12月15日，記者從中國科(kē)學院金屬研究所獲悉，由該所研究員李殿中、中國科學院院(yuàn)士(shì)李依依團隊牽頭攻關的超(chāo)大型(xíng)盾構機用(yòng)直徑8米主軸承(chéng)研制成(chéng)功(gōng)。該主軸承是目前我國制造的首台套直徑Z大、單重Z大的盾構(gòu)機用主軸承，将安裝在自主(zhǔ)研發的國産(chǎn)直徑(jìng)16米級超大型盾構機上。

15年攻關突破(pò)關鍵難題

航空發動機、盾構機、高檔(dàng)數(shù)控(kòng)機床等高端裝備都離不開軸(zhóu)承。目前我國(guó)雖已實現了(le)盾構機的(de)國産化，但其刀盤驅動系統的(de)核心關鍵部件——主軸承卻仍依賴進口。在(zài)盾構機掘進過程中，主軸承“手持”刀(dāo)盤，旋轉切(qiē)削開挖(wā)工作面并為刀盤提供旋轉支撐。其(qí)工作時轉速十分(fèn)緩慢，每分鐘不足3轉，這就意味着在(zài)此過程中，直徑8米的主軸承運轉時的Z大軸向(xiàng)力将達到(dào)10萬千牛，徑向力(lì)達1萬千牛，傾(qīng)覆力矩達10萬千牛·米。

“如(rú)果一頭成年亞(yà)洲(zhōu)象的體重是4噸，那主軸(zhóu)承的軸向Z大會受到相當于2500頭亞洲象體重的作用力。”李殿中比喻(yù)道，8米直徑的主軸承已是Z大的直徑(jìng)等級，重達41噸。而更重要的是，主軸承一旦裝入盾構機開始挖(wā)掘，就不能“開倒車”。“盾構機隻能前進，不能後退，一旦軸承失效，損失将是(shì)巨大的。”

這樣的高承載能力(lì)和高可靠性标準(zhǔn)，就要求制造主軸(zhóu)承的軸承鋼要高(gāo)純淨、高均質(zhì)、高強韌、高耐磨，同時對(duì)主軸(zhóu)承成套設計、加工精度、潤滑脂(zhī)等都提(tí)出了很高的要求。

中國科學院于2020年啟動了“高端軸承自主可控(kòng)制造”戰略性科技先導專項，中國科學院金屬研究所、中國科學院(yuàn)蘭州(zhōu)化學物理研究所等7家(jiā)科研單(dān)位組成建制化團隊，聯合中交(jiāo)集團(tuán)的中交天和機械設備制造有限(xiàn)公(gōng)司、洛陽新強聯回轉支承股份有限公(gōng)司等20餘家單位協同攻關。

此前，在軸承(chéng)的研制上，我國一直(zhí)面臨着兩個主要問題——制造軸承的(de)材料和大型滾子的加工精度不過關，全(quán)流程技術鍊條不貫通。而要(yào)想有所突破，就要(yào)從源頭的(de)材料制造問題解決起，于是，研(yán)究團隊把目光瞄準了稀(xī)土軸承鋼。

已有的大量研究表明，在鋼中(zhōng)添加微量(liàng)稀土能夠顯著提高鋼的韌塑性、耐磨性、耐熱性、耐蝕性等。“我們也把稀土叫作‘工業維生素(sù)’，1噸稀土鋼中稀土隻需要100餘克。”作為軸承先導專項負(fù)責人，李殿中介紹，稀土(tǔ)是我國的優勢戰(zhàn)略性資源，但此前關于稀土鋼的研究與應用屢屢受(shòu)挫。鋼(gāng)水中加入稀土後，很容易出現(xiàn)澆口嚴重堵塞，且會導(dǎo)緻鋼的性能(néng)劇(jù)烈波動，穩定性不佳。

