每台机床需配套主轴轴承4～6套，丝杠轴承4～8套，则每年新增机床共需配套主轴轴承252×104套，丝杠轴承336×104套；按机床折旧期为8年，主轴轴承使用寿命为0.5年，丝杠轴承使用寿命为2年计算，需要主轴轴承3 528×104套，丝杠轴承1 176×104套；综合考虑新增机床市场和维修市场的需求，每年国内机床轴承的市场规模为4 500×104套左右，销售额约60～100亿元。

4.3.5 自主化

目前，由于国产轴承的精度保持性和平均无故障时间与国外产品有较大差距，轴承成本在机床造价中占比很小，机床企业缺乏国产化的压力和动力，不少机床终极用户对国产轴承品牌不认可，要求机床制造时配置国外品牌轴承等原因，使高档数控机床的全部轴承以及中档数控机床的大部分轴承仍依赖进口。

因此，我们需要整合轴承行业几十年来在数控机床轴承上的碎片化研发成果，在此基础上将产学研用结合，加大研发和工程化的力度，力争在较短时间内使轴承精度、性能、寿命和可靠性，特别是精度保持性和平均无故障时间达到国际先进水平。

4.4 工业机器人轴承

4.4.1 轴承类型

减速器是工业机器人的核心部件，而轴承则是减速器的关键零件。工业机器人减速器有RV减速器、谐波减速器、摆线针轮减速器、行星减速器等，用量最大，技术水平最高的是RV减速器和谐波减速器，掌握了这2类减速器轴承的技术，也就掌握了工业机器人减速器的最高技术。

如图11所示，RV减速器轴承包括作为减速器主轴承的薄壁角接触球轴承，用于偏心轴定位和主体支承的薄壁圆锥滚子轴承，用于摆线轮支承的圆柱滚子(滚针)保持架组件以及用于齿轮支承的薄壁深沟球轴承。

如图12所示，谐波减速器轴承包括用于刚轮的薄壁交叉圆柱滚子轴承和用于柔轮的柔性轴承。

4.4.2 关键技术

工业机器人轴承的安装空间有限，必须采用轻量化的薄壁轴承和异型轴承。另外，工业机器人的高载荷、高回转精度、高运转平稳性、高定位速度、高重复定位精度、长寿命、高可靠性的性能要求配套轴承也必须具备高承载能力、高精度、高刚度、低摩擦力矩、长寿命、高可靠性的性能。轻量化与高性能之间相互矛盾，必须进行综合考虑：

1)在产品设计方面，不单以额定动载荷为目标函数，而是以额定动载荷、刚度和摩擦力矩等多项指标作为目标函数，进行多目标优化设计,同时采用基于套圈变形的薄壁轴承有限元分析方法。

2)在制造工艺和装备方面，研发应用易变形、难装卡、难加工的薄壁轴承，以及异型轴承的套圈锻造、车加工、热处理、磨加工、超精加工和装配的特种加工工艺和工艺装备；开发机器人轴承动态质量高精度检测技术，基于磨削变质层控制的轴承套圈精磨加工工艺，薄壁轴承套圈微变形热处理工艺；研发薄壁轴承负游隙和凸出量精确控制技术、精密装配技术和套圈非接触测量技术。

图11 RV减速器轴承

图12 谐波减速器轴承

4.4.3 市场分析

从全球市场角度来看，欧洲和日本是工业机器人主要供应商，ABB、库卡(KUKA)、发那科(FANUC)、安川电机(YASHAWA)占据工业机器人的主要市场份额，约占全球市场份额的50%。机器人减速器70%以上市场份额由日本纳博特斯克(Nabtesco，生产RV减速器)和哈默纳科(Harmonic drive，生产谐波减速器)垄断。由表10可知，我国工业机器人市场及国产工业机器人销量处于高速发展阶段：2014年全国工业机器人销售5.7×104台，国产工业机器人销售1.7×104台，占比29.8%；2016年全国工业机器人销售8.9×104台，国产工业机器人销售2.9×104台，占比32.6%；2020年全国工业机器人销售23.7×104台，国产工业机器人销售8.3×104台，占比35%。

预计2021—2025年，全国工业机器人总需求量年均递增15%，2025年达47×104台，国产工业机器人将以年均递增20%的较快速度发展，2025年达20×104台。

表10 我国工业机器人的销量

以6轴工业机器人为例进行分析，其需配套4个RV减速器和2个谐波减速器，则配套轴承数量为66套(表11)，价值约6 000元。2020年全国工业机器人需求约23.7×104套，需配套轴承1 564×104套、价值14亿元，其中国产工业机器人8.3×104台，需配套轴承548×104套、价值5亿元；2025年全国工业机器人需求47×104台，需配套轴承3 100×104套、价值28亿元，其中国产工业机器人20×104台，需配套轴承1 320×104套、价值12亿元。

