在一次重要会议上,洛阳轴承研究所原所长罗继伟博士提出一个重要的命题:要关注和解决行业存在的科技“真”问题。我理解罗博士讲的科技“真”问题,就是经过市场检验,经过实践证明为影响行业高质量发展的、亟待解决的科技难题。
“真”问题是相对伪问题而言的,既然强调“真”问题,就是因为有伪问题。我们在着力解决“真”问题的时候,要防止某些人用伪问题来忽悠我们,误导我们,分散我们的精力。我们要大力发展原创性以至颠覆性的轴承科技,着力解决困扰我们的信息未知的“黑科技”问题或信息部分已知、部分未知的“灰科技”问题。但是有些游离于科技体制之外,被称为“民科”的人,也有个别体制内的人员,他们对一百多年来,世界和我国在轴承研发、生产实践中形成的轴承基础理论、应用基础理论和设计制造技术一无所知或知之甚少,却扬言要用他们的“发明创造”(实际上是伪科技、伪问题)颠覆现有的轴承理论和制造技术系统。对他们这种行为,我们要旗帜鲜明地反对,防止他们的伪科技付诸实施,使国家和企业受到重大损失。
影响行业高质量发展的科技“真”问题很多,现提出几个,希望引起有关专家和企业家的关注,充足发力,精准发力,靠前发力,加以解决。
1、轴承的正向设计
这是大家都在说,但很多人未搞明白的问题。
我们都知道,正向设计是从概念→实物(亦即产品),逆向设计是扫描实物(产品)→获取实物(产品)几何模型→再按其设计制造实物(产品)。我们行业基本上都是逆向设计。最近几个科研院所和企业都说他们研制的高速动车组轴承是正向设计,实际上并不是真正意义上的正向设计。连载荷谱都没有,还不能轻言是正向设计。
我们应该编制轴承正向设计规范(或指南),指导企业进行真正意义上的正向设计。指导企业首先采集并编制轴承载荷谱,根据轴承载荷、使用性能、寿命和可靠性要求,进行动力学仿真分析,产品数字化建模,继而进行产品整体结构和微观结构的优化设计,包括材料和热处理的优选,各工作表面硬度和粗糙度的匹配,滚动体和滚道型面凸度的确定,滚动体和滚道吻合率的优选,滚动体球基面与套圈挡边接触状态的优化,保持架运动稳定性和抗冲击能力、密封件的高可靠性和低摩擦力矩、润滑油脂的高效长寿命的确保,以及各项形位公差的规定。
2、bm系数的确定
额定动载荷和额定寿命计算中的bm系数,直接影响轴承基本额定载荷Cr、Ca的计算值,从而对轴承基本额定寿命L10的计算值产生很大的影响。
GB/T6391-2001/ISO281:2007《滚动轴承额定动载荷和额定寿命》中规定:“bm为当代常用优质淬硬钢轴承和良好加工方法的额定系数,该值随轴承类型和设计不同而异。”该标准规定,球轴承bm=1.1~1.3,滚子轴承bm=1~1.15。这个系数与钢材品质有很大关系,在当今已研发应用高等级轴承钢,如GB/T18254-2016规定的特级优质轴承钢、GB/T38885-2020规定的超高洁净轴承钢,还有正在研发的高氮马氏体不锈钢等的情况下,GB/T6391规定的bm系数取值需要调整。现在,对bm取值存在缺乏科学性的任意性。去年,鉴定一个企业的科技成果项目,一位资深专家问:“你们bm值取多少?”回答:“1.5”,资深专家又问:“取bm=1.5的依据是什么?”回答不上来。说明这个项目bm值是任意取的。这个问题可能具有普遍性。这个问题的解决,需要我们与研制轴承钢的排头兵企业一起,经过充分的试验、验证,根据应用钢材的种类、冶炼方法、质量等级确定科学的bm取值和取值方法,指导企业科学地进行bm取值。
3、高速动车组轴箱轴承内外圈材料的选定
现在我国使用的高速动车组轴箱轴承,全部从国外引进。制造轴承内外圈的钢材,欧系(SKF、FAG)轴承是采用高碳铬轴承钢,日系(NSK、NTN)轴承是采用渗碳轴承钢。我国现在研制的国产高速动车组轴箱轴承采用日系技术路线——渗碳轴承钢。对于欧系、日系二条技术路线各有什么优势、劣势,我们为什么要采用日系技术路线,应该研究清楚。
