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“小构件”可能带来“大问题”高端装备关键构件国产替代难题亟需突破

浏览: 发表时间:2021-12-24 10:08:26

长期以来,齿轮、轴承等关键结构部件的“疲劳”问题是困扰我国高端装备制造转型升级的“瓶颈”。当前,部分关 键构件在技术和产品上被美西方“卡脖子”形势严峻,存在重大国防安全隐患。中国航空学会对该领域“卡脖子”现状和国内“抗 疲劳”先进制造技术研发情况进行了调研,有望为关键构件长期“受制于人”的局面提供破解之道。现编发,供参阅。

高端装备是前沿学科交叉融合与高技术传承的产物,也是产 业链与价值链的高端与核心,实现高端装备制造的转型升级,关 系到我国制造强国目标的实现。长期以来,由于单价低、使用量 大,在飞机、高铁、风电装置等产品中广泛存在的齿轮、轴承等 数百种结构部件未能引起业界足够重视。随着近年航空航天、交 通运输和新能源等领域高端装备对关键构件的要求日益提升,现 有技术路线“短板”凸显,加之美西方长期禁限,在关键构件上 尽快实现国产替代,对稳定国计民生和维护国家安全意义重大, 亟需高度关注。

一、关键构件严重依赖国外产品的局面亟待改变

我国制造技术与国外存在明显代差。目前,国内广泛使用的 传统成形制造技术已传承百年,基本要求是“按图制造”,满足 设计的形位、表面粗糙度等即可,但存在诱发疲劳强度应力集中 敏感问题,直接导致产品寿命短、可靠性差、结构重。美国在 1948年“举全国之力”,基于抗疲劳、长寿命的理论基础和制造 理念用 22年研发出“表面完整性制造”技术,采用表面强化的 关键技术,通过在切削加工和疲劳学组织跨学科技术攻关,有效 解决了疲劳强度应力集中敏感问题,成就了美西方发达国家在关 键构件和高端装备的垄断地位,将中外制造技术代差拉大到 40 年左右。20世纪80年代美国制造的推重比8级涡扇发动机寿命 就已达到8000小时,第一返修期2500小时,当前我国制造的同类产品虽然对“表面完整性技术”进行了跟踪模仿,但由于并未 完全掌握关键核心技术,稳定工作时限仅有 1500 小时,第一返 修期仅有 500小时。国外利用技术优势对我国全面禁限。一是技术封锁,美国已 掌握第二代先进制造技术,但通过《沃尔夫法案》等政策法规在 航空航天高端装备制造等核心技术方面对我国实施严格技术封 锁和禁限,几乎没有与我国高校、科研院所、企业等在“表面完 整性技术”方面进行过任何深度、系统的交流合作,更谈不上技 术引进转化。二是降级出售,核心装备仅对美西方盟友共享,如 日本制造的载重汽车寿命为120万公里,出口中国的仅为80万 公里;德国高铁动车变速箱寿命指标 2400万公里,出口中国的 仅为240万公里。三是价格压制,由于在关键构件、高端装备研 制生产方面缺少国产替代方案,一些国产载重汽车、高铁动车、 风电装置关键构件不得不以五倍价格进口,外商随意加价、延长 交货周期、降低服务标准等问题时有发生,甚至装备出现问题还 要“高价请保姆”,且中方技术人员不被允许在现场观摩学习。 如不能尽快实现关键构件自主研发和生产,高端制造长期受制于 人的局面将难以彻底解决。

二、自主“抗疲劳”制造技术为国产替代带来机遇

疲劳失效问题是制造领域重点攻关方向。所有关键构件、高端装备在动态服役过程中都会发生疲劳现象,导致断裂、扩展直至失效。由于疲劳失效没有任何征兆,如果突然断裂将造成灾难  性后果,成为世界公认的制造工程三大难题之首。从技术角度看, 美西方的“表面完整性制造技术”大致能解决 20%的疲劳失效问  题,比传统成形制造技术可提升5倍以上产品使用寿命,但仍难以彻底解决疲劳失效问题。国内团队从研制长寿命起落架起步, 历时近 30年陆续研制成功了表层超硬一韧化、高能复合表层改性、抗疲劳机械加工等八项抗疲劳制造关键技术,系统总结提出了抗疲劳制造理论,建立了相应技术体系,实现了起落架 3000 小时设计寿命和全寿期无故障服役,并在航空发动机压气机盘用钛合金TC-17 的缺口构件产品上进行了试验验证。结果显示,成形制造产品疲劳强度为 300兆帕,表面完整性制造(喷丸强化) 后升至 340兆帕,提高13%,采用抗疲劳制造技术后疲劳强度可达到730兆帕,提高115% ,寿命提高10000 倍以上,甚至高于光滑构件,有效解决了疲劳失效问题,理论上达到极限疲劳强度和寿命。这是一项完全自主可控的新一代先进技术,具有重大的里程碑意义。