中科院金屬所研究團隊曆時(shí)15年(nián)，終于找到了這個問題的答案——氧含量。隻要将(jiāng)稀土(tǔ)鋼和(hé)稀土金屬中(zhōng)的氧含量降低，其性能就格外穩定(dìng)。“低氧稀土鋼”關鍵(jiàn)技術讓稀土軸承鋼拉壓疲勞壽命提高40多倍(bèi)，滾動接觸疲勞壽命(mìng)提升(shēng)40%。借助這項技術，國内企業已制造出數千萬套高品(pǐn)質軸承。

産品多項指标表現優異

不過，隻靠優質的稀土軸承鋼還不夠，軸承(chéng)的加工精度、潤(rùn)滑脂材料、軸承熱處理等問題(tí)也至(zhì)關重(zhòng)要。

由于加工設備的(de)限制，此前我國大型滾(gǔn)子的加工精度隻能達到二級，與标準更加嚴格的一(yī)級精(jīng)度加工相比仍有差(chà)距。盾構機主軸承研制技術總師、中科院金屬所研(yán)究員胡小強聯合(hé)企業開展攻(gōng)關，使我國(guó)軸承行業突破了一(yī)級大型滾(gǔn)子精密加工技術，并(bìng)實現了盾(dùn)構機主軸承加工制造、裝配調試、檢測評價等全流(liú)程自主可控，同(tóng)時帶動了(le)相關(guān)國産裝備的(de)研制(zhì)。

軸承的穩定(dìng)運行離不開良好的潤滑材料。中科院蘭州化學物(wù)理(lǐ)研究所通過核心(xīn)添加劑的結(jié)構(gòu)設計與可控制備技術的開發(fā)，形成了自主的主軸承潤(rùn)滑油脂的配比和(hé)組合組成，并開發出在沖擊載荷下仍然能保持良好(hǎo)潤滑，使(shǐ)滾子磨損量較小的潤滑油(yóu)脂。

“我們團隊是做材料出身，但在盾構機主軸承的研制過程中(zhōng)，我們(men)跳出了(le)科研‘舒适(shì)圈’，完成了從‘會做什(shí)麼’向‘該做什麼’的(de)轉變。料要成材，材要成器，器要(yào)好用。”李殿中(zhōng)說，通(tōng)過多(duō)學科團隊和企業聯合協同攻關，團(tuán)隊打破了(le)材料和機(jī)械制造的行業壁壘，“主軸承的成功(gōng)研制和應用，是國内技術和裝備能力的集中體現(xiàn)。”

目前，8米級(jí)主(zhǔ)軸承是我國首台(tái)套直徑Z大、單重(zhòng)Z大的盾構機用主軸承。其(qí)多項指标優于國外同類産品，材料内部一種非金屬夾雜物的含量僅(jǐn)為十萬分之幾，相(xiàng)較(jiào)進口産品降低(dī)了一個數量級；稀(xī)土鋼材料的夾雜物細小圓整，尺寸小于進口軸承鋼，疲勞強度也比進口産品提升了100兆帕以上。

國家軸承質量檢(jiǎn)驗檢測中(zhōng)心檢測和專家組評審認為，該主軸承各(gè)項技術性能指标與進口同類主軸承相當，滿足超大型?構機裝機應用(yòng)需求。該主軸承的研制成功，标(biāo)志着我國已(yǐ)掌握盾構機主軸承的(de)自主設計、材料制備、精(jīng)密加工、安裝調試和檢測評價等集成技術。

目前先(xiān)導專項已先後解決了主軸承材料制備、精密加工、成套設計中(zhōng)的12項(xiàng)核心關鍵技術問題，開發出直徑3米(mǐ)級到8米級的盾構機主軸承共(gòng)10套。此(cǐ)前，直徑3米級盾構機主軸承(chéng)已安裝在北方重工集團生産的(de)盾構機上，2022年4月已在沈陽地(dì)鐵工程成功應用(yòng)。後續，8米級主軸承将安裝在直徑16米級的超大型盾構(gòu)機上，用于隧道工程挖掘。

（來源：北京日報客戶端）