人体红外线测温仪原理

人体红外线测温仪原理

红外线测温仪原理

一，红外测温的理论原理

在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断的向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75µm~100µm的红外线。他最大的特点是在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体，并设定他的反射系数为1，其他的物质反射系数小于1，称为灰体，由于黑体的光谱辐射功率P(λＴ)与绝对温度T之间满足普朗克定。说明在绝对温度T下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为P(λＴ)。根据这个关系可以得到图1的关系曲线，从图中可以看出：

（1)随着温度的升高，物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。

（2)随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动（向左)，并且满足维恩位移定理 ，峰值处的波长 与绝对温度T成反比，虚线为 处峰值连线。这个公式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。

（3)辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪比高（灵敏度高），抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。

二，红外线测温仪的原理

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。两信号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，使反馈源的光谱辐射亮度和物体的光谱辐射亮度一样。显示器指出被测物体的亮度温度

三，红外线测温仪的性能指标及作用

测温范围，显示分辩率，精度，工作环境温度范围，重复性，相对湿度，响应时间，电源 响应光谱，尺寸，最大值显示，重量，发射率等

1，确定测温范 围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不 要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化。

2，确定目标尺 寸:红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺 寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。相反，如果目标大于测温仪的视场，测 温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，不充满视场，测量通 路上存在烟雾、尘埃、阻挡，对辐

射能量有衰减时，都不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标，双色测温仪是最佳选择。这是由于光 线直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。 3，确定距离系 数（光学分辨率）：距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处， 而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，即增大D：S比值，测温仪的成本也越高。如果测温仪远离目标，而目标又小，就应选择 高距离系数的测温仪。对于固定焦距的测温仪，在光学系统焦点处为光斑最小位置，近于和远于焦点位置光斑都会增大。存在两个距离系数。

4，确定波长范围 ：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.8～1.0μm。其他温区可选用1.6μm,2.2μm和3.9μm。由于有些材料在一定波长上是透明的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应选择特殊的波长。

5，确定响应时 间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有 关。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时，要选用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。然而，并不是所有应用都要求 快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时，测

温仪的响应时间就可以放宽要求了。

6，信号处理功 能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供选用，如测温传送带上的瓶子 时，就要用峰值保持，其温度的输出信号传送至控制器内。否则测温仪读出瓶子之间的较低的温度值。若用峰值保持，设置测温仪响应时间稍长于瓶子之间的时间间 隔，这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。

7，环境条件考 虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。当环境温度高，存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下，可 选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪，实现准确测温。在确定附件时，应尽可能要求 标准化服务，以降低安装成本。

8，红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，则需退回厂家或维修中心重新标定。

四，影响红外测温仪的主要因素

1、测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径D是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。红外测温仪距离系数K的定义为：被测目标的距离L与被测目标的直径D之比，即K=L/D

2、选择被测物质发射率：红外测温仪一般都是按黑体（发射率ε=1.00）

分度的，而实际上，物质的发射率都小于1.00。因此，在需要测量目标的真实温度时，须设置发射率值。物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得。

3、强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。

4、小目标的测量

⑴ 应将测温仪固定在三角架（可选附件）上

⑵ 需要精确调焦，即：用目镜中小黑点对准目标（目标应充满小黑点），将镜头前后调整，眼睛稍微晃动，如果被测小黑圆点之间没有相对运动，则调焦就已完成

5.温度输出功能

（1）数字信号输出——RS232、RS485，温度信号远传

（2）模拟信号输出——0～5V，1～5V，0～10V，0/4～20毫安，可以加入闭环控制中。

（3）高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里,可设置高,低报警值。高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的LED灯闪烁，蜂鸣器响，并有AH常开继电器接通。

今后十年我国轴承产品与技术发展预测

今后十年我国轴承产品与技术发展预测

中国轴承工业协会 陶必悦

洛阳轴承研究所 周有华

摘要 从我国轴承制造业技术进步和提高与重点主机配套能力的角度，瞄准工业发达国家轴承产品的先进水平，对今后十年(2001～2010年)我国应重点发展的十类轴承产品和十项具有共性的关键技术作了分析和预测。

轴承是关系国民经济发展的关键机械基础件，其技术水平和产品质量对主机的性能和质量有着重要的影响，被誉为机械的“关节”。改革开放以来，我国轴承产品水平和制造技术水平有了长足进步，与重点主机配套能力有了很大提高，轴承品种规格达28000个，部分品种已具有国际水平。目前，我国轴承生产企业约2000家；轴承年产量20亿套，居世界第三位；产值200亿元，排世界第四位；年出口10亿套，创汇5亿美元。中国已跻身于世界轴承生产大国行列。但与工业发达国家相比，我国轴承制造业的整体水平还存在着相当大的差距——组织结构散乱差，重复建设严重，生产集中度低；产品设计水平低，新产品开发跟不上主机发展需求；制造技术落后，尺寸散差大，振动噪声大，性能一致性差，寿命可靠性低；产品档次低，价格乱，竞相压

价争市场，国际竞争能力差。为主机配套和维修的一些高技术含量的轴承主要依靠进口，而出口轴承则主要是低档通用轴承。轴承制造业的这种落后状况，已经成为制约机械工业发展的重要因素之一。 通过对我国轴承制造业现状的分析和广泛征求专家意见，初步将今后十年（2001～2010年）轴承制造业发展的基本思路归纳为：结合市场需求，努力开发紧缺轴承新品种；瞄准工业发达国家轴承产品的先进水平，大力改造老产品，使我国轴承产品和制造技术水平有一个大幅度提高，促进产品质量全面迈上新台阶；适度发展生产能力。 现就我国轴承产品和关键技术在今后十年的发展作如下分析和预测。

