打破壟斷!中國攻克核心裝備:高端軸承,他國曾十倍高價賣給我們

資訊     2022年01月11日

1840年,第一次鴉片戰爭爆發,清政府實行「閉關鎖國」政策已久,面對英軍的長槍短炮,清軍節節敗退、傷亡慘重。

最終,在1842年,這場英國單方面碾壓中國的戰役落幕,清政府被迫簽訂《南京條約》,接受不公平的協議,並割地賠款。

這場慘痛的戰爭讓國民意識到,一味固步自封只會招致國家的毀滅。一時間,舉國上下掀起了一股變革浪潮。

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人們萌生了先進思想,比如其中的代表人物魏源,就曾在《海國圖志》中提出「師夷長技以制夷」的觀念塵封百年的科技之門終於再度被中國人打開。

自此之後,隨著清政府滅亡、新中國成立,中國一步步擺脫了「東亞病夫」的蔑稱,綜合國力迅速發展,科技實力蓬勃向上,如今已躋身世界強國之列。

然而,在科技領域屢次取得突破的中國,至今卻仍未攻克一種叫做「高端軸承」的核心裝備,不得不高價從國外進口。

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隨手可見無處不在,零件雖小要求頗多

乍一聽,「軸承」像是一個相當陌生的詞彙,離普通人的生活似乎十分遙遠,但其實在日常中,我們常常會接觸到與之相關的事物。

從小孩愛不釋手的玩具,到商務人士常在手腕上佩戴的機械錶,再到聲聲轟鳴的工廠、飛馳的列車、閱兵式亮相的軍火武器以及翱翔高空的衛星。

在製造它們的過程中,如果沒有安裝上軸承,都會導致效率和安全性大為降低。由此,軸承的重要程度可見一斑。

顧名思義,軸承是一種助力各部分機械轉動、承托轉軸或直線運動軸的零件。

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當軸上有部件產生了相對運動時,就需要軸承來控制這些運動,降低摩擦係數、保證迴轉精度,讓運動保持在相對恆定的範圍內。

如果做個比較淺顯的比喻,軸承就相當於人體的各個關節,既能讓人活動自己的四肢頭顱,又會保證活動範圍不超出肢體可承受的極限。

軸承的種類繁多,總體而言,可以分為「滾動軸承」和「滑動軸承」。

而無論是哪一種軸承,為了保證效率和精度,都需要其在與軸摩擦的過程中產生儘可能微弱的振動,避免軸承與軸之間產生過多磨損和發熱。

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而軸承所處的工作環境往往十分嚴苛,導致其對製作時的精細度和原材料的要求都極高,因此,其生產難度極大,專業人員必須考慮眾多因素。

以滾動式軸承為例,因為它的滾動體和套圈間的接觸面積十分窄小,所以一旦開始運行,軸承滾動體的單位面積上就會承受巨大的壓力。

最多高達5000帕斯卡,相當於幾噸重物壓在每平方毫米的滾動體表面上。

且由於高速運轉,軸承內外會遭到高頻變應力和離心力的作用,軸承表面極易出現應力疲勞,最後表面便會出現裂紋,整個零件直接報廢;

除此之外,為了應對不同的實際應用場合,軸承還要具有耐腐蝕、耐高溫等特質。

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可以看到,為了適應嚴峻的工作環境,軸承的質量必須過硬,且在設計上也要盡力提高軸承的耐受度。

為了滿足軸承在精度和壽命上的要求,除了合理的設計之外,還需要可靠的材料。

仍舊以滾動軸承作例子,它一般由四部分組成:保持器、外套圈、內套圈和滾動體(滾針、珠或滾柱)。除去保持器外,軸承的其餘部分都必須使用「軸承鋼」打造。

軸承鋼也分多種,其中高碳鉻鋼占主體,因其含碳量高達1%左右,又在此基礎上加入1.65%左右的鉻,大大提高了鋼體的熱處理性、均勻性和穩定性。

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在軸承鋼的合成過程中,其化學成分分布的勻稱性、碳化合物的分布密度以及非金屬夾雜量等方面都被賦予極為嚴格的要求。

