重型机械轴承绿色设计的探讨
发布时间：2013-07-30 浏览次数：623
常煜璞
（洛阳轴承研究所，河南洛阳 471039）
摘 要：机械行业的绿色设计关系着工业振兴和工业资源的节约和保护。随着国家重型机械的发展，作为基础备件的重型轴承的绿色设计也是行业关心的问题，对重型机械轴承绿色设计的理解从几个方面进行了探讨：轴承材料的选择与管理；轴承产品可拆卸性设计；轴承产品的可回收性设计；轴承产品的成本分析；轴承产品设计数据库。文中介绍了重型机械轴承目前的现状和未来的预想，给出了建设性的意见。
关键词：重型机械；轴承；绿色设计
大型工程机械、建筑机械、矿山冶金设备、石化、风力发电等装备通常被称为重型机械。重型机械多为关键设备，在生产线中至关重要。由于重型机械轴承使用的环境较为恶劣，轴承在设计初期就应充分考虑各个因素对轴承寿命的影响，从而设计出Z优的产品。同时由于重型轴承价值不菲，单套轴承少则几万，多则几十万，对于轴承制造企业和用户来说都承担了巨大的成本。
文中对重型机械轴承的绿色设计的理解及在轴承制造应用中的问题进行了简单论述，以期探讨更优、更先进的设计理念，共同促进重型机械轴承工业绿色设计理念的推广，更多地节约工业资源、社会资源。
1 重型机械轴承材料的选择与管理
1.1 套圈和滚动体材料的选择
根据不同的轴承使用工况，合理地选择轴承用材，并考虑工艺性和周期性以节约主机和生产成本。一般情况下，轴承钢成本偏低，周期较短；渗碳钢成本偏高，周期略长。
根据淬透性选择：套圈制造所用材料通常采用高碳铬轴承钢，其为整体淬火钢，表层和心部均可硬化。对于截面较小的轴承套圈和滚动体可采用GCr15，对于截面较大的轴承套圈和滚动体宜采用淬透性好的GCr15SiMn。
根据轴承承受冲击载荷情况选择：对无冲击或冲击载荷不大的套圈和滚动体，可以选用GCr15SiMn；对承受冲击载荷的大型、特大型的套圈和滚动体可以选择渗碳轴承钢。渗碳轴承钢是在铬钼钢、铬镍钼钢或铬锰钼钢等材料表层一定深度内进行渗碳，使其具有致密的组织并形成硬化层，而中心部位硬度较低，有良好的心部冲击韧度，其使用性能很好，轴承寿命计算与高碳铬轴承钢相同。
根据轴承使用温度选择：高温下工作的轴承采用耐热性好的高温轴承钢制造。
根据轴承工作接触介质选择：接触腐蚀媒介的轴承采用不锈轴承钢制造。
根据轴承可靠性选择：轴承钢的清洁度，非金属夹杂物含量低，含氧量低，轴承疲劳寿命越高。一般情况下选择真空脱气或真空重熔钢均可满足要求。对于高可靠性的轴承应选择电渣重熔钢。
根据材料的成本和制造周期选择：轴承钢制造的套圈和滚动体成本相对较低，制造周期相对较短；渗碳轴承钢成本稍高，制造周期稍长。合金结构钢如42CrMo、50Mn等成本较低。
1.2 轴承保持架材料的选择
钢板成本较低，而铜材价格较高，选择时要综合考虑轴承使用环境确定。
各种冲压保持架多用10钢板和黄铜板材，车制实体保持架用材多为30钢、黄铜HPb59-1、青铜QAL10-3-1.5、铝ZL102及酚醛层压布管等，此外还有粉末冶金及尼龙66等。
2 重型机械轴承产品可拆卸性的设计
重型轴承产品多数外形尺寸较大，有些轴承产品有几吨重。轴承生产装配难度大、造价高，有的多达几十万元。因此轴承在设计初期应考虑轴承装卸方便的需求。可以综合考虑以下几个方面：
（1）考虑轴承装卸方便：重型轴承的装配和安装很多时候要用叉车、天车、吊车等，人力成本支出也相对较大，因此在轴承的结构设计上务必要考虑轴承装配和安装时的吊装孔、安装孔或安装螺孔等设计，要与轴承安装机体位置配合；轴承使用中由于维护的需要，应方便拆卸以节约成本，在结构上要考虑螺纹孔、销孔、滚动体的退卸缺口等设计；
（2）考虑轴承制造或装配的工艺结构：如轴承与套圈配合便于装配的径向填装口、安装滚动体的缺口、安装弹性挡圈的工艺孔等；
（3）考虑轴承零件结构强度：如安装螺栓孔的强度校核等。
3 重型机械轴承产品的可回收性设计