一、轴承产品的发展

轴承产品的发展具有五个方面的特征：

⒈继续坚持产品的“三化”（标准化、通用化、系列化）方向，以最少的品种满足不同产业的多样化需求，并有利于产品规模化生产的要求。

⒉产品向轻量化、组件化、单元化、智能化发展，以配合主机产品更新换代要求。

⒊产品向高速度、高精密、高可靠性、低摩擦、低振动、低噪声发展

[1]。

⒋发展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）以及计算机集成制造系统/信息管理系统（CIMS/IMS）技术。

⒌在轴承产品上采用现代高新技术、新钢种、新材料、表面改性技术以及新的设计理论等，以发展轴承可靠性技术。

重点发展的轴承产品大致可分为十类：

⒈航空航天轴承——军用飞机发动机主轴轴承、火箭发动机涡轮泵轴承以及各类飞行器和舰船导航仪表轴承（如陀螺马达轴承、陀螺框架轴承、卫星姿控轴承）

轴承是航空航天工业配套和维修所必需的关键件，与航空航天工业的发展和技术进步密切相关。轴承的技术水平、性能和质量的优劣直接影响着飞机、火箭、卫星等航空航天飞行器的性能寿命和可靠性。航空航天轴承较民用轴承具有更多特殊性，在精度、速度、灵敏度、寿命、可靠性、温度、真空度、腐蚀、辐射等方面均有很苛刻的要求。为满足这些要求，在轴承的设计、选材、加工、检测、试验、润滑、使用、维护等各方面都必须采取相应的技术措施。航空航天轴承技术含量高，在国际上亦属绝密范畴，因此必须结合我国航空航天发展计划自行开发。

我国民航现有的主力服务机群和维修轴承均为进口。军用飞机制造历史久远，歼击机具有代表性，其配套轴承为自行研制。对飞机发动机主轴轴承的基本要求是高速、高温和高可靠性。国产轴承的dn值为(1.56～1.8)×106 mm•r/min，温度200～250℃，寿命500h；国外同类产品的dn值(2.25～2.55)×106mm•r /min[2]，温度250～300℃，寿命1000h。dn值为3×106mm•r/min的轴承，国外正在研制之中。陀螺仪轴承，国内精度ABEC7级（P4级）、摩擦力矩0.003～0.004mN•m；国外精度AB EC9级（P2级）、摩擦力矩0.001～0.002mN•m。火箭发动机涡轮泵轴承，温度-253℃（液氢）～-183℃（液氧），转速20000～

40000r/min，寿命国内3h、国外7h。航空航天轴承品种多批量小，国内外价格悬殊。订货量50套以内，国内外价格比1:(10～15)。 为使国产航空航天轴承在今后十年内达到工业发达国家当前的先进技术水平，应重点开发高速度（dn=2.5×106mm•r/min）、大推力、耐高温（300℃,高温渗碳钢[3]）、长寿命（1000h）、高可靠性燃气涡轮发动机主轴轴承；高速度（dn=1.5×106mm•r/min）、大推力、耐低温（-253℃～-183℃）、耐腐蚀（零件表面改性处理）、自润滑（多孔含油保持架）、高强度、高可靠性火箭动力涡轮泵主轴轴承；高速度（20000r/min）、高精度（轴承精度P2级、钢球P3级）、高灵敏度（启动摩擦力矩≤0.003mN•m）、高可靠性、长寿命（50000h）、自润滑（微孔含油保持架）陀螺马达轴承；高精度（轴承精度P2级、钢球P3级）、高灵敏度（启动摩擦力矩≤0.003mN•m）、耐高真空（真空度1013乇）、自润滑（微孔含油保持架）、长寿命（8年）、高稳定性、高可靠性的卫星轴承；其他它带各种法兰盘的异形航空轴承、陶瓷滚动体轴承等。

⒉高速铁路客车轴承（时速320km、寿命350～500万公里）

目前，我国铁路客车运行速度平均在100～120km/h，部分线路（广琛、京沪、宁沪线——准高速铁路）达到160～240km/h。引进的高速列车样机在试运行之中。2000年9月，我国首台时速305km的高速电力机车问世。“十五”期间可望在京沪线、京沈线、京广线部分路段逐步实行高速化，与之配套的高速铁路客车轴承的研制势在必行。我国年产铁路客车轴承18万套，预计今后十年内高速铁路客车轴承

的年用量为1.5～2万套，约占铁路客车轴承总量的1/10。高速铁路客车轴承附加值高，将会成为轴承制造业和社会效益不可忽视的增长点。

高速铁路客车（轮对）轴承开发的主要内容：提高轴承高速运行下寿命可靠度，开发新结构轴承及其性能试验技术、轴承新材料应用技术（套圈和滚子采用低含氧量的真空脱气钢）、高速铁路轴承专用长寿润滑脂、大型工程塑料保持架，研制工艺装备及检测仪器，开展高速铁路客车轴承模拟试验研究、高速铁路客车轴承数学分析研究。 ⒊新型轿车轴承——轮毂轴承单元、自调心冲压离合器轴承单元、等速万向节总成、水泵轴承单元、发电机轴承和空调压缩机轴承

工业发达国家的轴承制造业随着轿车制造业的迅速发展而得到相应地快速发展。轿车轴承按结构特点划分，现已发展到所谓第三、四代产品，最具代表性的为轮毂轴承、离合器轴承单元和等速万向节总成

[4]。其结构特点是，轴承零件与汽车的相关零件联结为一体，形成轮毂轴承单元。国外轮毂轴承单元已进入系列化、实用化、小型化、轻量化、高速化[5] 、大批量生产阶段。由于压力加工、热处理技术的提高，已出现薄钢板冲压离合器轴承[6]。随着我国汽车制造业的发展，为满足国产轿车配套和维修的需要，必须发展这类轴承产品。我国目前的汽车保有量为2500～3000万辆，年产量170万辆[7]。根据今后十年我国汽车制造业发展规划，轿车年产量将达到400～500万辆，到2010年轿车关键部位轴承年需要量为1.2亿套。