因此軸承鋼是國際鋼鐵生產中要求最為嚴苛的鋼種之一,具有極高的製造難度。

國內研發曲折前進,尖端技術遭遇瓶頸

軸承最初的理論體系和建造模型都由國外科學家提出,我國科技研發之路起步較晚,等我們意識到工業發展的重要性時,國外早已將軸承的核心技術研究透徹,遙遙領先。

為不被世界的洪流吞沒,中國只能迅速開荒,一步一步摸索。

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因為軸承在軍事裝備中占據著絕對重要的地位,坦克、軍艦、飛彈、飛機,這些武器裝備如果沒有配備優良的軸承,就會大大縮短使用壽命。

因此在二戰中,製造軸承的工廠往往會被優先攻打,以掐斷敵對國家的武器生產命脈。

二戰結束後,西方世界抱團聯合,美國與蘇聯陷入冷戰,為了打擊蘇聯及以其為首的社會主義國家的軍事力量和經濟實力,軸承專用設備被美國列入了資本主義國家對社會主義國家的禁運物資之一。

這對投身於軸承研發的中國而言無異於當頭棒喝,然而中國堅韌不拔的傳統意志讓當時的科研工作者們咬牙堅持著自己的事業。

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於是,在老一輩工作者的努力和黨的引領下,中國的工業技術領域逐漸脫離了原本的頹唐之境。

改革開放後,中國經濟迅速騰飛,工業領域的技術也有了重大突破,實現了歷史性的跨越。

而今,中國成為了全世界唯一一個擁有所有聯合國工業產業門類的國家,成為了超級製造大國。

在軸承領域,中國的表現也十分優異。據2014年中商產業研究院的數據統計,中國已成為世界第三軸承生產大國,軸承年產量高達196億套

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從無到有、由弱到強,中國的軸承發展事業無疑開展得如火如荼。

然而,雖然中國的軸承產量已大幅提升,足夠應對一般需求,但從中國軸承行業結構來看,主體仍是技術含量較低的普通軸承。

中國仍未成為「軸承製造強國」,在高端軸承質量的可靠性與壽命方面,國產的軸承與西方國家仍存在較大差距。

事實上,比起普通軸承的批量化生產,高端軸承的生產製造問題更亟待中國解決。

最初,我們在高端軸承的研製之路上頻頻受挫。

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1984年,改革開放政策實行之初,中國科研人員傾注全部心血,成功自主研發了殲8II戰機,該型號戰機裝配了中國第一批攔射雷達,是當時的空軍主力之一。

但是因為高端軸承的質量不過關,殲8II戰機配套的發動機的壽命極短,只有不到200個小時。

而同一時間,西方國家的主流戰機的發動機壽命可達數千小時,與國產戰機拉開了極大的差距。

隨後,在大型軍用軸承上,我們取得了初步的成功。

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1999年的閱兵式上,新型主戰坦克99A緩緩駛過天安門廣場。

其炮塔座圈和坦克座圈均是由我國自主研發的高端軸承,不僅可供幾十噸重的炮塔自由轉動,還能承受開炮時產生的巨大後坐力,此等技術即使放眼全球也極為少見。

不過,光是研製並實裝99A的座圈,就幾乎耗盡了舉國之力。

研製高端軸承耗費的精力實在過多,且對於容錯率極低的軸承來說,一旦出現細微的失誤,都會導致整個高端設備直接報廢。

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因此我國並無法像研製大型軍用軸承一樣,將同等的心血投入到微小高端軸承的研發製造之中。

導致中國在小型高端軸承批量生產技術上陷入了瓶頸,不得不依賴進口軸承來完成高端設備製造。

德日趁危牟取暴利,不甘落後決心趕超

由於在工業製造商上存在大量對於高端軸承的需求,如近年著重發展的高鐵與客機製造,而國內又缺乏批量生產高端軸承的技術,中國每年都需要從國外進口高端軸承。

而在軸承製造領域,德國和日本的技術位於世界前列——在世界十大軸承供應商排名中,分別有3家德國公司4家日本公司

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因此,近年來,我國的高端軸承主要都從德國FAG、日本NTN等公司引進。