表11 工业机器人减速器配套轴承种类及数量

4.5 盾构机主轴承

4.5.1 轴承类型

盾构机是集机械、电气、液压、光学、力学、气动、传感、信息、导向为一体，能够完成掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业的工厂化流水线式作业的隧道施工装备，被誉为“工程机械之王”，是衡量一个国家装备制造业水平的重大关键装备。随着我国城市地铁、铁路隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃气管道工程、排污管道工程、供热供冷管道工程、电缆管道工程盾构法施工的全面铺开，盾构机市场总需求呈快速增长趋势，也给盾构机轴承带来广阔的市场。

刀盘是盾构机的关键部件，在隧道掘进过程中发挥着重要作用。刀盘系统中的主轴承是传递掘进动力和运动的核心零件，在工作中承受着巨大的轴向力、倾覆力矩和一定的径向力，其性能、寿命和可靠性直接影响盾构机的施工进度、安全和掘进里程。小尺寸盾构机主轴承通常采用四点接触球和交叉圆柱滚子结构，个别有双列圆锥滚子结构。量大面广的盾构机主轴承主要有三排三列圆柱滚子组合轴承和三排四列圆柱滚子组合轴承，其中最常用的三排三列圆柱滚子组合轴承可分为内齿式(图13)和外齿式(图14)。

图13 土压平衡盾构机内齿式主轴承

图14 泥水平衡盾构机外齿式主轴承

盾构机主轴承的功能主要是支承及传递运动与载荷，然而由于盾构机转速极低，载荷极大且不可准确预测，可靠性要求极高，使盾构机主轴承承担着极大的风险，也对其设计制造提出了苛刻的要求。由于地质结构的不均匀性，盾构机掘进阻力的大小、方向可能剧烈变化，盾构机主轴承常常工作在冲击、偏载等极端工况下，对轴承的材料和热处理、结构、刚度、强度、寿命和可靠性等技术指标要求严苛。另外，还要求盾构机主轴承安装部位有可靠的密封，轴承内部有良好的润滑，相关密封结构和润滑剂均需特殊设计以满足苛刻的环境工况。

4.5.2 技术指标和关键技术

盾构机主轴承的技术指标见表4，其关键技术如下。

①设计技术

建立覆盖典型地质条件的工况数据库，制定满足静强度分析、动力学分析、可靠度预测、性能和寿命试验所必需的定常和非定常动态载荷谱、特殊工况下的极限载荷谱等。

完成盾构机主轴承失效数据搜集和分析，编制典型工况条件下的失效图谱。

开展低速、重载、冲击条件下盾构机主轴承的润滑理论及摩擦学研究，定常和非定常动态工况下主轴承的接触力学和动力学特征研究并形成相应的设计理论。

进行盾构机主轴承可靠性理论研究，建立不同地质和掘进工况条件下主轴承的可靠性理论与剩余寿命预估技术。

开展盾构机主轴承强度、刚度及寿命设计理论研究，主参数、滚子和滚道的理想凸度、轴承游隙、密封结构、保持架等零件结构参数的优化设计，以及性能仿真与寿命预测软件的开发。

②控形控性制造技术

制定盾构机主轴承专用的钢材质量控制标准，建立钢材质量控制系统，实现“四化”要求，即成份设计智能化、内在质量高纯化、生产过程自动化和冶金质量一致化。

开展精密热处理技术研究，开发3个滚道同时淬火的无软带热处理工艺和齿轮淬火工艺，研制专用数控热处理设备和工装，提高淬火质量的一致性和稳定性；开发具有自主知识产权的材料性能模拟软件，动态在线控制及检测技术和表面改性技术。

全面掌握盾构机主轴承零件精密加工技术，开发滚道硬车工艺、CBN等超硬刀具制造技术。

全面掌握盾构机主轴承润滑与密封系统的设计制造技术。

全面掌握盾构机主轴承再制造技术，制定主轴承再制造质量标准。

③质量控制与健康状态监控技术

制定盾构机主轴承产品标准，严格规定基本参数、材料、热处理、内在和表面质量等技术要求、试验方法和检验规则。

开发盾构机主轴承无损检测技术，制定无损检测技术规范。

研制内嵌式超微型传感器，开发数字化、网络化和智能化的状态监测与故障诊断软件。

研制盾构机主轴承试验台，考核启动摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性等性能，形成盾构机主轴承试验规范。

