凸輪從動軸承

凸輪從動軸承-凸輪從動軸承廠家淺談世界軸承發展史(一)

發布日期:2018-07-27 作者: 點擊:

凸輪從動軸承廠家淺談世界軸承發展史(一)

螺栓軸承

1、主要技術與經濟指標  

    盡管軸承只作為各種主機支承元件,但由于品種繁多、加工精密、尺寸范圍大,所以軸承工業是機械工業中一種特殊的獨立產業,并已形成了完整的工業體系。到目前為止,全世界已生產軸承品種5萬種以上,規格多達15萬種以上。最小的軸承內徑已小到0.15~1.0mm,重量為0.003g,最大的軸承外徑達40m,重340t。1997年世界軸承總產量超過100億套,總銷售額約300億美元,其中北美、日本、西歐占世界軸承產量的78%,美國、日本、德國已形成世界三大軸承市場。一些世界著名的軸承公司,如瑞典的SKF公司、德國的FAG公司、日本的NSK公司、美國的TORRINGTON公司等,在世界500家大公司中均榜上有名。(據美國《幸?!冯s志1994年報道,在世界500家大企業中,SKF排387位、NSK排404位、TORRINGTON公司的母公司英格索爾·蘭德公司排在369位)。  

2、產品及相關技術水平  

    螺栓軸承的整體技術水平,在近30年來取得了令人矚目的進步。高精度、高轉速、高可靠性、長壽命、免維護保養以及標準化、單元化、通用化已成為軸承的基本技術標志。特別在軸承基礎技術進步、通用產品的結構改進、專用軸承單元化和陶瓷軸承的開發等方面成效最為顯著。 

(1)基礎理論  

軸承基礎理論主要指壽命理論、額定靜載荷和極限轉速等有關的理論。  

百余年來軸承壽命理論的研究經歷了四個階段:第一階段是1945年以前的Stribeek的載荷分布理論,第二階段是1945~1960年間Lundberg和Palmgren軸承疲勞失效理論,第三階段是1960~1980年間的壽命修正理論,第四階段是1980~1998年間以Loannides和Harris為代表的新壽命理論。1962年,國際標準化組織ISO將經典的L-P公式作為軸承額定動載荷與壽命計算方法標準列入ISO/R281中。近年來,由于材料技術、加工技術、潤滑技術的進步和使用條件的精確化,使軸承壽命有較大提高,ISO適時地給出了含有可靠性、材料、運轉條件和性能等修正系數的壽命計算公式。八十年代以來Harris等學者在大量試驗的基礎上提出接觸疲勞極限的新理論,將壽命理論又向前推進了一步,使軸承壽命計算方法不斷完善。 

允許軸承發生相當于萬分之一滾動體直徑的永久變形,一直是ISO額定靜載荷標準的基礎。最新的額定靜載荷理論的貢獻是給出了對應于這個永久變形的各類軸承的最大滾動體接觸應力。  

軸承極限轉速研究也取得了新進展。當前世界上較有影響的軸承公司如瑞典的SKF、德國INA、FAG、日本NTN等公司對極限轉速的定義、限定范圍與使用條件都作出了較科學的規定,使極限轉速的研究更加深入。  

(2)設計理論  

傳統的軸承設計以其應用的理論和方法而言,多采用靜力學和擬靜力學設計方法。近五十年來,曲線滾輪廠家的軸承設計理論有很大發展,先后提出和應用了有限差分法、有限元法、動力學及擬動力學、彈性流體動力潤滑理論,有力地促進了軸承產品設計和應用技術的研究與發展。與此相適應,電子計算機輔助設計(CAD)已在各國軸承設計計算中廣泛應用,從而把軸承設計計算推向了一個新階段。 

(3)通用軸承的結構改進  

量大面廣的通用軸承產品的結構一直圍繞著提高軸承載荷、延長使用壽命、增加強度與剛性、減少摩擦磨損、降低噪聲、減小體積、減輕重量、采用新材料及免除維護保養作為不懈努力的目標。經過近三十年的努力,國外通用軸承已全部實現了更新換代,形成了新一代的加強型產品。通用軸承內部結構的改進,主要通過減小套圈壁厚、加大滾動體直徑與長度、采用對數母線凸度滾子、改變保持架結構與參數、改變引導方式、增充軸承內密封及改善檔邊接觸來實現。 

