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轴承是机械传动轴的支承,是实现主机性能、功能与效率的重要保证,被誉为机器的“关节”。其主要功能是传递力和运动,减少摩擦损失。
不要以为这么高端的器件是近现代的产物,不,轴承在地球上已经存在8000年了。
轴承初现
8000年前的新石器时代,中国出现了慢轮制陶工艺。制陶用的陶轮是一个装有直立转轴的圆盘,把和好的陶土或粗坯放在陶轮的中央,使陶轮转动。
▲距今8000年的跨湖桥文化遗址出土的木质陶轮底座
这个木质陶轮底座像个梯形圆台,上台面中心位置有一个凸起小圆柱,它就是陶轮转盘用的轴。转盘通过圆台上的轴来支撑旋转,这是现在已发现的 早的轴承原型。
▲跨湖桥文化遗址陶轮工作示意图
此后过了2000多年,距今6000年的古埃及启动了浩瀚的金字塔修建工程。
修建过程中,古埃及人在撬板下放置一排木杆,利用木杆的滚动使重物移动,人们叫它木伦运输。
这与现代直线运动轴承使用的是用一种工作原理,只不过有时用球代替滚子。
后来人们发现用直径大的木轮运输速度更快,于是木轮的直径越来越大,逐渐演变成带轴的轮子,这便形成了 早的车轮雏形。当然,车轮也是我们中华民族的发明。
距今4700年的黄帝时期,人类历史上第一部车辆驶上历史舞台。
黄帝造车,故称轩辕氏。
轩是古代一种有围棚的车,辕是车的基本构件。
到了2700多年前的春秋时期已经发明了车轴的润滑剂。有《诗经》为证:
载脂载辖,还车言迈。遄臻于卫,不瑕有害?——诗经 邶风泉水辖在古代解释为“车轴端键”。用于古车上,它相当于我们现在所说的销钉,穿过轴端,可以将车轮“辖”住,使车轮轴向固定;而“脂”指润滑剂,“还”即回家,“迈”就是快。
这几句诗译成现代汉语,就是:用油脂,将车轴润滑,在轴端,把销钉检查,驱车远行,送我回家 。快快地赶到家乡卫啊!切莫让我问心有愧。
人类就这样在懵懵懂懂间使用着轴承原理。
直到距今2200年,由于周、秦、汉朝对轴承技术发明和应用的广泛实践,在秦汉时代的一些重要文化典籍中,对这种器件已经有了明确的记载,,并且有了专用名词,比较常见的有“轴”、“釭”、“锏”等,后来又逐渐发展为“轴受”(见《说文解字》)。现在日语中对轴承的文字表达仍为 “轴受”。
从发掘出的文物可以看出秦汉时期的“轴受”具备内腔结构,可以放置滚子。这种“轴受”被认为是人类制造的初代滚动轴承。
▲在中国陕西农村发现的具有内腔的环形青铜制品(公元前2世纪)图片来源:《滚动轴承润滑》
早期的滚动轴承有一个很大的毛病,就是滚子之间会发生碰撞,造成不必要的摩擦。而带有保持架的现代滚动轴承是1760年由英国钟表匠约翰·哈里森发明的。距今还不到260年。
现代轴承的发展
初创期
17世纪是现代轴承的初创时期。
伽利略曾对“固定球”的,或者“笼装球”的球轴承做过 早的描述,不过一直停留在纸面设计中,在随后相当长的时间里,伽利略在机器上安装轴承的设想一直没有实现。
直到1794年,第一个关于球沟道的专利诞生,英国的一个铁器制造商用滚珠轴承制造了四轮马车的车轴轴承。从那时起直到19世纪的50年代和60年代,人们将滚珠轴承广泛使用在儿童玩的旋转木马,螺旋桨轴,军舰上的机枪转塔,扶手椅和自行车等器械。
1883年,FAG创始人弗里德里希·费舍尔提出了使用合适的生产机器磨制大小相同、圆度准确的钢球的主张。这一设想奠定了轴承工业的基础。
▲弗里德里希·费舍尔设计的球磨机
1895年,亨利·铁姆肯设计出第一个圆锥滚子轴承,三年后获得了专利并成立Timken(铁姆肯)公司。
1907年,SKF轴承工厂的斯文·温奎斯特设计了 早的现代自调心球轴承。
▲斯文·温奎斯特于1907年绘制的自调心球轴承原图
这时中国也没闲着,清朝时期已经能生产出做工精良的滚动轴承。下图就是一套滚子轴承,制造精细,套圈、保持架、滚子都和现代的轴承极为相似。
从17世纪到19世纪,现代轴承发展了两百年的时间,而轴承的工业化生产才刚刚起步。
成长期
两次世界大战刺激了军事工业、机械工业的发展,人们发现轴承的用途遍布汽车、飞机、坦克装甲、机床、仪器、仪表、自行车、缝纫机等等领域,几乎是万能的存在。
第二次世界大战时期,随着战争手段的现代化,人们对轴承的认识和重视升华到了空前的高度,各个国家都急需轴承,急盼建立轴承工业。于是乎,一大批轴承厂在各国先后出现,轴承的种类更是井喷式的增长。
发展期
近几十年来,随着航空航天、核电工业、电子计算机、光电磁仪器、精密机械等高新技术的飞速发展,体现当代科学技术水平的世界轴承工业进入一个全面革新制造技术,迅速发展品种,大力提高性能、精度,日益成熟完善的历史新时期。
这个时期轴承品种应有尽有,用途罗万象。目前轴承品种数以万计,特大型轴承大到38米,微型轴承小到零点几毫米。
即有传统单列、双列、多列球轴承、滚子轴承、滚针轴承、圆锥轴承、更有无润滑轴承、自润滑轴承、角接触轴承、传器轴承、万向节轴承、超薄壁轴承、轮毂单元轴承、空气轴承、直线轴承、超导轴承、磁浮轴承等等。
▲轴承的分类
在这些轴承中,应用 广泛,标准化、产业化程度 高的是滚动轴承。在理论研产品制造与应用技术方面,人们也是对滚动轴承情有独钟。
轴承的技术特征
轴承技术的本质特征主要表现在5个方面:
1 运动学特征——摩擦及高速旋转运动
旋转是滚动轴承 常见的运动形式。旋转过程中产生摩擦,摩擦的直接结果是发热和磨损,并由此引发传动系统一系列的应用问题,轻则降低效率、影响主机功能与性能的发挥,重则导致燃轴事故和损坏主机部件。
在轴承技术中,高速度旋转下的摩擦热问题 为突出,是轴承技术发展的主要瓶颈之一。
2 动力学特征——高频交变载荷及弹性接触应力与变形
传递运动与载荷是轴承的基本功能,也决定了轴承服役过程的动力学特征。对轴承的力学分析从静弹性力学到拟动力力学分析的工程应用,已经走过了近200年的时间,但是成熟的动力学模拟仿真至今未完成。拥有足够长时间的实验数据积累,但缺乏分析计算工具是轴承动力学研究的尴尬之处。
3 摩擦学特征——摩擦、磨损与润滑成为轴承服役性能典型表现
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