4.5.3 市场需求

全球已累计生产盾构机超过10 000台，保有量达5 000多台，年需求量300～500台。目前，我国已成为世界上生产和使用盾构机最多的国家，每年需求量约400台(其中国产约300台)。另外，国内在役的盾构机约1 800余台，这些盾构机主轴承超过设计寿命后均需要维修和更换。按上述数据粗略估计，盾构机主轴承的年需求量达400套、约12亿元。

4.5.4 自主化

经过艰苦努力，我国已实现盾构机国产化并向国外出口，但盾构机主轴承仍全部依赖进口，主要采用ROTHE ERDE，SKF，ROBALLO，KOYO，IMO等几家公司的产品。国家科技部从2007年开始布局盾构机主轴承的国产化研发，经过十多年的努力，盾构机主轴承的研发已具备一定基础。洛阳LYC轴承有限公司与中铁隧道集团联合攻关研制的国内首套φ6.28 m盾构机主轴承已于2016年9月下线并应用于合肥地铁3号线的盾构施工，至2018年3月，经过一年多的施工应用，累计掘进里程2 369.65 m，顺利完成标段工程。2019年1月14日，洛阳LYC轴承有限公司与中铁隧道集团合作研制的φ11 m盾构机主轴承下线并成功应用于舟山海底隧道的施工。2021年年初，中交天和机械设备有限公司自主研发制造的我国最大直径(16.07 m)泥水平衡盾构机“运河号”下线，其装配了洛阳轴承研究所有限公司开发的特大型管片拼装机转盘轴承。

盾构机主轴承是可靠性、安全性要求极高的产品，其自主化任重而道远，需要花真功夫，下大力气，产学研用紧密合作，积极慎重地推进盾构机主轴承的研发→工程化→产业化，最终实现自主安全可控的目标。

4.6 风力发电机组轴承

4.6.1 我国风电产业发展概况

2006年起，我国风电产业“井喷式”发展，截至2020年，全国(除港澳台地区外)累计装机超15×104台，累计装机容量超2.9×109kW。因政策和消纳能力的影响，我国风电产业在此期间二次起落，目前又进入了高速发展阶段(表12)。

从产业布局上看：我国风电产业从集中式开发向分散式开发发展；从“三北”(西北、华北、东北)向中部、东部、南部发展；向“二海”(海上、海外)发展。

从产品结构上看：平均单机容量逐年增大，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，目前还在继续增大；主流机型为陆上2.5～3.0 MW，海上4～5 MW；双馈型和直驱型并存，直驱型的占比逐步增大。

表12 2008—2018年全国风电新增和累计装机容量

2020年因政策因素导致的抢装潮过后，风电轴承的需求不会下降很多，而是趋于平稳，主要是由于海上风机的需求逐步增加，而且前期风场已达20年的寿命期限，需要更新换代。按照国家确定的2030年碳达峰、2060年碳中和的“30·60双碳目标”，要求2030年非化石能源在总能源中占比达到25%，光伏和风电要新增装机容量不小于10×109kW，平均每年新增装机容量约1×109kW，其中风电平均每年新增装机容量约0.5×109kW，是以往正常年份平均值的1倍以上。

4.6.2 风电机组轴承类型

风电机组轴承主要包括偏航轴承、变桨轴承、主轴轴承、增速器轴承、发电机轴承(图15)。其中，偏航轴承、变桨轴承和2.5 MW以下主轴轴承已国产化。各种功率的增速器轴承、发电机轴承，2.5 MW以上主轴轴承则主要靠进口，亟待自主化。

图15 风电机组轴承示意图

①偏航、变桨轴承

如图16所示，偏航轴承安装于塔筒顶端、机仓底部，承载风机主传动系统的全部重量，用于准确适时地调整风机迎风方向。变桨轴承将桨叶与轮毂结合在一起，根据风向调整桨叶迎风角度使其达最佳状态。偏航、变桨轴承要有足够的强度和承受轴向力、径向力、倾覆力矩联合作用的能力，要求运行平稳，启动力矩小，润滑、防腐及密封性能好。

图16 风电机组偏航、变桨轴承结构示意图

偏航、变桨轴承为特大型转盘轴承，外径约0.5～4.5 m，重0.5～6.0 t。偏航轴承的结构形式主要有单列四点接触球转盘轴承(无齿式、内齿式、外齿式)和双列四点接触球转盘轴承(无齿式、内齿式、外齿式)2种；变桨轴承多采用双列同径四点接触球转盘轴承(无齿式、内齿式)。