(4)軸承產品技術  

國外軸承產品的發展當今具有五個顯著的特征:  

A、堅持產品的“三化”方向,以最少的品種滿足不同產業的多樣化需求,并有利于產品規?;a。  

B、產品向輕量化、功能組件化、單元化、智能化發展,以滿足主機產品更新換代要求。  

C、產品向高速度、高精度、高可靠性、低摩擦、低振動、低噪聲發展。  

D、采用和發展了計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)以及計算機集成制造系統/信息管理系統(CIMS/IMS)技術。  

E、在軸承產品上采用現代高新技術,如新鋼種、新型工程陶瓷材料、表面改性技術及新的設計理論等,以發展軸承可靠性技術

上述五個特征具體表現在如下幾個方面:

技術標準:國際標準化組織滾動軸承第四委員會(ISO/TC4)現頒布正式軸承標準44項、技術報告3項,世界各國都等同、等效采用國際標準,確保軸承“三化”水平。  

軸承精度:國外在八十年代就提出了“集中裝配設計”的概念,即通過軸承在設計和工藝階段的相關公差設計,使之控制在一定的公差范圍內,經過最少組別的選配,就可實現批量化集中裝配,裝配后的軸承游隙,裝配高等均完全符合標準要求。經檢測發現國外名牌產品的尺寸精度一致性較好,基本集中在公差帶的某一 范圍內,且離散度較小。如國外精密機床主軸軸承的軸、徑向跳動在0.5μm以下;薄板軋機工作輥軸承可保證思輥徑向擺動量在板厚的3%以下;日本NMB公司研制成功的硬磁盤驅動器高精度小型整體球軸承的重復精度在0.1μm以下。

軸承性能:主要表現在用于航空航天工業配套和高技術所需的專用軸承高速、高靈敏、高可靠性及耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、耐輻射和耐真空度的能力;通用軸承的轉速、溫升、振動、噪聲和密封等性能兩方面。 

專用軸承中的飛機發動機主軸軸承的速度參數dn值已達到(2.25-2.5)×106mm.r/min,耐高溫能力達250-300℃,壽命1000h。dn值為3×106mm.r/min的軸承國外正在研制;陀螺儀軸承精度達ABEC9級(P2級)、摩擦力矩僅為0.001~0.002mNm;火箭發動機渦輪泵軸承,耐低溫能力達-253℃(液氫)~-183℃(液氧),轉速20000~40000r/min,壽命7h;原子能反應堆的軸承溫度高達650℃;迄今美國已研制出能耐133.3×(10-11~10-13)Pa高真空度軸承。通用軸承中機床主軸軸承為適應CNC機床的需求發展很快。如現代數控車床主軸轉速可達到3500~10000r/min,比普通車床提高1/3至3倍;磨床主軸軸承,SKF公司推出大接觸角60°的角接觸球軸承,國外主要軸承公司已系列生產,此類軸承與雙列向心圓柱滾子軸承組合使用,可顯著提高速度性能;法國GAMET公司推出的空心滾子圓錐軸承,改善了軸承溫升,是現今機床主軸軸承精品。工業機器人精密薄壁軸承國外已有常溫環境下、大于150℃高溫環境下和在腐蝕、輻射、污染工況下使用的各種類型,有的已實現產業人,并正向精密化、小型化和智能化方面發展。近年來,隨著機電產品的發展,一些精密機械和高檔家電對軸承的音質控制提出了相當嚴格的要求。為降低軸承振動、改善軸承間質,提高軸承的無異音合格率,國外在產品設計、加工工藝、工裝設備、潔凈度控制、鋼球加工及保持架改進等諸多方面都取得了有益的經驗。如日本NSK的6202“靜音”軸承噪聲值僅26dB左右。除加工工藝外,潤滑脂對軸承的振動和噪聲有較大影響。國外一些著名軸承公司均采用軸承專用脂來降低軸承的振動和噪聲,如SKF公司按照不同的溫度、轉速、載荷等使用條件以及軸承尺寸大小來選用不同的軸承專用脂;NSK公司相繼開發了AV2、NS7和NSC等低噪聲軸承專用脂,較好地控制了噪聲,延長了軸承的噪聲壽命。目前國外常見的軸承異音在線檢測主要有兩種方法,一是測量軸承振動的峰值,用峰值因子來判別軸承是否有異音。另一種方法是在測振儀上接示波器,通過示波器上的波形幅值及波的形狀來控制。這兩種方法都取得了較好的效果。密封軸承的密封特性是衡量軸承性能的一個重要指標。全世界密封軸承的產量約占軸承總產量的70%,各類通用軸承都有密封軸承系列。九十年代日本KOYO公司的輕接觸密封、SKF公司推出的雙唇非接觸式橡膠密封、FAG公司的高速主軸軸承密封、INA公司滿滾子軸承聚脂密封、TIMKEN公司的通用圓錐滾子軸承密封、FAG公司的軋機軸承密封等,都代表了當代密封軸承技術的最新成果。

