高端滑动轴承现状与发展战略研究（简要版）

高端滑动轴承是指具有高性能、高可靠性、高技术含量，能够满足高端设备或武器装备等极端工况与特殊环境要求，对国民经济、国家安全和社会可持续发展具有战略意义的滑动轴承。

滑动轴承按润滑剂种类可分为油润滑轴承、水润滑轴承、气体润滑轴承和固体润滑轴承等。用油润滑剂润滑的金属材料滑动轴承，具有承载能力强，耐冲击和振动，工作平稳可靠，寿命长等优点，被广泛应用于内燃机、汽轮机、水轮机、燃气轮机、发电机、鼓风机、压缩机、轧钢机、大型电机及仪表、雷达、天文望远镜等设备。用自然水或水基液润滑剂润滑的非金属衬套材料滑动轴承，具有高效、节能、减振、降噪、耐磨、可靠、长寿命和无污染等优点，特别适用于船舶、舰船、潜艇、水泵、水轮机、汽轮机、海洋、石油、化工及国防武器等工程领域重要装备动力推进系统和传动机械。用气膜支承负荷与润滑的滑动轴承，具有转速高、精度高、功耗低和寿命长等优点，在高速支承、低摩擦低功耗支承、高精度支承和特殊工况下的支承领域占有较大的应用优势，被广泛应用于高速回转机械和超精密仪器的精密测量。用固体润滑剂润滑的滑动轴承，特别适用于无油、高温、高负载、低速度、防污、防蚀、防辐射，以及在水中或真空溶液浸润而根本无法加润滑油的特殊工况条件下使用，可广泛应用于冶金轧钢设备、灌装设备、水轮机、汽轮机、仪器仪表，以及食品、纺织、矿山、船舶、航空、航天等工程领域。

一、航空航天工程领域。人造卫星、宇宙飞船等空间飞行器，要求体积小、效率高和寿命长的发动机或透平原动机，气体轴承是其理想的支承。模拟卫星姿态的气浮台、测试陀螺仪精度的低速伺服转台以及光栅回转工作台等，现几乎全部采用气体轴承支承，它提高了测试精度，能得到理想的无干扰模拟工作状态，为空间科学研究创造了条件。风洞用的动导天平气体轴承，使经典的气动力学实验精度获得改善，为飞机、导弹及各类飞行器的气动性能研究提供了可靠保证。随着国家对上述行业的大力发展，对支承轴承要求体积小、效率高、转速高、精度高和寿命长，对高端气体轴承有巨大的需求。预计未来几年，我国气浮轴承产品市场将实现加速增长，2016年行业总供给量有望突破500万套。长期以来，液体火箭发动机涡轮泵转子支承一直采用滚动轴承。然而，随着航天事业的发展，航天运载器发动机面临着更高的要求，如发动机启停次数增加，工作时间延长，发动机工作压力增大，轴承径向和轴向载荷大幅提高，这些要求都挑战着目前滚动轴承的极限。因此，用于支撑液体火箭发动机涡轮泵转子的动静压滑动轴承受到了国内外研究人员的广泛关注。目前美国已经研发出相关的产品，并在实际任务中使用，主要用在中等载荷、中等推力的发动机。我国的研制部门对于火箭发动机用滑动轴承的应用目前还没有明确的日程表，只有航天六院和西交大有一定的研究。