近年来，随着风电机组单机容量的不断增大，暴露出包括轴承在内的变桨系统刚性和承载能力不足的问题。需要以提高刚性和承载能力为要义，改进变桨系统整体结构的设计，其中，变桨轴承已证实的一项有效措施就是以滚子轴承取代球轴承。目前，国外取代率已达30%，国内取代率约15%，需加大取代的力度。

②主轴轴承

风电机组的主轴起着支承轮毂及叶片，传递扭矩到增速器的作用，主轴轴承(图17)是风电机组主传动链系统的关键部件，不仅要承受风力载荷，还要承受主轴、增速器的重力载荷，工况复杂。根据风电机组的单机功率、整体结构、工况、制造成本、安装工艺等因素，主轴轴承需采用不同配置：

图17 风电机组主轴轴承结构示意图

1)三点式支承，采用一个调心滚子轴承，与增速器两边的弹性支承形成三点式支承，应用于低兆瓦级风电机组。

2)二点式支承，有调心滚子轴承+调心滚子轴承，单列圆锥滚子轴承+单列圆锥滚子轴承，圆柱滚子轴承+双列圆锥滚子轴承，GARB轴承+调心滚子轴承4种配置，应用于中等兆瓦级风电机组。

3)单点式支承，大多采用大锥角双列圆锥滚子轴承，亦有采用三排圆柱滚子轴承，应用于大兆瓦风电机组。

近年来，大兆瓦风电机组主轴轴承事故频发，初步分析原因是风电机组主轴系统和选用的主轴轴承均存在刚性和承载能力不足的问题，风能和轴承业界正密切配合，努力解决此问题。

在甘肃2个风电场和湖南某风电场使用的230台2 MW电励磁风电机组，主轴系统装用某跨国轴承公司生产的双列圆锥滚子轴承，轴承保持架断裂导致轴承抱死的事故频发，更换该公司多方改进的轴承175台次均未解决问题，换装某国产加强型三排圆柱滚子轴承后，风电机组才得以正常运行。

③增速器轴承

由于风电机组主轴的转速较低，需要增速器进行增速以达到发电所需转速。如图18所示，增速器通常采用三级变速齿轮传动，输入端为一级行星轮传动，中间轴及输出轴采用二级平行轴传动。风电机组增速器是大传动比的齿轮箱，由于承受的扭矩和转速波动范围大，传输负载易突变，箱体重量与安装空间有限制，安装平台存在柔性变形等因素，其与传统重载工业齿轮箱的应用环境相去甚远。

图18 风电机组增速器结构示意图

增速器配套轴承的类型见表13，各轴承的结构如图19所示。风电机组增速器的故障80%起源于有缺陷的轴承，因此，对增速器及其配套轴承的可靠性研究已成为风能业界的难点、重点，轴承企业也应密切关注并跟进一些前沿技术。目前，风能业界正在进行悬浮类轴承应用于增速器的探索研究，轴承企业应积极支持和参与。

表13 风电机组增速器配套轴承的类型

图19 风电机组增速器轴承结构示意图

④发电机轴承

如图20所示，风电机组发电机轴承的组配形式较多，最常用的是深沟球轴承与圆柱滚子轴承的组配形式，圆柱滚子轴承用于承受较大的径向载荷，深沟球轴承则承受一定的轴向载荷。

图20 发电机轴承结构示意图

4.6.3 关键技术

在我国风电产业“井喷式”发展时，我国轴承产业仓促上阵，没有经过充分研发和工程化，2.5 MW以下风电机组的偏航、变桨轴承和主轴轴承就进入了产业化和大批量供货，留下很多隐患。现在必须进行研发、工程化补课，重点关注以下关键技术：

1)在大量数据积累的基础上构建风电机组轴承载荷谱；

2)建立轴承产品数字化模型，进行数字化仿真分析和设计；

3)对于国外和国产的主轴轴承、变桨轴承早期故障频发问题，在充分失效分析的基础上进行这2类轴承的重新选型和结构设计；

4)探索增速器应用悬浮类轴承的技术可行性；

5)对42CrMo材料进行合金成分优化(如增加Ni)，提高42CrMo轴承套圈热处理的淬硬性和淬透性；

6)研发应用表面强化处理技术，防止打滑损伤轴承滚动面；

7)研发应用淬硬性、淬透性达技术要求的3个滚道同时淬火的无软带表面热处理技术和装备;

8)解决齿轮淬火齿根产生裂纹的问题；

9)对激光相变硬化技术应用于风电机组轴承热处理的可行性进行深入研究；

10)研究2.5 MW以上风电机组主轴轴承用42CrMo(优化合金成分，无软带表面淬火)取代渗碳钢制造的技术可行性；

11)着力推进产品智能化(研发远程自动监测运行状态的传感器轴承，进而研发远程自动监测、自动调控运行状态的智能轴承)和制造过程智能化(循数字化→网络化→智能化的路径)。