凸輪從動軸承壽命和可靠性:國外深溝球軸承的臺架試驗壽命一般為計算壽命的8倍甚至十幾倍以上,可靠度高達98%以上,甚至達99.9%;圓錐滾子軸承一般為計算壽命的4~6倍,甚至8倍以上,可靠度達98%以上。一些為重點主機配套的軸承壽命亦較長。如鐵路貨車軸承壽命達150~200萬公里,可實現十年無更換;鐵路客車軸承如日本、意大利的高速列車速度可達350km/h,行駛壽命為150~300萬公里,可靠度80萬里達90%。載重汽車輪轂軸承行駛壽命達25萬公里。軋機軋輥軸承扎制壽命可達60~80萬噸鋼等等。 

軸承新結構、新產品:首先是軸承單元化技術方興未艾。軸承行業為了方便用戶的裝拆、免除維持和減輕結構件重量,已越來越注重開發軸承單元,比較典型的軸承單元有汽車輪轂單元、自調心汽車離合器軸承單元、汽車水泵軸連軸承單元、帶座外球面軸承單元、軋機軸承單元、鐵路軸承單元、計算機磁盤驅動器主軸軸承單元、氣流紡杯軸承單元、鉆銑床高速主軸軸承單元等。第二、SKF近年來開發了一種很有發展前途的CARB專利軸承產品。它是一種單列、長腰鼓形調心滾子軸承,既具有圓柱滾子軸承的承載能力,又具有雙列調心滾子軸承的調心性能,還具有這兩類軸承所不具備的軸向位移調節能力,是圓柱滾子軸承、雙列調心滾子軸承、調心球軸承、滾針軸承等的理想換代產品。SKF1998年CARB軸承銷售額達到2.5億克朗,約為年銷售額的1%。第三、陶瓷軸承是近三十年來興起、不為發展并逐步走向工程應用的一種高性能軸承產品?,F有全陶瓷軸承(套圈、滾動休均為陶瓷)和混合陶瓷軸承(僅滾動體為陶瓷)兩種。陶瓷軸承具有高速(dn值達300萬)、長壽命(約為鋼制軸承的3~5倍)、耐摩擦、高剛度、重量輕(只有鋼制軸承的60%)、防磁、絕緣和承受缺油潤滑等等優點,在航空、兵器、機床、汽車等領域使用陶瓷軸承或陶瓷球都取得了滿意的效果。第四、直線運動支承組件已廣泛應用于數控機床、加工中心、工業機器人、自動生產線上,并實現專業化生產。這種組件系指直線導軌和滾珠絲杠,與滑動系統相比,具有結構剛性高、定位精度高、摩擦阻尼小、精度保持性好等優點,也是一種有廣泛應用前途的產品。第五、非滾動化軸承產品的應用引起很大關注,如磁懸浮軸承是可能替代滾動軸承的一種機電一體化產品,它的最突出優點是磨耗小,如在汽車中使用磨耗量僅為滾動軸承的千分之一,且轉速可達3×105r/min。這種產品已用于陀螺轉子、節能電機、計算機磁盤傳動機構和電主軸支承中。 