二、船舶与海洋工程领域。长期以来舰船推进系统中的轴承、联轴器、密封装置等关键零部件，以金属构件组成，用矿物油作润滑介质，不可避免地存在摩擦、磨损、振动、噪声、无功能耗、可靠性差、寿命较短等问题，需要耗费大量矿物油和贵重金属等战略资源，无法从根本上解决密封泄漏油污染水环境问题。据有关部门提供的资料表明，880kW船舶推进系统润滑油泄漏量年平均在3t以上。据此估算我国各种船舶共计300多万艘，其润滑油泄漏量年平均按1t计算则高达300多万t左右，严重污染了水资源，破坏了生态环境。世界正面临前所未有的能源和资源危机，例如，已探明的石油可采储量还可以开采43年，已探明的铜可采储量还可以开采26年。船舶推进系统密封泄漏润滑油严重污染水资源及环境的问题，在国外引起各国政府、企业界和学术界的密切关注，并予以高度重视。美国政府以法律形式明确规定，禁止以油润滑推进系统的船舶在密西西比河等内陆河流中航行，否则一旦发现泄漏润滑油将处以2.5万美金以上的罚款。我国上海市于1997年颁布禁止航行在上海港的船舶泄漏润滑油的有关规定。但是全国性的政策、法律、法规还不完善，这严重制约了我国水润滑轴承的应用和发展。以自然水代替矿物油作润滑介质，以新型工程复合材料替代金属材料的水润滑轴承，可彻底解决船舶推进系统及其他工业设备油泄漏污染水资源及环境的问题，能节省大量润滑油和贵重金属材料等战略资源，大大改善和提高机械传动系统的工作性能，其使用寿命比金属轴承提高10倍以上，生产和使用成本仅为同类轴承系统的1/10～1/4。国外研究主要集中在美国、加拿大、英国、俄罗斯、日本等，而真正形成生产能力的专业厂家仅有美国的Johnson Duramax、加拿大Thordon等为数不多的公司。我国研究开发水润滑轴承的主要有重庆大学机械传动国家重点实验室和中国船舶重工集团第719所等，重庆奔腾科技发展有限公司开发生产出600多个规格轴径20～300mm的BTG水润滑橡胶合金轴承系列产品，具有自主知识产权并达到国际先进水平，实现了商品化、产业化和国际化，已销售到30多个国家和地区。随着生态意识的日益增强，环境保护的重大需求，基于新型工程复合材料的大尺寸（轴径大于300mm）高可靠低噪声水润滑轴承是我国大中型船舶和国防武器装备等迫切需要解决的共性与关键技术。

三、国防武器装备工程领域。我国的国防武器多涉及航母、战舰、潜艇及各种作战武器，高速、高可靠、高精度、低噪声、长寿命等的要求也越来越高。我国的舰船的动力基本是柴电驱动、汽轮机和燃气轮机，而对于大功率柴油机轴承我国的自主化率不足70%，寿命也只有国外较优秀轴承的1/3到1/2；对于汽轮机轴承，我国自主研制的轴承转速相对不高或者高转速下性能不佳，瓦温过大等问题都极大地限制了国产化船用动力的发展；对于燃气轮机，基本采用“航改燃”模式，2013年我国的燃机发展不断传来喜讯，但是自主化历程仍然很艰辛。潜艇、灭雷具等的生存能力和战斗力在很大程度上取决于自身的声隐蔽性及其声探测能力。其噪声水平是评价性能的一项重要技术指标，甚至超过了结构尺寸、动力性能和火力系统等。资料表明，潜艇的辐射噪声降低6dB时，敌方被动声呐的作用距离将降低50%。目前，我国核潜艇、常规潜艇、052战略驱逐舰由于螺旋桨的悬臂载荷作用，使得艉部水润滑轴承比压大，负载分布不均匀，导致艉部轴承润滑不良，引起热应变产生振动噪声，给潜艇带来极大的隐患，尤其是对低转速发射工况的战略导弹发射核潜艇，极大影响了潜艇的隐蔽性。水润滑橡胶轴承的黏滑摩擦行为与非线性水膜力学特性、水润滑轴承非线性动力学特性、水润滑轴承摩擦噪声机理分析、轴系校中对艉部轴承振动的影响机理、艉部轴承动刚度的测试分析方法、艉部轴承对轴系振动传递的影响分析、艉部轴承非线性受力计算方法研究及对轴系振动的影响分析等，是我国重要武器装备迫切需要解决的重大关键难题。目前，世界上只有美国Johnson Duramax Marine掌握了潜艇、航母等国防武器装备推进系统水润滑轴承核心技术，并对市场进行了垄断和封锁，禁止对我国出口，严重制约了我国国防武器装备的发展。

