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2022-12-16
12月15日，記者從中國科學院金屬研究所獲悉，由該所研究員李殿中、中國科學院院士李依依團隊牽頭攻關的超大型盾構機用直徑8米主軸承研制成功。該主軸承是目前我國制造的首臺套直徑Z大、單重Z大的盾構機用主軸承，將安裝在自主研發的國產直徑16米級超大型盾構機上。
15年攻關突破關鍵難題
航空發動機、盾構機、高檔數控機床等高端裝備都離不開軸承。目前我國雖已實現了盾構機的國產化，但其刀盤驅動系統的核心關鍵部件——主軸承卻仍依賴進口。在盾構機掘進過程中，主軸承“手持”刀盤，旋轉切削開挖工作面并為刀盤提供旋轉支撐。其工作時轉速十分緩慢，每分鐘不足3轉，這就意味著在此過程中，直徑8米的主軸承運轉時的Z大軸向力將達到10萬千牛，徑向力達1萬千牛，傾覆力矩達10萬千牛·米。
“如果一頭成年亞洲象的體重是4噸，那主軸承的軸向Z大會受到相當于2500頭亞洲象體重的作用力。”李殿中比喻道，8米直徑的主軸承已是Z大的直徑等級，重達41噸。而更重要的是，主軸承一旦裝入盾構機開始挖掘，就不能“開倒車”。“盾構機只能前進，不能后退，一旦軸承失效，損失將是巨大的。”
這樣的高承載能力和高可靠性標準，就要求制造主軸承的軸承鋼要高純凈、高均質、高強韌、高耐磨，同時對主軸承成套設計、加工精度、潤滑脂等都提出了很高的要求。
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、中國科學院蘭州化學物理研究所等7家科研單位組成建制化團隊，聯合中交集團的中交天和機械設備制造有限公司、洛陽新強聯回轉支承股份有限公司等20余家單位協同攻關。
此前，在軸承的研制上，我國一直面臨著兩個主要問題——制造軸承的材料和大型滾子的加工精度不過關，全流程技術鏈條不貫通。而要想有所突破，就要從源頭的材料制造問題解決起，于是，研究團隊把目光瞄準了稀土軸承鋼。
已有的大量研究表明，在鋼中添加微量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’，1噸稀土鋼中稀土只需要100余克。”作為軸承先導專項負責人，李殿中介紹，稀土是我國的優勢戰略性資源，但此前關于稀土鋼的研究與應用屢屢受挫。鋼水中加入稀土后，很容易出現澆口嚴重堵塞，且會導致鋼的性能劇烈波動，穩定性不佳。
中科院金屬所研究團隊歷時15年，終于找到了這個問題的答案——氧含量。只要將稀土鋼和稀土金屬中的氧含量降低，其性能就格外穩定。“低氧稀土鋼”關鍵技術讓稀土軸承鋼拉壓疲勞壽命提高40多倍，滾動接觸疲勞壽命提升40%。借助這項技術，國內企業已制造出數千萬套高品質軸承。
產品多項指標表現優異
不過，只靠優質的稀土軸承鋼還不夠，軸承的加工精度、潤滑脂材料、軸承熱處理等問題也至關重要。
由于加工設備的限制，此前我國大型滾子的加工精度只能達到二級，與標準更加嚴格的一級精度加工相比仍有差距。盾構機主軸承研制技術總師、中科院金屬所研究員胡小強聯合企業開展攻關，使我國軸承行業突破了一級大型滾子精密加工技術，并實現了盾構機主軸承加工制造、裝配調試、檢測評價等全流程自主可控，同時帶動了相關國產裝備的研制。
軸承的穩定運行離不開良好的潤滑材料。中科院蘭州化學物理研究所通過核心添加劑的結構設計與可控制備技術的開發，形成了自主的主軸承潤滑油脂的配比和組合組成，并開發出在沖擊載荷下仍然能保持良好潤滑，使滾子磨損量較小的潤滑油脂。
“我們團隊是做材料出身，但在盾構機主軸承的研制過程中，我們跳出了科研‘舒適圈’，完成了從‘會做什么’向‘該做什么’的轉變。料要成材，材要成器，器要好用。”李殿中說，通過多學科團隊和企業聯合協同攻關，團隊打破了材料和機械制造的行業壁壘，“主軸承的成功研制和應用，是國內技術和裝備能力的集中體現。”
目前，8米級主軸承是我國首臺套直徑Z大、單重Z大的盾構機用主軸承。其多項指標優于國外同類產品，材料內部一種非金屬夾雜物的含量僅為十萬分之幾，相較進口產品降低了一個數量級；稀土鋼材料的夾雜物細小圓整，尺寸小于進口軸承鋼，疲勞強度也比進口產品提升了100兆帕以上。
國家軸承質量檢驗檢測中心檢測和專家組評審認為，該主軸承各項技術性能指標與進口同類主軸承相當，滿足超大型?構機裝機應用需求。該主軸承的研制成功，標志著我國已掌握盾構機主軸承的自主設計、材料制備、精密加工、安裝調試和檢測評價等集成技術。
目前先導專項已先后解決了主軸承材料制備、精密加工、成套設計中的12項核心關鍵技術問題，開發出直徑3米級到8米級的盾構機主軸承共10套。此前，直徑3米級盾構機主軸承已安裝在北方重工集團生產的盾構機上，2022年4月已在沈陽地鐵工程成功應用。后續，8米級主軸承將安裝在直徑16米級的超大型盾構機上，用于隧道工程挖掘。
（來源：北京日報客戶端）
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