文章编号:1004-2539(2011)12-0001-06
中国齿轮工业的现状、挑战与2030年愿景
机械工业工程技术路线图 齿轮部分解读
刘忠明 王长路 张元国 张立勇 陈国民
(郑州机械研究所, 河南郑州 450052)
摘要 技术路线图既是政府科技决策和管理的重要工具,也是完善专家咨询机制和利益协调机制的有效手段。从技术路线图出发,介绍了 中国机械工程技术路线图 中齿轮部分。其内容包括齿轮工业的内涵、存在的主要问题、市场前景及技术发展趋势等。从6个方面介绍了齿轮技术的现状、挑战和目标。该技术路线图规划出了我国齿轮工业技术的2030年愿景。
关键词 技术路线图 齿轮工业 挑战 愿景
Status,Challenge and the Vision in2030of China Gear Industry
Interpretation of the Gear Chapter in Technology Roadmap of China Mechanical Engineering
Liu Zhongming Wang C hanglu Zhang Yuanguo Zhang Liyong Chen Guomin
(Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering,Zhengzhou450052,Chi na)
Abstract Technology roadmap is an important tool in technology decision and mana gement.It is also an effec-tive means to perfect specialist consultation mechanism and to harmonize the benefits mechanism.The gear part in the Technology Roadmap of China Mechanical Engineering is introduced.It mainly includes the c onnotation,existing problem,market prospect,and technology development trends of the gear industry.The state status,challenge and goals of the gear technology are introduced from six aspects.The vision of China gear industry in2030is sketched out by this technology roadmap.
Key words Technology roadmap Gear industry Challenge Vision
0 引言
中国机械工程技术路线图 由中国机械工程学会组织编写,历时一年多,倾注了包括19名两院院士在内的100多名专家的心血,横跨中国机械工程技术11个领域,旨在引导我国机械制造技术面向2030年如何实现自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的战略路线图。 中国机械工程技术路线图 于2011年8月30日在北京钓鱼台国宾馆隆重首发,全书共十五章,齿轮是其中的第十一章。齿轮行业的近40位专家参与了路线图的编写工作。限于篇幅、人力和时间等原因,尽管编写过程中尽量广泛地征求了专家的意见,但仍难全面反映全行业、各领域所有专家的真知灼见。为便于齿轮工作者对技术路线图的了解、扩大技术路线图[1]在行业的影响,我们对齿轮技术路线图的主要内容进行了介绍和解读,以期齿轮技术路线图能为企业制定发展战略提供参考,为技术人员确定研究方向提供帮助。
齿轮技术路线图分为概论、六大关键技术及齿轮技术路线图三大部分、8个章节[2]。
1 概论
该部分简要指明了齿轮传动技术及产品的内涵及重要性,指出了我国齿轮行业目前存在的七大主要问题,列出了未来20年我国齿轮产业七大重点发展领域的市场需求前景、产品特点及技术发展趋势[3],确定了未来20年我国齿轮产业发展的七大目标。这一节是技术路线图的核心内容。
1.1 七大主要问题
十一五 期间,我国齿轮产业在汽车、风电、高铁、工程机械等产业快速发展的拉动下得到了迅速发展, 2010年齿轮产品的产销规模已经达到1460亿元,我国已经成为名副其实的世界齿轮制造大国,但离制造强国还有很大差距[4-5]。目前,我国齿轮产品正经历从中低端向高端的转变,少数高端产品已达到国际先进水平。但总体而言,我国齿轮产品还不能满足重点工