国家已将汽车制造业列为国民经济的支柱产业，轴承是汽车的主要配

套件，轴承制造业的发展必须与汽车制造业同步甚至超前。我国汽车轴承特别是轿车轴承的开发将坚持三化方向，并向单元化、组合化发展，做到同一系列车型用同结构或同型号的轴承；发展长寿命轴承（即延寿）技术，努力使轴承与整车等同使用寿命；研究开发新材料（包括密封材料）或经表面改性处理的汽车轴承、高速长寿汽车轴承润滑脂、精密成形技术和复合表面精加工技术；提高磨削、超精研、装配的技术水平和自动化程度；开发汽车轴承动态模拟试验技术和仿真试验技术。

⒋精密数控机床（数控车床、铣床、磨床、镗床和加工中心）主轴轴承

精密数控机床主轴轴承技术含量高，加工精度高，附加值高，是体现轴承制造业技术水平的标志性产品。国外加工中心主轴的转速普遍为8000r/min，业已开发出30000～40000r/min的加工中心[8]。机床的高速化是高效率加工优良零件的普遍追求，高转速已成为高速加工中心的主要特征[9]。目前我国机床年产量的数控化率约为12%,国内市场占有率约为50%[10]。国内市场上，精密数控机床主轴轴承年需求量为5～8万组（套）。

精密数控机床主轴轴承的开发，除坚持三化方向，并向单元化、组合化、智能化、高速化发展外，还将侧重开发纳米级加工与测量技术、G3级精密钢球研磨技术、精密凸度圆滚子制造技术、轴承精度保持性技术、高速主轴轴承冷却技术和轴承组配技术。

⒌工业机器人精密薄壁轴承——常规环境下工作的机器人用薄壁轴

承、高温（>150℃）环境下工作的机器人用薄壁轴承和腐蚀、辐射、污染环境下工作的机器人用薄壁轴承

我国现有工业机器人总装机量约为1200台，其中国产的约占1/3(即400多台),仅占世界机器人总装机台数70万台的万分之五点七[11]。我国机器人的研究开发始于1986年[12]，与之配套的国产轴承起步更晚，目前多为进口。“八五”期间安排了部分机器人轴承的试制工作，试制品仍处于展品阶段或试用阶段，尚未实现产业化。随着21世纪的到来，我国工业现代化进程加快，特别是以计算机为主的现代工业的发展为我国工业机器人的发展创造了条件。“十五”期间，我国工业机器人将进入小批量制造和产业化初期，有望达到年产200～500台套。预计与之配套的精密薄壁轴承平均年产量可达1000～2000台套。2010年全国累计工业机器人保有量为1万台左右，

工业机器人精密薄壁轴承将向精密化、小型化和智能化发展，需相应开发薄壁套圈热处理新工艺（确保套圈耐磨又不脆裂）、纳米级轴承加工设备和检测仪器，开发耐腐蚀、耐高温、抗辐射的轴承新材料。 ⒍特种轴承——陶瓷轴承（陶瓷角接触球轴承如高速机床主轴轴承、陶瓷圆柱滚子轴承如高速燃气涡轮发动机主轴轴承、陶瓷深沟球轴承如高温高速电机轴承、陶瓷圆锥滚子轴承如在腐蚀环境高温条件下作业的化工机械用轴承）和磁浮轴承（高速机床主轴磁浮轴承单元） 陶瓷轴承系指用氮化硅（Si3N4）等陶瓷材料制造的轴承，可分为混合陶瓷轴承（滚动体用陶瓷制作，套圈用金属材料制作）和全陶瓷轴承（全部轴承零件用陶瓷制作）两类。与金属材料相比，陶瓷材料具

有耐高温、抗腐蚀、比重小、热胀小、无磁性、弹性好等特性[13]，从而为陶瓷轴承的应用开辟了广阔前景。譬如，根据其比重小和耐高温的特点，制作高速燃气涡轮发动机主轴轴承、高速磨削主轴轴承；根据其耐高温，耐腐蚀的特点，制作工业锅炉、炊事机械、造纸机械、化工机械用轴承；利用其绝缘性，制作牵引电机轴承等。国外预计，当陶瓷轴承的价格下跌后，使用陶瓷轴承将更为普遍。目前约有20%的主轴采用陶瓷轴承，很快就会达到50%[14]。我国已制成陶瓷球的混合型陶瓷轴承，预计“十五”期间可完成全陶瓷轴承的研制并形成小批量生产，2010年前实现产业化生产。各类主机对陶瓷轴承的年需要量可达3000～5000万套。

磁浮轴承（又称电磁轴承、磁力轴承、磁性轴承）是利用电磁力使轴稳定悬浮起来，且轴心位置可由控制系统控制的一种新型轴承，是集机械学、力学、控制工程学、电磁学、电子学和计算机科学于一体的机电一体化产品[15]。它具有无接触、无摩擦磨损、无需润滑，以及一般轴承无法比拟的长寿命（几乎有无限的使用寿命[16]）等优点。国外首批进入实用阶段的磁浮轴承是1972年法国完成的卫星导航飞轮磁浮系统和1978年德国NBB公司研制的时速360km的高速列车磁浮系统。我国从60年代就着手研究磁浮轴承，在某些领域（如电主轴[17]）已取得实际应用效果。主轴高速化是机床发展的重要趋势之一。今后几年即使在一般的工厂中，主轴转速亦将逐渐增加，其平均转速超过5000r/min。我们即将看到转速为250000r/min的主轴[14]。没有绝对圆的滚动元件和绝对平的导轨，因而总有一点爬行和反向移

动时的滞后。陶瓷轴承可以较全钢轴承达到更高的转速(dn=(2.5～

2.7)×106 mm•r/min[18.19])，但为了达到主轴的极限转速终究需要某些非接触式轴承[14. 20]，如磁浮轴承。主轴采用磁浮轴承后，轴承允许转速设定值可比球轴承提高一倍，其dn值达到5×106mm•r/min[21]。随着我国工业现代化，磁浮轴承的需求将会更迫切。预计“十五”计划期间在国家支持下在控制系统方面将会有所突破，之后该项技术将进入产业化生产阶段。