德國和日本看到了我國在高端軸承製造方面的劣勢,於是野心愈發膨脹。

為了讓更多資金從中國人的口袋流入他們囊中。

海外企業紛紛來中國建廠,僱傭中國勞動力,在中國採購技術含量較低的材料運回國外,而後再在加工成高端軸承後以十倍的價錢賣給中國。

西方國家不僅從中國這裡賺足金錢,還對中國的工業技術大肆嘲諷。

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德國工業家曾不屑地發表評論,表示中國人永遠做不出質量優越的滾珠軸承,當個世界加工廠還差不多。

明明已經具備了足夠的工業生產能力和最大的勞動力市場,卻因缺乏尖端技術而在高端軸承領域被西方國家掐住咽喉甚至受盡嘲笑,中國不甘被肆意牟取暴利,決心奮力追趕。

為了讓高端軸承技術比肩世界強國,中國出台了一系列激勵性政策,支持並鼓勵高端軸承產業的發展,從軸承鋼本身到軸承的加工,都進行了極大程度的優化。

軸承鋼的好壞很大一部分程度上取決於它的純凈度。只有純凈度高的軸承鋼,才能擁有足夠的韌性,從而讓軸承承受較大的壓力。

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而為了提高軸承鋼的純凈度,需要重點關注其含氧量。

煉鋼時,含氧量的單位為ppm,而高端軸承鋼中的含氧量需控制在5ppm以下。

在過去很長一段時間內,國內的軸承鋼產量雖然保持在較高水平,但質量並不使人滿意,鋼中微量雜質偏高,含氧量也高出國際標準兩到三倍。

經過多年努力,我國科研人員攻克了含氧量的難題,成功讓軸承鋼的鋼中含氧量低於5ppm;

同時,科研人員還額外破解了西方國家軸承巨頭視為核心機密的技術——在鋼中加入「稀土」,就能使高端軸承鋼的硬度更上一層樓。

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通過此技術,科學家們讓軸承鋼中影響疲勞壽命的大尺寸雜物減少了50%。

在解決了材料問題之後,中國開始著手軸承的設計加工問題。

除去延長高端軸承鋼壽命的技術以外,西方國家還掌握高超先進的潤滑密封技術以及細質化熱處理技術,並憑藉這些尖端技術生產出了頂級的高端軸承。

我國潛心研究軸承的加工處理技術,在這幾年取得了重大突破。

2020年10月14日,河南洛陽舉行了自主化高速鐵路軸承研究會。

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在會上,官方宣布,中國洛陽LYC軸承公司已經研製出通過了時速250公里與350公里考驗的高鐵軸承。

還進行了120萬公里耐久性台架試驗,產品指標符合要求,更重要的是,這些高鐵軸承已經符合了批量生產的條件。

此次研發出來的高端軸承具有複雜的結構,加工難度也十分之高,研發人員累積收集了數萬種數據,經過了87道工序才完成了軸承外套圈的加工削磨。

最終將軸承內外套圈精度控制在了千分之一毫米內,比國外軸承精度提高整整一倍。

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這個好消息意味著,將來在我國的高鐵製造業上,極有可能用國產高端軸承取代國外進口軸承。

根據LYC的產業報告分析,一旦完成取代,每生產一節車廂,都將省下3.2萬人民幣。

高鐵高端軸承的研發進展意義重大,為其他領域的研究提供了新思路,同時也表明,中國打破了西方國家長久的技術壟斷。

目前,中國造出的高端軸承鋼已反向出口到日本、瑞典等西方國家,國產高端軸承鋼的疲勞壽命已超過了軸承鋼強國的同期水平;同時,在軸承加工上,中國也進步頗多。

我國已能造出好鋼,接下來要做的就是如何將其運用在軸承上,造出世界級的好軸承。

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高端軸承涉及更多技術難題,還會牽扯到一些交叉學科,如疲勞與破壞、潤滑學等,但從近代到現在,我國已奠定了良好的基礎,在價值鏈處於底端的中國製造已站在了高處。

終有一日,我國定會從「師夷長技」轉變為「夷師吾技」,製造出頂尖的高端軸承,全面突破西方國家的技術封鎖。

參考資料

1、中國知網;打造高端軸承領域「洛陽標杆」;郭學鋒;郭建立;洛陽日報;2021年07期;

2、中國知網;國內外軸承鋼的現狀與發展趨勢;李昭昆;雷建中;王存宇;俞峰;鋼鐵研究學報;2016年03期;