四、能源工程领域。根据《电力工业“十二五”规划研究报告》预计，“十二五”、“十三五”期间我国将建设大容量火电机组的规模达到5.6亿kW，而规划新建的发电机组普遍采取了高参数、大容量机组的方案。在这些高参数、大容量机组都需要高端轴承技术作为基础，但目前我国的轴承产品和国外仍有较大差距，高端轴承在很大规模上依赖于国外技术。在核电机组方面，按照国家《核电中长期发展规划》，到2020年，我国核电装机容量将增加到4000万kW，国家将投入4000亿元新建32座百万千瓦级核电站。无论是对于目前我国主流的二代、二代加技术，以及正在引进消化的AP1000三代技术，还是正在突破的高温气冷堆四代技术，作为核电站的“心脏”的核主泵是核电技术国产化最后一个难度最大的重大装备。目前核主泵轴承核心技术完全由美、法、俄等国垄断。三代AP1000核主泵和氦气压缩机等新装备是我国进入21世纪以来投入关键力量发展的大型、新型能源装备，世界上都没有产品投入使用，总体技术上我国与国外基本处于同等水平。但关键核心部件，如主泵的“关节”轴承完全依赖美国西屋公司的技术，尽管该轴承在美国试验过程中出过一些问题，但国外最终都解决了，我国在此方面仍属于空白。氦气压缩机轴承采用RENK公司的产品，该轴承国外没有做过，谈判也历经坎坷，最终提供也只有产品而没有详细图纸和技术。核主泵轴承的技术一旦成熟，在我国的国防建设（如舰艇驱动）和经济建设（如发电）中将起到战略性作用。因此此类新而且技术含量极高的轴承，对于我国是极大的挑战，也有着巨大的机遇，必须重点研究。在核电方面，虽然国内采用最新EPR三代核电技术研制出世界上最大、单机容量达1750MW级的核电半速发电机，并在中国台山建成第一台机组。但其发电机转子支承轴承采用ALSTOM技术，没有自主知识产权，只能按图加工。对于我国百万千瓦发电机组，汽轮机或发电机轴承和轴系常出现瓦温过高或轴系振动过大等情况，必须停机检修，每天的直接经济损失为300多万元，所以必须关注高可靠性轴承的研究。在水电机组方面，我国规划建设大型水电基地，新增电站容量约9200万kW，这无疑对水电设备配套的滑动轴承带来极大的市场，同时也提出了更高的要求。如用于三峡电站水轮发电机下机架中心体油槽内的推力轴承所承受的轴向总负荷高达5520t，这对推力头及镜板的光洁度、垂直度要求非常高，允许误差只有2mm。此外，在风电机组方面，未来5年我国新增风机机组预计将达到1亿kW。虽然目前的风力发电机组仍大多采用滚动轴承，但在偏航系统中，随着风电机组的大型化，机舱的重量和传递到塔架的力矩增大，对滚动偏航轴承滚子的设计和制造要求越来越高，导致轴承的制造成本上升。国外已经率先在多个机型的偏航系统中都采用了嵌入式摩擦滑动轴承，而我国才开始起步。

五、装备制造领域。高档数控机床（铣床、磨床）作为基础制造装备对我国制造业及国民经济具有重大战略意义，机床的发展水平代表了一个国家先进制造业的发展水平。由于机床行业对国防军工和制造业竞争力的关键作用，我国政府已将机床行业提高到了战略性位置，把发展大型、精密、高速数控设备和功能部件列为国家重要的振兴目标之一。虽然我国现已是世界第三大机床生产国，但在超精密机床主轴方面，我国已连续几年成为世界最大的机床消费国和机床进口国。用于回转主轴的高端轴承是保证机床高速性能和精度的关键，而我国目前还没有完全掌握具有国际竞争力的高速机床动静压主轴系统等部件核心设计、制造技术，这成为制约我国高速机床加工精度、可靠性及批量生产和应用的关键所在。目前国外高速机床中使用的轴承包括陶瓷球轴承、气浮轴承、磁悬浮轴承和液体动静压滑动轴承等，润滑介质也在由油气润滑向水润滑方向发展。我国动静压滑动轴承与国外研究与应用差距较大，在高转速、高刚度、低温升方面达不到机床要求。同时，在水润滑机床轴承方面，国内目前还未出现以水润滑为支承的机床主轴单元，但国外已开始试验性工程应用，与油润滑轴承相比表现出较优的性能。

六、石油化工领域。高速、低耗、长寿命是对压缩机、风机等典型石油化工设备的滑动轴承的要求。在压缩机中，为了提高机组效率，转子与腔体之间间隙非常小，因此要求轴承能确保转子满足这种高速、高精度运转的要求。而对于风机，由于需要长时间持续运转，因此对轴承提出了长寿命、易维护的要求。目前这些设备的滑动轴承的直径范围为80～300mm，转速为0～1.5万r/min。目前国外的Waukesha、Kingsbury公司基本垄断国内高速轴承市场，以西气东输工程为例：一线工程中，压缩机全部采用西门子进口电机，轴承全部由德国RENK供应；二线工程有80个增压站，每站有4台电驱压缩机，每台电机配备1套高速轴承，共需320台套，每套进口单价350万元，轴承总价在11.2亿元。因此对于国产化高速滑动轴承的研究无论在战略上还是经济上都迫在眉睫。