抗疲劳制造技术已在部分关键构件测试成功。轴承是高端装 备制造中标志性的关键构件,被称为工业的“关节”,实现自主 研发和生产在国防领域具有重大意义。目前我国航空发动机主轴 承基本都采用成形制造,如XX-10 发动机设计寿命 1500小时, 国产主轴承寿命仅500小时,远不能满足要求; XX-15 发动机设计寿命4000小时,无国内产品可用,只能从美西方国家采购。 国内团队历时19年,成功将抗疲劳制造技术应用于航空发动机主轴承研制制造,与哈尔滨轴承厂合作试制生产No.3 支点主轴承。将我国制造的抗疲劳滚珠与德国FAG生产的滚珠在同一条件下测试,其接触疲劳寿命达到420万小时,高出德国产品15倍 以上。在按我国军标进行的轴承台架疲劳寿命试验中,使用抗疲劳制造技术生产的主轴承载荷谱试验 1000小时未失效,在1.6倍载荷谱最高载荷下加速试验寿命(换算)达到1000小时未失效,远超国内外已公开报道的产品性能。航空发动机主轴承的试 制生产成功验证了抗疲劳制造技术的可用性,主轴承复制抗疲劳制造的极限疲劳寿命与失效模式验证了抗疲劳制造技术的可靠性。这一技术可以推广应用到所有机械类运动关键构件的高端制造上 。

三、有关建议

基础装备制造的核心关键技术事关发展全局和国家安全,抗疲 劳制造技术是国内专家团队的原始创新,通过技术转化能够在制造 领域实现跨越式发展,对创新链产业链的融合具有示范效应。

一是研究制定抗疲劳制造技术战略规划。以抗疲劳制造技术为突破成就制造强国,需要形成核心竞争力,完成技术体系、产 品制造、规模生产的“全过程”创新。抗疲劳制造技术涉及制造学、疲劳学、材料学等领域,应用涵盖转动件、传动件、主承力件等关键构件,技术体系庞大,仅在航空发动机 No.3 支点主轴 承测试试验就需要四年时间。建议尽快研究制定抗疲劳制造技术  战略规划并纳入国家重大发展战略,充分发挥新型举国体制优 势,以国家主导、军民融合推进中国特色的现代化高端制造产业。

二是加强产学研融通创新体系建设。抗疲劳制造技术是一项 自主研发的创新技术,在国内外市场应用领域还属空白,在技术 应用、产品研发方面还需更广泛的使用验证,经历理论一技术, 再理论一再技术的反复迭代。建议依托“新工科”建设等高等教 育改革举措,围绕抗疲劳制造涉及的学科领域设置和完善相关专 业,依托相关院所或企业研发中心建立工研院等中试机构,形成 “企业牵头、高校支撑、研究院所等创新主体参与”的协同创新 联合体,保证抗疲劳制造产业链完整性和先进性。

三是尽快开展规模化生产。抗疲劳制造技术是装备制造业亟 需的技术革新,研发、技术、市场缺一不可,需要高技术+生产 规模。建议在条件成熟后尽快实现规模化生产、经济可承受性生 产等,通过将产品推向市场掌握技术主动权,并通过适当途径维 护好我国在这一领域的技术标准话语权,尽早抢占制造业竞争的科技制高点。

建言专家∶

林左鸣 中国航空学会理事长

姚俊臣 中国航空学会秘书长

杨立保 集美大学装备研究院院长

孟 彦 中国航空学会科技咨询工作委员会副主任

杨 亮 中国航空学会高级工程师




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