程装备的配套要求,高端产品仍受制于人,汽车自动变速器、高铁驱动单元、大型能源装备齿轮传动装置等高端产品大量依赖进口,进出口逆差仍在逐年加大,2010年齿轮进口104亿美元,逆差达80亿美元[6]。同世界先进工业化国家相比,我国齿轮产品设计制造主要存在下面问题[7-8]
(1)基础研究和基础数据匮乏 缺乏对齿轮材料的疲劳极限应力、金相组织图谱等相关的基础试验研究,缺乏新齿形研究、载荷谱测试、加工工艺研究等基础研究,使得产品设计和制造缺少数据支撑。另外,专业软件开发和应用滞后,多学科综合设计技术和手段落后。
(2)齿轮材料品质较低 齿轮材料与先进国家差距较大,主要表现在钢材的纯净度和均匀性低,含氧量、非金属夹杂物等较高;钢材淬透性波动大,淬透性带宽;高温高性能钢、低温抗冲击钢、快速渗氮钢、经济性大中模数钢以及高性能工程塑料等缺乏。
(3)齿轮热处理工艺水平不高 渗碳淬火变形大;感应淬火易出现齿根开裂;渗氮存在效率低、层深浅的问题,虽然稀土催渗取得了很好的效果,但仍具有较大局限性;缺乏有效的工艺过程控制方法。
(4)高档工艺装备差距明显 硬质合金刀具与国外差距大,高效滚齿刀具、干切削刀具、高档CB N刀具及磨齿用高档砂轮几乎全部进口;高效制齿机床、高档数控成形磨齿机等仍基本依赖进口;大型和小型齿轮量仪以及在位快速测量机仍是空白;大模数锥齿轮加工设备等核心装备国外完全技术封锁,仍受制于人。
(5)齿轮产品生产效率低,质量稳定性差 尽管我国进口了不少高档齿轮制造装备,但由于刀具和装备使用、制造工艺参数选择、生产管理等方面的差距,造成产品的质量稳定性差,生产效率低,能耗高。
(6)检测和评价服务能力亟待提高 国家齿轮产品质量监督检验中心的检测服务能力不足,齿轮行业许多新产品没有经过第三方检测、验证和评价,行业不能积累设计数据,直接影响齿轮行业整体设计水平和创新能力的提高。
(7)标准化工作亟待加强 我国齿轮行业因标准化投入少等原因,造成适用标准少,贯标率低,不能满足产业发展的需要。我国大多数齿轮标准从国外标准转化而来,基础数据缺乏验证,一些关键数据与国内技术水平不相适应。
1.2 七大重点发展领域
齿轮产品的类型较多,应用领域很广,根据近年来市场需求和未来20年的发展趋势,所确定的我国齿轮产业未来市场需求的七大重点发展领域[9-11]是: 航空航天及武器装备; 车辆与工程机械; 能源装备; 船舶及海洋工程装备; 轨道交通; 仪器仪表及机器人; 冶金、矿山及建材设备等。
1.3 七大发展目标
未来20年,我国的齿轮工业必将得到快速发展,参照国外先进国家的同期发展目标及国内相关机构、学者的预测,到2030年,我国齿轮工业的有望实现的目标主要有:
(1)建立国家级的齿轮基础技术和前沿技术研究、重要新产品研发、重大科技成果工程化、技术推广应用的创新和技术服务平台,推进我国齿轮传动技术的发展。
(2)建立先进完善的齿伦标准化体系,2020年齿轮标准化进入世界前五强,2030年齿轮标准化进入世界前两强。
(3)通过提高齿轮类零件近净成形比率等方式,年均提高齿轮材料利用率2%以上,到2020年总体提高25%左右,到2030年总体提高50%左右。
(4)齿轮产品功率密度年均提高4%左右,到2030年功率密度提高1倍。
(5)稳步减小齿轮传动的功率损耗,到2030年功率损耗减小50%。
(6)齿轮制造精度到2020年提高1级,到2030年再提高1级。
(7)汽车齿轮使用寿命到2020年提高2~3倍,到2030年达到寿命期内不失效。
2 六大关键技术
该部分是齿轮技术路线图的主要内容。从齿轮基础技术、关键设计技术、关键加工技术、齿轮材料及热处理技术、润滑/冷却与密封技术、关键工艺装备技术六个方面,分析了齿轮行业的现状、面临的挑战及发展目标。
2.1 齿轮基础技术
(1)现状 齿轮齿形方面由于渐开线齿形的齿轮具有加工方便、中心距可分等优点一直处于主导地位;双圆弧齿轮近年来的理论研究和加工工艺研究基本处于停滞状态;微线段齿形、非对称齿形等新齿形及新型分流方式的研究取得了一些阶段性成果,尚需深入研究。随着设计手段的完善,数控加工技术的提高,使得空间曲面的加工变得比较容易,奠定了研究开发更优齿形的基础。基础数据方面,国外研究机构在不断进行齿轮材料性能测试和载荷谱搜集、测试等基础试验研究,而我国自科研院所转制以来针对齿轮材料和性能试验的基础试验研究几乎没有,载荷谱搜集、测试等也很少。测试服务平台方面,齿轮行业缺乏为全行业提供测试服务的、拥有专门人才队伍和先进测试装备的测试服务平台。标准化方面,我国齿轮行业标