对于陶瓷轴承，需研究各类陶瓷材料特性，陶瓷制粉、成型、烧结以及精加工技术和相应的陶瓷轴承制造设备[12]，陶瓷精密成品的各种检测设备或仪器；对于磁浮轴承，需研究磁浮轴承动力学、磁浮轴承单元控制系统。

⒎自动化办公机械用轴承——计算机硬盘驱动器主轴轴承单元（高速度——转速7000～10000r/min，高精度——非重复径向跳动

以计算机磁盘驱动器主轴轴承和激光打印机主轴轴承为代表的自动化办公机械用轴承，在工业发达国家已经大批量生产，国内尚处于研制阶段。目前，与国产计算机、激光打印机配套的轴承均为进口产品。这类产品技术含量高，制造精度、清洁度及动态性能要求高，国内无相应的轴承设备制造厂。在当前轴承企业资金困难，而这类产品的开发和产业化又需较大投入的情况下，若无国家扶持，则短期内难有突破。从计算机生产或拥有量来看，我国已步入“计算机大国”行列。据

粗略统计，2000年国内计算机年产量将达到500万台，加上激光打印机、摄像机、影碟机等，轴承年需求量为1.2～1.5亿套。有鉴于此，建议国家在科研和产业化生产等方面立项，组织有关轴承科研和生产单位集中突破，可为国家带来较好的经济效益。按1美元/套计，年节约外汇1.5亿美元。

此类轴承系列的开发应以满足国内大计算机公司的需要为目的，走引进和技术开发相结合的路子，开发纳米级轴承成套制造技术（包括制订实用先进的工艺路线，开发滚动表面超精密加工技术、滚动表面改性技术、微米级清洗技术，研制相应的关键设备、检测仪器和专用低噪润滑脂），制订产品性能检测标准。建议国家立项，建立此类轴承的专业化生产车间，实现大批量生产，以堵住此类轴承的进口。 ⒏新型调心滚子轴承系列——CC型轴承系列和CARB型轴承系列 瑞典SKF轴承公司开发的CC型、CARB型新型球面滚子轴承，由于其结构上的优越性，已引起各国轴承制造公司的普遍重视，并相继发展。CC型与我国现行C、CA、E型相比，由于采用活动中挡圈、冲压保持架、对称滚子，以及滚道的特种光洁加工技术，从而可大幅度提高动负荷容量，降低摩擦力矩，显著提高轴承使用寿命和轴承转速，并可大量节约保持架用黄铜，降低轴承制造成本。CARB型与我国现行C、CA、E型轴承相比，滚子的曲率半径要大得多，相应的径向截面积也小，内圈滚道无挡圈，滚子较长较粗，可允许较大的轴向偏斜而相应径向游隙变化小，不影响轴承寿命，从而可在环境温度变化大和重载且设备结构要求紧凑的情况下使用，如造纸卷筒、轧钢卷板

机等。为适应我国工业化的发展，应开发和产业化生产这两种调心滚子轴承。作为产品更新换代的CC型应大面积发展并逐步取代现行的

C、CA型。CARB型应在“十五”完成研制，“十一五”产业化生产。目前国产调心滚子轴承的在用量为350万套，若每年以10％的速度进行改造替换，则CC、CARB型年需要量应为30～50万套。

主要开发内容：完成CC型和CARB型轴承系列设计（CAD），开发滚子、滚道精密加工技术（包括大曲率球面滚子和滚道磨削和超精研设备）和轴承摩擦力矩试验机。

⒐直线运动支承（直线导轨系列、滚珠丝杠系列）

直线运动支承（亦称直线轴承）系指直线导轨（亦称直线运动导轨）和滚珠丝杠（亦称滚珠螺杆）。直线导轨由导轨和滚动导块（滑块）组成，滚珠丝杠由丝杠和滚珠导套（回珠器）组成。直线运动支承是一种将直线往复运动转变为滚动引导的滚动副。与滑动系统相比，这种滚动副具有结构刚性高、定位精度高、摩擦阻尼小（无爬行、速度高、能耗小）、精度保持性好（寿命长）的优点。直线运动支承广泛应用于数控机床、加工中心、工业机器人、自动生产线。在我国，滚动导块和滚珠导套已产业化，但品种少、精度低。国外同类产品实行的是按组件产业化生产，质量有可靠的保证。随着我国机械制造业和各种加工业的发展，要求直线运动支承按组件供应，要求发展新品种和提高制造精度的呼声越来越大。轴承行业应根据市场要求，开发直线导轨和滚珠丝杠组件。预计今后十年间直线导轨年需求量为2～3万组，滚珠丝杠年需求量为5～10万组。

直线运动支承的开发内容主要包括，制订直线运动支承技术标准，完成直线运动支承系列化设计（CAD），开发高精度直线导轨和滚珠丝杠加工和组合技术，及其相应的工艺设备和检测仪器。直线运动支承以按组件生产和供应为好，这有利于用户选型、使用和保证运动精度。 ⒑特大型关节轴承系列（d>450mm）——活动桥梁关节轴承系列 特大型关节轴承主要用于大型水电站、桥梁和特大型机械。常见结构的关节轴承，国内已产业化生产，但特大型的关节轴承（d>450mm）国内尚处于空白。随着我国大型水电站、桥梁的建设和特大型机械的发展，对特大型关节轴承需求明显增长，预计今后十年总需求量为1～2万套。

特大型关节轴承的发展需重点解决三个问题，其一，开发适用于活动桥梁支承的关节轴承，要求大承载、易制造、省材料；其二，开发特大型关节轴承组装技术；其三，筛选适用于特大型关节轴承的新材料。