重型机械中的轴承耗材大，造价高。重型轴承如果能够回收或者重新修复利用，将为企业节约大量的资金。近年来，国外的轴承厂家如Timken在重型轴承的修复上已捷足先登，该公司为宝钢修复的四列圆锥滚子轴承已获得认可。虽然国内轴承制造业也一直做这方面的工作，但还欠缺专业的管理以及专业的修复研究分析人员。
重型轴承产品的回收和修复通常包括：回收轴承的磨损分析、清洗、拆套、零件检验、重新设计计算选配尺寸、修磨或更换内、外圈、滚动体重新制造或重新修磨、滚动体更换、更换保持架或修复保持架、游隙或装配高检查调整、成品检验、重新清洗涂油包装等全面检查。由于重型轴承制造周期较长，因轴承损坏造成的停机停线损失重大，虽然轴承修复的价格也较高，但对重型轴承来说，某些类型的轴承修复是可行的。
重型轴承的包装和防护所用材料有木箱、防锈油、塑料布、集装箱、泡沫塑料等，在产品被主机安装后留下了很多废料，其中不乏可回收的材料，这些多数轴承厂家未曾回收，而主机厂也是作为垃圾处理，由此造成很大的资源浪费。
随着材料技术的发展，新型环保的复合包装材料研发也已经取得成效，如木塑复合材料、纸浆模塑复合材料、可降解的生物包装材料等的应用，将会更有效地起到防护、减重的目的，包装材料的成本也大幅降低，回收的包装还可以再利用。
4 重型机械轴承产品的主要成本分析
重型轴承产品成本较高，通常有以下特点：轴承原材料消耗大；轴承制造过程消耗大：噪声、切削液、冷却液、废气、废水对环境的污染大，由此产生很多附加费用；轴承维护费用巨大。
目前我国重型轴承的锻件多数“肥头大耳”，材料利用率约45%～65%。而先进的设备和工艺能够节约材料，如中国重型机械研究所研制的世界Z大的自由锻造油压机、二重研制的特大型真空铸锭、宝钢批量生产的特大型管坯等。随着锻造设备和锻造工艺水平的提高，重型轴承的原材料消耗会减少很多。
在轴承制造企业中，每年用于噪声、废气、废液方面的环境改善以及污染处理的费用，随着产量的逐年增加，如果在制造中推广应用先进的切削工具、先进的切削技术，以及多效能切削液、水溶性环保切削液等，在使用时根据加工方法选择合适的切削液，可以减少和降低切削液、冷却液的消耗，减少废液的排放，既能保护环境资源，也能为企业减少支出，提升利润空间。
对主机企业来说。重型轴承使用中的维护耗费了企业大量的资金。资料表明，60％以上的设备故障是由于润滑不良造成。在重型轴承的维护上可以采取以下措施进行维护，严格制度，以达到事半功倍的效果：
（1）轴承安装后应定时对轴承进行听查和测量其工作温度；
（2）在轴承静止状态中检查或进行润滑油脂的分析；
（3）及时按照操作规程对轴承进行再润滑；
（4）每隔3-12个月彻底检查轴承一次；
（5 ）拆卸后的轴承认真检查滚道的磨损，建历史记录卡；
（6）暂时不用的轴承要涂油润滑、包装、贮存在适当地方；
（7 ）在轴承的运转过程中增加轴承的监测设施，预防在先，及早发现问题，避免更大的损失。
5 重型机械轴承产品设计数据库
重载轴承在产品设计时多是针对性的设计，内部尺寸存在较大的差异。这不利于轴承的标准化和轴承数据库的建立。在重型轴承产品设计初期，要建立产品系列化和模块化的概念，对零件进行的设计中尽量避免零件的重复设计，在满足设计需求的条件下，相同、相似尺寸轴承零件参数尽可能统一标准，这样可以减少生产环节中工艺装备、工装、夹具、量具的重复制造，降低制造费用。在设计产品和工艺时，对相同类型的轴承编制数据库和模块，采用数据共享等措施，有效减少重复设计。
如果考虑提高正常废弃产品中重新制造零件的比例，可以通过优化分析数据设定Z大和Z小的安全尺寸，提高再制造的可能性，Z大限度地节约成本。
参考文献
[1]刘志峰,刘光复.绿色设计[M].北京:机械工业出版社,1999.
[2]朱旭.轴承修复:宝钢集团轴承供货新选择[J].工业设计,2008 (10):36-37.
[3]陈敏,刘晓旭.面向再制造的产品设计理论初探[J].机械设计.2005(增刊):25-26.
来源：《机械工程师》2009年第5期
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