4.6.4 市场分析

按每年新增装机容量0.5×109kW，平均单机容量3 MW计算，每年新增风电机组约17 000台。每台风电机组包含4套偏航、变桨轴承，1套主轴轴承，20套增速器轴承，2套发电机轴承，则每年需配套风电机组轴承425 000套。按每台风电机组轴承120万元的价格计算，则每年风电机组轴承销售额为200多亿元。

4.6.5 自主化

目前，偏航、变桨轴承和2.5 MW及以下风电机组主轴轴承已国产化，2.5 MW以上风电机组主轴轴承的研发也已取得积极进展且有多项创新，需进一步大力推进。各种功率的增速器和发电机轴承的研发则刚刚起步，仍需要很大努力才能取得突破性进展。

4.7 高性能医疗器械轴承

4.7.1 医疗器械轴承概述

高性能医疗器械主要包括医疗检测与试验分析，手术及服务器械与机器人等。目前应用最广泛的是大型医疗器械中的医学影像设备，包括医学影像诊断设备和医学影像治疗设备。以CT机为例研究医疗器械轴承的结构、性能与技术要求。

医用CT机主轴承应用于固定CT机架和旋转扫描部分之间的连接部位，是CT机旋转扫描部分的关键部件，作用是传递并承受X线管、准直仪、探测器、滑环等装置产生的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩，需满足CT机较高转速、低噪声、高精度、低振动和长寿命的使用要求。

4.7.2 CT机主轴承的种类

CT机主轴承主要有钢丝滚道轴承(图21)、等截面薄壁轴承(图22)、空气轴承或其他先进结构轴承、主旋转轴承等4类。其中，空气轴承为悬浮类结构，主要用在第4代CT机上，目前尚在完善阶段。

1，8—内圈；2—钢球；3，5—钢丝滚道；4—外圈； 6—弹性衬垫；7—保持架。

1—外圈压板螺钉；2—外圈压板；3—外圈；4—钢球；5—轴承座； 6—内圈压板；7—内圈压板螺钉；8—保持架；9—内圈；10—CT机主轴。

洛阳LYC轴承有限公司针对国外镶嵌式结构轴承存在着零件加工难度大，生产成本高，结构复杂的问题，研制出一种全新结构的CT机主旋转轴承(图23)，达到了简化工艺，降低成本和提高可靠性的效果。该轴承能够满足第3代CT机主轴承的使用要求，整体性能达到国际先进水平。

4.7.3 CT机主轴承关键技术

①钢丝滚道轴承

1)钢丝滚道轴承特性的接触力学分析、失效机理、寿命评估与计算的理论依据和经验数据；

1—外圈；2—连接螺钉；3,6—内圈；4—保持架；5—钢球。

2)失效机理研究需要的大量数据及长期的失效分析积累；

3)研究轴承服役寿命的评估与计算方法，建立数据仿真分析的物理模型及数学模型；

4)开发钢丝滚道的热处理和机加工技术；

5)在考虑原理与设计，制造过程的技术水平和服役运行的维护保养等因素的基础上，研究确保精准诊断的运转噪声控制技术；

6)影响CT机运转刚性的轴承游隙调整和装配技术。

②等截面薄壁轴承

1)结构参数优化设计技术；

2)加工技术；

3)精密装配技术；

4)保持架结构与材料研究；

5)密封结构研究；

6)润滑剂研制；

7)套圈的非接触测量技术；

8)轴承综合性能评价技术。

4.7.4 CT机主轴承的市场需求

2020年全球CT机产销量为11 000台，每台需配1套主轴承，洛阳LYC轴承有限公司CT机主轴承全球市场份额约10%。由于国产CT机主轴承进入市场，CT机主轴承国内售价已由每套3.5万元降为1.5万元。

医用CT机配套轴承还将较长时期保持钢丝滚道和等截面薄壁这2种结构型式，更优秀的替代产品(气悬浮结构)还不够成熟。

5 结束语

重大技术装备轴承的自主安全可控是国家重视、社会关注的“国之大者”，是我国轴承行业的第一要务。进入“十四五”的我国轴承行业，应心怀国之大者，矢志高端突破，赓续砥砺前行，充分运用国家支持政策，与应用轴承的主机行业协同攻关，以重大技术装备轴承标志性产品研发→工程化→产业化为突破口，促进我国重大技术装备轴承加快实现自主安全可控，为早日建成世界制造业强国作出贡献。