二、关键技术的发展

我国与工业发达国家的技术差距主要是制造技术方面的差距[23]，轴承制造业也不例外。长期以来，美国、日本、瑞典、德国等轴承强国一直在不遗余力地开发先进的轴承制造技术，以满足主机的使用要求，力争在激烈的全球经济竞争中保持其领先地位。由于先进制造技术往往关系到一个公司甚至一个国家的经济发展，因而工业发达国家发展先进制造技术都带有垄断性。国外轴承同行向来对中国封锁先进的轴承制造技术，这一点是我国轴承行业出访人员的共同感受。 我国轴承制造业必须在借鉴国外先进经验的基础上自主开发本国的

先进制造技术。在改善实施先进制造技术的基础条件的同时，优先发展适用先进的制造技术[24]。先进制造技术的研究开发立项要效益与水平并重，大中小企业需求并重，大批量制造与特种小批量制造技术并重，目的在于通过提高轴承性能、品质、寿命可靠性来满足主机的配套要求，增强国产轴承在国内外市场上的竞争力。今后十年我国轴承制造业应重点发展的具有共性的关键制造技术包括：节材节能增寿的轴承套圈精密冷辗扩技术，高精度高效率高稳定性的轴承套圈磨削—超精研自动生产技术以及与其相配套的轴承自动装配技术，G3级精密钢球研磨技术、精密凸度圆锥滚子磨削—超精研自动生产技术，精密保持架制造与测量技术，超精密轴承加工与测量技术，轴承仿真试验技术，以及轴承减振降噪、润滑和密封技术。

⒈轴承套圈精密冷辗扩技术

轴承套圈精密冷辗扩技术是一种在专用的轴承套圈精密冷辗扩机上使常温的环形坯件的内径和外径同时扩大，并获得磨削加工所需的截面形状的轴承套圈精密成形技术。用冷辗扩方法制作轴承套圈，可以大幅度节省材料、节省能源、显著改善工件内在质量。采用冷辗扩工艺方法的轴承套圈工艺流程：用棒料（或管料）车削制坯—冷辗扩—热处理—磨削—超精研。与锻造或车制相比，冷辗扩轴承套圈节材15～30％。据统计，轴承套圈从钢材冶炼、轧制到机械加工成形，其电能消耗比例为：钢材冶炼轧制70％、套圈锻造15％、热处理4％、机械加工11％。由此可见，节材就是最大的节能。同时，冷辗扩使工件金属呈流线分布；与随后的热处理相结合，可使晶粒细化、组织

致密、碳化物分布均匀。冷辗套圈的使用寿命是计算寿命的20多倍。 我国轴承套圈冷辗扩技术从原理研究开始起步，相继获得国家发明专利和实用新型专利，已进入实用化。开发我国具有独立知识产权的新技术，走科技创新之路，符合科教兴国战略，符合我国轴承行业实际需求。国产冷辗机的技术水平与日本CRF型和德国UPWA型冷辗机相当，除兼有后二者的一些主要优点之外，原理更合理、结构更简单、制造成本更低廉，但在机床的稳定性、系列化、应用范围和自动化程度方面存在较大的差距。国内也曾有企业仿制进口冷辗机，但半途而废。目前，国内外冷辗技术仍处在成长期，边应用边完善。德国投入百万马克制造专门用于试验的冷辗机，配置数台计算机和几十个传感器，对冷辗机进行全面测试。

据测算，外径Φ30～180mm的轴承约占轴承总量的65％，超过10亿套。考虑到我国现有的多种制坯形式在一个较长的时期内还会共同存在，仅按30％的套圈采用冷辗扩工艺制造，而冷辗机每台每年生产120万件计算，适合辗扩Φ30～180mm轴承套圈的冷辗机在国内的市场容量达250台。除轴承外，在机械工业其它环形零件制造中也有着广泛的用途。冷辗机的市场前景广阔。

主要研究内容：开发以扩大应用范围为目的的冷辗扩工艺、高效优质长寿成套模具制造技术和经济合理的冷辗用坯制备技术；以提高辗扩精度和机床可靠性为目标，对现有机型进行完善和定型；成系列开发适合Φ30～250mm尺寸段的轴承套圈冷辗机和冷辗扩生产线联线技术。预计在今后十年内，国产冷辗机达到日本、德国同类机床的技术

水平。圆锥套圈闭式冷辗扩机和球轴承套圈开式冷辗扩机（外径Φ100、Φ160型）形成批量生产能力，并建成年产5000万套轴承套圈冷辗扩生产基地。

与轴承套圈精密冷辗扩技术相关的还有轴承套圈管料车辗技术和轴承钢管冷温静液挤压技术，后二者涉及钢管车削用多轴自动车床或多轴多刀自动车床的研制、高压力大变形条件下静液挤压的工艺研究和专用静液挤压机的研制以及高压膜腔工装结构的优化设计等方面。 ⒉新型轴承套圈磨削—超精研、轴承装配自动线——微型深沟球轴承套圈（

轴承属于量大面广通用性强的机械基础件，轴承套圈一般以轴对称的多个回转面、环面的相互组合为其主要的几何特征，特别适合自动化生产。从轴承套圈现有的成型方式来看，无论毛坯是锻造、辗扩，还是车制，热处理之后的加工都是平面、内外回转面的磨削和超精研(非磨轴承除外)。磨削和超精研是决定轴承套圈最终几何形状、表面质量，影响轴承动态性能的关键工序。装配则是使轴承性能得以充分体现的重要工序。性能稳定、适用先进的自动生产线可为高效率地制造高品质的轴承提高可靠的硬件保证。