高铁轴承用用G20CrNi2MoA渗碳轴承钢,国铁集团重大专项“高速动车组轴箱轴承关键技术研究”课题组拟定的技术条件中规定:“钢应采用真空自耗重熔(VAR)或炉外精炼(RH)方法冶炼”,即冶炼方法电渣重熔和真空脱气二种方法均可采用,只要能达到规定的技术要求。
但业界还是偏向应用电渣重熔钢、这可能是一种惯性思维。因为从1979年起,我国铁路货车轴承“滑改滚”(滑动轴承改滚动轴承),一直应用电渣重熔钢,实践证明效果良好。为突破偏向应用电渣重熔钢的惯性思维,应回顾一下历史。1979年从日本引进铁路货车轴承设计制造技术,引进的技术文件上规定制造轴承内外圈的渗碳轴承钢冶炼方法为“真空脱气”,因当时国内制造铁路货车轴承的钢材的定点生产厂家没有真空脱气冶炼技术,只有电渣重熔冶炼技术,铁道部只得将技术条件上冶炼方法改为“真空脱气(或电渣重熔)”。过了一段时间,电渣重熔钢使用效果良好,国内真空脱气冶炼技术还没有发展起来,铁道部又将冶炼方法改为“电渣重熔(或真空脱气)”,后来干脆把(或真空脱气)去掉,改为“电渣重熔”。如当时像现在这样,国内特钢厂真空脱气冶炼技术得到长足发展,就不必要作这样的改动。日本现在一直采用真空脱气冶炼方法,根本没有电渣重熔这一说。
确实,电渣重熔钢有的性能,如冲击韧性优于真空脱气钢,大冶特钢对不同冶炼方式生产的渗碳轴承钢G20CrNi2MoA进行同等条件下的对比试验,用电渣重熔法冶炼的冲击功125J,而用真空脱气法冶炼的冲击功为97J。但经过大的技术改进,兴澄特钢研发的用真空脱气法冶炼的高等级铁路轴承用钢G20CrNi2MoA,冲击功已达到电渣重熔钢的水平,有的性能如氧含量还优于电渣重熔钢。
在二种冶炼方法生产的渗碳轴承钢都能满足高速动车组轴箱轴承长寿命、高可靠性的要求的情况下,是不是一定要采用冶炼耗电量大得多,从而成本和价格也高得多的电渣重熔钢,我想,这也应该是我们研究和解决的真问题。
4、风电机组增速器轴承的黑色氧化膜处理的机理和配方、工艺
为了防止滚子打滑,损伤轴承工作表面,GB/T33623-2017《滚动轴承 风力发电机组齿轮箱轴承》规定:“滚子类轴承的套圈及滚动体应进行黑色氧化膜处理”,按GB/T15519进行化学转化处理,表面形成Fe3O4黑色氧化膜。按这种方法处理的轴承外观与FAG等跨国轴承一样,油光锃亮的黑色。有的专家将FAG轴承黑色氧化膜进行化学分析,发现化学成分不但有Fe3O4,还有其他成分,说明FAG采用的不是简单的、我们采用的氧化处理(发黑处理)。这个问题应该深入研究,搞清楚跨国轴承公司风电机组增速器轴承的黑色氧化膜处理的机理和配方、工艺。
5、用42CrMo4无软带淬火取代G20CrNi4MoA渗碳淬火制造风电主轴轴承的可行性
风电机组双列圆锥滚子主轴轴承国际国内轴承业界通行的技术路线是用渗碳轴承钢G20CrNi4MoA渗碳淬火制造。
我国轴承行业应用的渗碳轴承钢有6种:G20CrMo(A)、G20CrNiMo(A)、G20CrNi2Mo(A)、G20CrNi4Mo(A)、G10CrNi3Mo(A)、G20Cr2Mn2Mo(A)。
使用最多的二种。一种是G20CrNi2MoA,用于制造货车轴承,未来国产高速动车组轴箱轴承也用这种渗碳轴承钢制造。另一种是G20CrNi4MoA,用于制造冶金轧机轴承和风电主轴轴承。
渗碳轴承钢经过渗碳淬火加工,可以获得很高的表层强度硬度和很好的心部组织韧性,非常适合于制造承受重载荷、冲击载荷的铁路轴承和冶金轧机轴承。