(5)材料應用技術 

在眾多影響軸承壽命和可靠性的因素中,材料是一個重要項目。1905年德國使用SAE52100高碳鉻鋼制造滾動軸承后,到1920年已被廣泛用于滾動軸承制造,這是世界滾動軸承工業所用的第一代專用軸承鋼。五十年代末真空脫氣鋼問世,八十年代推廣了真空脫氣鋼和鋼包精煉,使軸承鋼的純度大為提高。如最近的日本“Z級”軸承鋼含氧是僅為7PPM左右,最近的“EP級”軸承鋼的夾雜物更為細小和均勻。美國的ASTMA295-94和SKF的D33-95標準均規定真空脫氣含氧量小于或等于15PPM。值得注意的是,國外一些大的軸承集團公司本身就生產軸承鋼,如SKF公司1997年精煉軸承鋼達44萬噸、銷售額為33.9億克朗,占年銷售額的8.6%。該公司在瑞典的Ovako鋼鐵公司是歐洲軸承鋼的主要供應者,占其市場份額的40%,是目前世界上淬透軸承鋼的最大生產者。美國的TIMKEN公司的軸承鋼的年銷售額占總銷售額的比例高達32%。此外,日本和德國在耐熱鋼的研究上也取得重大進展。 

非金屬材料用于滾動軸承制造中,主要是陶瓷和塑料。FAG、SKF、KOYO等公司都推出了陶瓷軸承新品種,世界陶瓷軸承年度貿易額超過4億美元。塑料被廣泛用于軸承的保持架,如德國SKF子公司有70%的圓柱滾子軸承和85%的新一代圓錐軸承采用了塑料保持架;FAG公司塑料保持架軸承占其軸承總產量的30%。  

(6)加工、測試、專業化和自動化水平  

軸承是批量生產的精密產品,只有用先進的制造技術和相應的設備,才能保證產品的精度、性能、壽命、可靠性和成本等技術經濟指標的實現。在工業發達的國家里,對批量較大的標準軸承,通常都采用高效、高精度的自動化設備加工制造,對批量更大的則組織自動生產線、自動化車間甚至自動化工廠進行生產。如毛坯生產中采用高速鐓鍛機、多工位壓力機和冷輾技術;車加工 中采用多軸自動車床;熱處理已開始采用激光淬火技術;磨超加工一直以高速、高效為發展方向,國外套圈內表面磨削速度已達60-80m/s,外表面80-120m/s,同時大力開發了磨削-超精研自動生產線,應用CBN砂輪磨削、自適應磨削,在線測量技術和故障自動診斷等新技術,并配以軸承自動裝配生產線,確保生產效率,穩定產品質量;納米級(10-3μm)軸承加工與測量技術已取得進展;伴隨計算機技術的發展與廣泛應用,在鐵路軸承、航空軸承、汽車軸承等試驗中,采用了仿真試驗技術,開發了不同類型的軸承模擬試驗機。

美國、日本、法國等軸承工業發達的國家,生產集中度和專業化水平都較高。如德國三大公司軸承產量占全國總產量的96%,美國四大公司占56%,而日本五大公司占有率高達99.2%。國外較大的軸承公司的廠、點都按品種類型、尺寸段、零件以至加工工序組織專業化生產,不存在產品重復現象,更沒有中小企業與大公司大量重復生產同一產品的情況。如日本軸承專業化企業生產的零部件已占全部產量80%,而工序專業化公司和軸承毛坯鍛造公司、車加工專業公司、熱處理專業公司也大量涌現,形成了按專業分工,規模生產,各自發揮優勢的協作網絡。

國外軸承產品及相關技術取得飛速發展的一個重要原因是不斷增加對科學技術和產品開發的投入,加強自身的競爭地位。如美國機械工業科研費用普遍占其產值的3%~5%;SKF公司用于科研開發、技改投入和設備購置等費用1995年達29億克朗,約上總銷售額的9%;日本各軸承企業每年的技術開發和技術改造的投入都不低于銷售收入的10%,充分體現了日本“科技立國”的戰略思想。


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