目前，我国微型、小型和中小型轴承套圈磨削—超精研仍以单机自动为主，装配以单机半自动和半自动短线为主。由于国产设备可靠性差，

联机技术不成熟，难以按联线方式组织自动化生产。这是导致国产轴承品质普遍低于工业发达国家的重要原因之一。工业发达国家将轴承自动生产线作为提高生产效率、改善操作条件、保证产品质量的突破口而大力开发和应用，轴承套圈磨削—超精研和轴承装配的自动化程度非常高。我国虽然在消化吸收进口设备的基础上已仿制出轴承套圈磨削—超精研、轴承装配自动线，但单机的技术性能和全线的稳定性都还有待提高，新技术有待应用，加工类型和范围也有待扩大。以提高单机技术性能（如应用CBN砂轮磨削、自适应磨削、故障自动诊断等新技术）和全线稳定性为主要特征的新型轴承套圈磨削—超精研自动线，的开发与应用将有利于轴承行业的产业结构调整和集约化生产；有利于轴承制造业的技术进步，提高生产效率和产品质量。 我国微型、小型和中小型深沟球轴承占轴承总量的70%以上，年产量约14亿套；圆锥滚子轴承占轴承总量的10%，年产量约2亿套。量大面广的微型、小型和中小型深沟球轴承，小型和中小型圆锥滚子轴承尤其适于组织自动化生产。开发此类轴承套圈磨削—超精研、轴承装配自动线刻不容缓。预计今后十年，此类轴承套圈磨削—超精研、轴承装配将实现自动化。根据我国轴承制造业的发展趋势，若有1/4的此类轴承采用自动线生产，而每条线年生产能力为200～250万套，则市场容量为150～250条（其中圆锥滚子轴承自动生产线约50条）。 主要研究内容：轴承套圈磨削—超精研自动线包括，改进生产工艺——研究适合自动线的系统工艺，开发自动线计算机管理软件；提高单机技术性能——应用CBN（立方氮化硼）砂轮磨削技术[25]、高速

磨削技术[26]、自适应磨削技术、数控技术、故障自动诊断技术和自动检测技术，在确保性能稳定的前提下提高自动线各单机的主轴转速、机床系统刚性、自动化程度和加工效率，确保零件加工精度及稳定性；提高相关技术水平——CBN砂轮的制作和修整[27]，新型超精研油石、磨削液、研削液的研制以及磨（研）削液过滤技术的提高；研制辅助装置——开发工件的机后测量、分选、贮存、清洗、提升和传输系统；开发成套配置技术——开发与系统工艺相适应、适用先进的各类机床配置方式。轴承装配自动线包括，自动分选合套技术；新型清洗剂及清洗设备；自动装配与自动测量；自动线联线技术；自动线计算机管理软件；成套设备和检测仪器，包括零件清洗，套圈分选、合套、装球、加保持架、压合，成品清洗、烘干，注油、压盖，测振动、测力矩，包装等各工序用设备和仪器。

预期目标：到2010年，产品尺寸精度达到P5级以上，且满足优于Z3/V3 组振动等级轴承配套要求；新制造的轴承套圈磨削—超精研自动线的组成设备有70％以上接近或达到工业发达国家90年代中后期同类设备的技术水平；主要设备数控化，端面磨削单机自动，外圆磨削机组联线，内圆磨削和超精研自动化短线；装配自动线接近或达到工业发达国家21世纪初期同类设备的技术水平。

⒊G3级精密钢球研磨技术——G3级钢球（球径

现{BANNED}公机械、计算机、精密仪器仪表用的微型和小型球轴承必须配以G5～G3级精密级钢球。钢球在轴承中作为滚动体是承受负

荷并直接影响轴承动态性能的零件。在工作中，轴承内的每一粒钢球在自转的同时都随着保持架绕轴承的旋转中心公转，周期性地通过轴承受载区。钢球的质量与轴承的质量息息相关。开发G3级精密钢球研磨技术是高速精密球轴承配套的需要。

日本AKS公司大批量地制造Φ0.05～Φ114.3mm的G3级钢球。日本70％的轴承用AKS的钢球配套。我国目前虽已拥有制造G5级钢球的成套技术，但尚未稳定地用于批量生产；G3级精密钢球研磨技术尚未开发。这种现状与日益增长的国内外两个市场对高速精密球轴承的需求很不适应。预计到2010年G3级精密钢球的国内年需求量将达10亿粒。

主要研究内容：制订G3级钢球研磨工艺规程，提高钢球表面质量（如降低球形偏差、波纹度、粗糙度和振动值）；开发关键工艺装备[28]（如直径Φ800mm粒度2000～3000＃研磨用超硬树脂白刚玉砂轮及其细粒度磨料的制备技术和大直径砂轮的制造技术）、研磨液和高精度检测仪器。预计到2005年，大直径细粒度钢球研磨用砂轮的技术指标达到日本AKS公司同期水平；到2008年，G3级钢球质量指标达到日本AKS公司同期水平。

⒋精密凸度圆锥滚子磨削—超精研自动生产线——适用先进的中小型精密凸度圆锥滚子磨削—超精研自动生产线

目前国产圆锥滚子轴承的使用寿命仅相当于工业发达国家的50～70%，主要原因之一是圆锥滚子的制造精度低，母线不带凸度和同组滚子尺寸分散度大。P6级圆锥滚子轴承配套滚子的精度普遍在Ⅲ级

和Ⅲ级以下，尺寸分散度超过3μm；P5级圆锥滚子轴承配套滚子的精度一般只能达到Ⅱ级，尺寸分散度超过2μm。滚子表面质量也较差，如存在表面烧伤、脱碳、磨削变质层等。开发适合中小型圆锥滚子轴承用的精密凸度圆锥滚子磨削—超精研自动生产线可以有效地提高我国圆锥滚子的制造水平，进而提高圆锥滚子轴承的精度和使用寿命。圆锥滚子轴承广泛用于汽车轮毂、变速箱、摩托车、机床主轴、铁路客货车轴箱。我国每年约有1亿套圆锥滚子轴承需使用凸度圆锥滚子，年需求量超过10亿粒。按每条圆锥滚子磨削—超精研生产线年产500万粒计算，市场容量为200条。工业发达国家普遍使用精密凸度圆锥滚子，且多为自动线生产。我国对精密凸度圆锥滚子的需求量正在增大，但制造手段不完备。