但是,渗碳轴承钢价格贵、加工费用高,尤其是需要表面深层渗碳的特大型轧机轴承和风电主轴轴承,需要用适合深层渗碳的G20CrNi4MoA制造,这种G20CrNi4MoA渗碳轴承钢价格昂贵(价格是高碳铬轴承钢的3倍),同时,深层渗碳要在800℃以上高温加热200多小时,不仅要耗费大量电能,而且表层易产生有害的粗大碳化物(要费很大的劲才能消除),还会产生不易矫正的变形,而使工件报废,造成很大的损失。
这项从国外引进的技术,一直困扰着我国轴承厂家,一些专家多渠道寻找解决办法。一种办法是外径¢440~¢800mm的冶金轧机轴承,用强度、韧性优于GCr15、GCr15SiMn的GCr18Mo,进行下贝氏体淬火,取代G20CrNi4MoA渗碳淬火,制造冶金轧机轴承,这项技术改进已取得成功,并推广应用。但双列圆锥滚子风电主轴轴承超出了这个尺寸范围,无法应用这项技术。
我国轴承行业有二家轴承企业以“敢于第一个吃螃蟹”的精神,用中碳合金钢42CrMo4(添加微量合金元素,优化合金成份),进行无软带表面淬火和激光表面淬火,取代G20CrNi4MoA渗碳淬火,制造双列圆锥滚子风电主轴轴承,大大降低了材料费用和加工费用。希望我国轴承行业有关专家和企业家密切关注、积极参与这一技术进程,深入研究这一替代是否可以满足风电主轴轴承的工况所要求各项性能(强度、耐磨性、冲击韧性、疲劳寿命等)。深入研究这项技术,如在风电主轴轴承应用成功,可否移植到冶金轧机轴承,这项技术如能在风电主轴轴承和冶金轧机轴承的制造上成功应用,将会产生巨大的经济效益和社会效益。
6、几个貌似简单实际难解决的问题
有几个貌似简单的“小儿科”的问题,实际上很难解决的问题,需要发力解决。
一是轴承的工作表面,包括内外套圈滚道、滚子工作表面的凸度修形。这似乎是已解决的问题,其实不然。现在业界公认的最佳型面是对数曲线凸度型面。对数曲线型面的设计似乎不太复杂,但如何通过磨加工、超精加工,精确加工出符合设计的对数曲线型面,如何精确检测加工出的型面是否符合设计的对数曲线型面,这是需要解决、而目前没有解决的问题。而最大的问题是凸度值应该取多大,凸度位置应如何配置,是一个现在还没有完全解决的问题。凸度的位置和大小,不可以任意选定,应构建载荷谱,按载荷的性质、大小、分布,数字化建模,分析计算,从而得出凸度正确的坐标和大小数值。这项工作希望在这方面造诣很深的专家和企业家,充足发力,加以解决。
二是车加工轴承套圈滚道,车加工产生的铁屑的断屑问题。由于断屑困难,难以排屑,必须操作者用铁钩从加工区钩出。一些企业想在车床应用机器人,就是因为这个问题未解决,机器人的应用迟迟未能实现。沈阳机床研发的、想靠其起死回生的“i5”数控车床,研发了包括高压水刀在内的多种断屑方法,均未成功,以至原先应用机器人的设想未能实现。希望目前正在想方设法解决这个问题的企业不要气馁,咬咬牙,坚持下去,总能找到解决办法。
三是实体铜保持架去毛刺的方法。实体铜保持兜孔加工后,会留有毛刺。小毛刺可以通过振动光蚀、抛丸等方法去除,大毛刺通过机械、化学的方法无法去除,只能人工用手锉去除毛刺。有一次,我陪同一位跨国轴承公司的高管参观我所在的工厂。这位高管在铜保持架锉毛刺工部停留很久,看得很仔细,我问他们的工厂有没有代替人工锉毛刺的方法,他耸耸肩:“没有。和你们一样干。”现在,国内瑞谷科技进行了用小机器人铣毛刺的试验,希望能够成功。还有没有别的办法,需要行业里相关专家和企业家研究。
结语
本文提出了几个行业存在的科技“真”问题,希望行业里的专家和企业家,根据自己的需要和能力,精准发力,加以解决,为行业的高质量发展作出贡献。我国轴承行业类似的科技“真”问题还有不少,希望相关的专家和企业家,认真梳理,按问题的轻重缓急,一个一个地加以解决,不要让这些问题老是困扰我们,阻碍行业高质量发展的步伐。