我国滑动轴承工业的轴承产量和产业规模已经位于世界前列，水电、冶金等领域的滑动轴承已经达到世界先进水平。但是，起步晚、基础薄弱、力量分散、基础研究和产品开发投入不足等诸多原因严重制约了我国向滑动轴承强国迈进的步伐。我国滑动轴承工业总体上仍处于产业结构相对落后，企业多而不强，中低端产品为主，核心竞争力不足的局面。尤其是在高端产品市场，始终处于劣势，与国际先进水平有较大差距，不少关系国计民生和国家安全的重要领域的关键轴承仍然依赖进口。海关数据显示：2010年1—11月我国滑动轴承出口额高达3.09亿美元，但进口额高达3.25亿美元。与国外先进技术水平相比，我国在多场多介质耦合条件下高端滑动轴承动态服役行为、润滑机理、系统动力学、材料改性与精密成型、环境效应分析、试验技术等基础研究方面有较大差距。

综上所述，极端工况与特殊环境下的大尺寸、高比压、低能耗、无污染、低噪声、高可靠、长寿命、超润滑、高精度、高刚度、智能化等高端滑动轴承创新设计制造理论、方法和技术，是我国高端滑动轴承迫切需要解决的共性和关键科技难题。能量与运动是通过机械零部件之间的界面来传递。机械设备与零部件的宏观工作性能（承载能力、效率、能耗和工作寿命，在各种特殊与极端条件下的适应性与安全可靠性等）与界面的机械、物理与化学形态直接相关，而后者一般是微米或纳米尺度的复杂现象。传统的接触力学不考虑可能存在的各类润滑，传统的润滑力学不考虑可能存在的界面接触，它们都没有完整和准确地描述工程中界面的实际状况。因此，围绕我国高端滑动轴承研发，需要用系统工程的思想，全面综合运用界面力学、摩擦学、表面工程、系统动力学、材料科学、先进制造、可靠性工程、测试技术等多学科交叉融合与协同创新设计理论、方法和技术，重点突破以下高端滑动轴承的共性和关键科技难题：

（1）特殊环境与极端工况下滑动轴承动态服役行为的关键科学问题；

（2）多场耦合条件下高端滑动轴承综合性能试验技术与数据库建设；

（3）高端滑动轴承多学科交叉融合与协同创新设计制造理论和方法；

（4）高端滑动轴承系列产品国家标准、评价体系及产业化关键技术；

（5）支撑液体火箭发动机涡轮泵转子的动静压滑动轴承关键技术；

（6）大尺寸低噪声水润滑轴承材料与精密成型智能制造技术及装备；

（7）高速滑动轴承设计、制造及材料工艺的一体化设计理论及方法；

（8）大型重载滑动轴承的摩擦学和动力学关键技术；

（9）特殊环境下滑动轴承的材料和轴承试验技术。

我国高端滑动轴承的发展战略应建立、健全我国相关法律、法规，以重点攻关项目为载体，组建政产学研用协调创新研发体系，建立若干个工业化应用示范工程，攻克我国国防武器装备减振降噪、安全可靠、节能减排等关键和共性科技难题，打破国外垄断和技术封锁，取得自主知识产权并达到国际先进水平。具体建议如下：

（1）通过政产学研用结合，完善高端滑动轴承研究开发体系：①政府统筹，完善法规，多方参与，合作共赢；②加大基础研究投入，建设研发平台，培养人才队伍；③建立行业协会，鼓励技术联盟；④建立风险保障体系，支持自主研发。

（2）充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，通过龙头企业的引领和示范作用，调动广大企业的积极性，鼓励企业开辟新领域。

（3）服务高端轴承产业，提供政策支持，完善法律法规：①加大对企业研发和创新的政策支持；②支持国防高端产品研发；③提供权威的性能检验服务，支持国产产品；④优化上下游产业体系；⑤支持有条件的企业国际化；⑥完善技术标准；⑦保护知识产权。