主要研究内容：开发高精度圆锥滚子无心磨床、变曲率凸度圆锥滚子超精研技术（包括研制凸度超精研导辊磨床和变曲率凸度圆锥滚子超精研机）、高精度圆锥滚子球基面磨床、滚子倒角磨床和相关技术（如研制圆锥滚子外径自动分选机、凸度测量仪和联线控制系统）。 预期目标：2007年可批量生产Ⅰ、Ⅱ级滚子的自动生产线将投放市场；P5级轴承采用Ⅰ级滚子配套，P6级轴承采用Ⅱ级滚子配套。 ⒌精密保持架制造与检测技术——轴承保持架的材料选用、结构设计、制造工艺及检测成套技术

保持架在滚动轴承中主要起等间距分隔滚动体、引导滚动体在正确的沟（滚）道上滚动的作用。保持架因滚动体外形的不同和保持架自身材质的不同而形状各异，加工复杂，检测困难。轴承旋转时，保持架

带着滚动体一起绕轴承的旋转中心转动。在高速轴承中，保持架要承受相当大的离心力以及冲击、振动、滑动摩檫，发热量大。因此，保持架不仅应具有良好的几何形状和尺寸精度，其材料还应具有良好的机械性能、加工性能、导热性和耐磨性，摩擦系数小、比重小，以及与滚动体相近的膨胀系数等，特殊情况下，还要求保持架能耐高温、耐低温、耐腐蚀、含油、无磁性。保持架对轴承的影响在高速精密轴承、航空航天轴承、铁路轴承中尤为突出。与套圈、滚动体相比，保持架的加工与检测更显得薄弱，存在的问题也相对突出。

对于浪形保持架，国内仍沿用椭圆形兜孔，多采用单工位压力机制作；国外已改为真圆形兜孔并加宽导向面，采用多工位（最多达15个工位）压力机制作。对于框形保持架，国内采用依次逐个冲孔的工艺，国外为多冲头一次冲工艺。在模具制造方面，国外普遍采用线切割、坐标磨、成形磨。在各类专用轴承保持架的材料、加工、检测技术方面，我国都较工业发达国家差一大截。

主要研究内容：开发航空、航天、铁路轴承保持架材料及其制造技术，提高通用轴承保持架制造技术水平，推广高强度、高耐磨性模具材料和提高模具制造技术水平，开发保持架检测技术及检测仪器。

预计到2005年，通用轴承保持架的制造技术、检测手段和产品质量达到工业发达国家同类产品的当前水平；2010年，航空、航天、铁路轴承保持架的制造技术、检测手段和产品质量达到工业发达国家同类产品的当前先进水平。

⒍纳米级轴承加工和测量技术——研究公差要求为纳米量级

（1nm=10-3μm）的轴承的测量原理，开发纳米级轴承测量技术 轴承，即使是普通级轴承也属精密机械产品，更何况精密级、超精密级轴承。现代高速精密静音机械设备的发展对配套轴承的加工与测量精度提出了更高的要求。轴承零件的公差等级由微米级进入纳米级，从而对轴承零件的加工与测量提出了相应的要求。

纳米技术领域的研究大多从现有技术起步，通过技术精化使加工精度接近10～0.1nm的极限。英国Cranfield Precision Engineering公司近几年来在纳米技术领域超精切削和超精磨削领域（金刚石刀具、超精密高刚性油膜直线导轨支承和旋转主轴轴承、超精密航天伺服驱动技术以及具有多轴动态误差补偿功能的CNC系统）取得了惊人的进展。该公司研制的目前世界上精度最高的Nanocentre（纳米中心）机床的加工零件精度和精度保持性均达到最高水平：工件表面粗糙度0.806～4.23nm，车削和磨削精度误差达到70nm[29]。据推测，Nanocentre机床的加工精度将很快提高到10～20nm。机床的精度极限取决于主轴的精度极限，主轴系统是影响精度提高的最大限制因素，而主轴系统的精度又与轴承精度密不可分。纳米级轴承主要应用于录像机、计算机磁盘驱动器、光驱、激光打印机、电主轴等用高速精密静音轴承以及精密液压件、光学零件表面质量和形状精度的检测。

主要研究内容：研制高精度圆度仪、高分辨率轮廓仪，开发与应用纳米级轴承零件加工技术。预计纳米级测量技术的研究及其测量仪在2010年前应用于纳米级轴承制造。

⒎轴承仿真试验技术

轴承试验一般是指摩擦磨损试验、台架试验（如常规寿命、模拟试验）、运行试验（随主机进行）。轴承仿真试验是随着计算机的发展与应用而产生的一种新的既快又省的试验方法，瑞典SKF公司、日本NTN公司正在研究之中。利用轴承仿真试验技术，只要将选定的轴承和特定的工况参数（如载荷方向、大小及其变化规律，转速及其变化规律，润滑方式、环境温度等）输入计算机，就可求解出轴承可能达到的使用寿命，从而为轴承的设计、制造、选型等提供重要参考。轴承产品从开发、设计、制造、试验、使用，到评价其质量及可靠性，需要花费大量的时间、人力、物力和资金。仿真试验可大幅度缩短时间、减少人力、试验设备和资金，为轴承产品的设计、制造和使用提供最优指标。目前我国已拥有自行研制的铁路轴承模拟试验机、航空轴承模拟试验机、汽车轮毂轴承模拟试验机。近两年将陆续研制汽车离合器分离轴承、汽车发电机轴承、汽车变速箱轴承模拟试验机。这些试验设备作为硬件系统（即仿真器），为轴承仿真试验技术的研究奠定了基础。

主要研究内容：在铁路、汽车、机床主轴轴承模拟试验设备上建立仿真系统；通过模拟试验研究，找出典型品种规格的铁路、汽车、机床主轴轴承的寿命与工况之间的函数关系，建立数学模型；开发计算机仿真系统软件。该项研究成果在未来10年内可进入实用阶段。 ⒏轴承减振降噪技术

滚动轴承振动噪声是重要的环境污染源。影响轴承振动的因素主要

有：轴承结构设计（如滚动体数量、套圈壁厚、游隙、尺寸公差、形位公差），零件制造误差（如波纹度、圆度、粗糙度、划痕），工况条件（如载荷、转速、润滑、安装配合精度、对中度、预紧力、粉尘或异物）[30]。轴承在运转中因相互碰撞和摩擦产生的振动以空气为媒进行传播，在声频范围内人耳感知到的振动即为噪声。振动是噪声产生的根源，噪声则是振动的外在表现。现代工业的发展要求轴承运转平稳、寿命长、振动小、噪声低，如家用电器、办公机械、仪器仪表都对轴承的振动噪声有极严格的限制。工业发达国家自40年代起就致力于轴承减振降噪技术的研究，在滚动轴承振动噪声的产生机理、测试技术、分析技术、控制技术和标准制订等方面取得了重要成果。日本NSK、瑞典SKF公司已开发出所谓“静音”轴承，即振动噪声水平优于Z4/V4 组的声响极低轴承。近十多年以来，我国在轴承减振降噪方面做了许多工作，轴承振动噪声有了大幅度下降。由于受产品设计能力、制造水平的限制，国产轴承的噪声值仍较国外同类产品的先进水平高出5～8dB。以至于与要求较高的国产主机、出口主机配套用轴承或进口主机的维修用轴承均采用进口，年花外汇1.5～2亿美元。

今后十年，我国在轴承减振降噪低方面将重点解决轴承“异音”问题，使振动噪声值达到工业发达国家90年代末的水平。主要研究内容：深入系统地开展轴承减振降噪技术研究（从产品设计、制造到使用），开发成套制造和检测技术，提高滚动体表面和套圈（沟）滚道的波纹度、圆度、粗糙度(

的窜动量达到0.01μm级)；降低润滑剂的杂质含量和颗粒度(

滚动轴承在运动中受到滚动摩擦、滑动摩擦和润滑剂摩擦。品质优良的润滑剂能有效地减少轴承的摩擦磨损，改善轴承工作条件和提高轴承寿命。工业发达国家常见工况用的润滑剂在技术上完全过关，已形成系列品种和规模生产能力。当前趋势是研究如何提高特殊工况用润滑剂的性能，如宇航用全氟醚润滑脂的真空稳定性、爬移性和粘温性，低温（-20～-100℃）脂的润滑机理，高温（200～400℃）用气态润滑剂等。国外轴承润滑脂有50多种，而我国常用的仅 10余种，且性能低劣，特殊工况用的几乎属于空白。因此国外著名润滑油品公司（如美国雪富乐、壳牌，英国BP，法国鲁布尔）竞相挤占中国市场。据统计分析，我国每年轴承用润滑脂150吨、润滑油500吨。按发展趋势预测，今后十年每年用轴承润滑脂200吨、润滑油800吨

目前我国轴承润滑剂的研制任务繁重，若经费允许应重点提高密封轴承润滑脂在常温工况下的使用寿命，使家用电器（如计算机、影碟机、空调机、洗衣机、吸尘器等）密封轴承、难以维修或拆卸将对工作精度构成破坏的（精密机床主轴、精密仪器仪表、深水机械）密封轴承的润滑脂寿命等同于主机寿命；研究润滑脂的降噪性，使低噪声轴承的噪声值下降3～5dB；开发轴承润滑脂新品种15～25个(其中高温、常温、低温轴承用的8～10个，中档或高档电机轴承用的5～8个，

航空、航天、航海轴承用的5～8个)，形成我国轴承润滑脂系列。 ⒑轴承密封技术

在轴承两端面安置接触式或非接触式的橡胶（或塑料）密封圈和金属防尘盖，能起到一定的存脂、防尘、防水、防气和使主机设计紧凑的作用。轴承密封化是轴承产品技术发展的重要方向之一。以日本NSK、TOYO、NACHI公司为代表，在轴承密封技术方面的研究最为深入，技术最为成熟，应用面最广，已从单唇密封发展到多唇密封，从接触式密封发展到非接触式密封，从球轴承密封发展到滚子轴承密封，从通用轴承密封发展到专用轴承密封。80年代以来，我国跟随国际发展趋势，相继开发了带密封圈或防尘盖的球轴承、水泵轴承、铁路（圆锥滚子）轴承、滚针轴承和短圆柱滚子轴承。我国密封轴承的产量已占到轴承总产量的1/4。但从国家监督抽查和行业质量统检结果来看，我国密封轴承结构设计不合理（内圈无密封槽），制造精度低，密封材料易磨损、易老化、不耐温、不防腐，密封效果差，漏脂严重，用户反映强烈。密封轴承的密封性能若无明显提高，很难满足主机的使用要求。今后十年，我国每年将有2～3种结构2000～3000万套轴承发展成密封轴承。轴承结构不同，工况不同，对密封圈的结构和材料要求也不同，因而研究开发的工作量很大。

轴承密封技术开发的主要内容：以密封深沟球轴承为代表开展试验研究，确定最佳的密封圈结构形式、密封间隙；开发内圈带密封槽的密封深沟球轴承系列，对现行密封结构进行更新换代，争取在2005年赶上工业发达国家90年代末同类产品的先进水平；结合我国轿车工

业的发展，开发适于在高温（120～180℃）下长期运行的密封轴承；开发以铁路车辆轴承为代表的新密封结构的圆锥滚子轴承。 参 考 文 献

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（投稿日期：2000.10.8）