中國制造再添金！全球最大直徑盾構機主軸承誕生記

　　穿山過河，掘土鑿巖……在大型工程的隧道施工中，盾構機已成為不可或缺的“神兵利器”。盾構機之所以能“啃”下硬石頭，靠的是主軸承驅動刀盤，這也是設備安全可靠運轉的“命門”所在。

　　直徑18至20米的盾構機，可滿足已知工程最大需求。與此相匹配的主軸承直徑規(guī)格為8.61米，此前世界范圍內尚無研制先例。2019年7月，中國鐵建重工集團股份有限公司（以下簡稱“鐵建重工”）成立197研究設計院，矢志攻克這一難關。

　　四年后，直徑8.61米、重62噸，全球直徑最大、單體最重、承載最高的盾構機主軸承面世。日前，在接受科技日報記者采訪時，197研究設計院院長麻成標自豪地說：“從材料到工藝再到設計驗證，我們實現了超大盾構機主軸承的全過程自主生產，為中國制造再添一枚金牌！”

　　“古劍法練出‘金鐘罩’”

　　“在盾構機掘進過程中，8.61米主軸承必須經受住超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況的考驗?！甭槌蓸苏f，“所以，它得足夠‘硬’。”

　　材料與工藝，是制造夠“硬”軸承的第一道關卡。

　　“以主軸承的內齒圈為例，它需要一個洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈層，才能承受住超萬噸的載荷?！毖邪l(fā)團隊制造工藝負責人解金東告訴科技日報記者。

　　這8毫米圈層，被解金東形象地比喻為內齒圈的“金鐘罩”，是主軸承練就壓不碎、磨不爛功夫的關鍵。然而，當時國內常規(guī)的中碳軸承鋼淬火工藝僅能達到洛氏硬度55、表面淬深5毫米。

　　“硬度與厚度每提升一個單位，都‘難于上青天’?！苯饨饢|說，軸承鋼材料包含20多種配方元素。這些元素互相影響，配比需要精準控制，每次調配都是千分之一量級。

　　研發(fā)團隊聯(lián)合鋼鐵企業(yè)，歷經數十次技術討論與測試，終于摸索出適用于大直徑主軸承制造的鋼材標準。

　　材料有了，還須突破淬火工藝。

　　因為體積龐大，通用軸承的整體淬火工藝，無法照搬到8.61米主軸承上，只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均勻性，成為一大難題。

　　研發(fā)人員不斷調整思路，局部淬火、多次淬火……然而，這些方法雖然提高了淬深，卻帶來新問題——局部交叉區(qū)域溫度相互干涉。

　　反復討論、多輪試驗無果。

　　一次偶然的機會，解金東在翻閱相關資料時，從“越王勾踐劍”制造工藝——“覆土燒刃”中得到啟示：以土為媒介，可完美解決淬火區(qū)域溫度不均的問題。

　　“我們用古劍法練出了‘金鐘罩’。”麻成標說，研發(fā)團隊以此為靈感，成功開發(fā)出一種新的耐高溫介質，溫度相互干涉的難題迎刃而解。

　　“何不對砂輪‘動手腳’”

　　硬度達標了，下一關是精準控制平面度。

　　浮動環(huán)是主軸承的核心零部件，主軸承的滾子會不斷碾壓其內壁的高點?！伴L此以往，局部會被壓壞，造成‘千里之堤潰于蟻穴’?！甭槌蓸私忉?，浮動環(huán)的內壁必須足夠“平”。

　　與之前鐵建重工研制的直徑3米主軸承相比，8.61米主軸承重量增加約8倍，內壁圓域面積增大近9倍?！暗矫娑鹊目刂埔髤s不能降低，仍要小于20微米。這相當于壁面起伏不能超過一張A4紙厚度的五分之一?！甭槌蓸苏f。

　　“剛開始，我們研制的浮動環(huán)始終無法滿足設計要求?！苯饨饢|介紹，由于浮動環(huán)厚度薄、面積大，長時間加工調整其平面度后，原本曲率均勻的大圓環(huán)猶如一盤“甩面”，出現了肉眼可見的扭曲。

　　專家們多次現場會診，終于探明“病因”——用于修整平面度的砂輪，與浮動環(huán)長時間、大面積接觸摩擦，導致后者受熱過高產生變形。

　　必須設法降低溫度！噴水冷卻、變一次加工為多次加工……多種方式均告失敗。

　　“既然與砂輪接觸面大，何不對砂輪‘動手腳’？”有人突發(fā)奇想。

　　說干就干！研發(fā)人員仔細研究砂輪的工作機制與運行軌跡，在調整砂輪形狀上下足了功夫?！皽p少接觸面的同時，我們要確保砂輪的運行軌跡覆蓋內壁的每一處。”解金東說。

　　一次次修型調整、測試驗證，團隊終于設計出一款全新造型的砂輪，成功加工出符合平面度要求的浮動環(huán)。

　　砂輪改造只是諸多制造工藝的“冰山一角”。研發(fā)團隊還先后攻克了冷加工、回火、殘應力均衡等20余種制造工藝難題，首創(chuàng)“超大尺寸薄壁環(huán)件淬火后變形控制”“高精密磨削加工”“高淬硬齒面硬銑”等技術。

　　“用數據反推設計方法”

　　為適應復雜工況，每一臺盾構機都須根據工程要求“量身定制”。這也意味著主軸承要按需打造。

　　“此前，我們能造主軸承，卻不能設計?！?97研究設計院設計所技術員陳浩林告訴記者，每次調整主軸承相關設計，數據都需要發(fā)給國外廠商進行驗證，周期長達2個多月。

　　“時間久不說，外商每年還會按比例漲價?！甭槌蓸苏f，在攻關8.61米主軸承伊始，研發(fā)團隊就下定了決心，“必須實現自主設計。”

　　“我們邊制造、邊摸索。一個部件造出來了，就用試驗數據反推其設計方法?！甭槌蓸私榻B。

　　這無疑是個艱難的過程。

　　有一次，進程被關鍵計算公式卡住?！霸O計人員算到頭暈目眩，依舊對不上試驗數據?！标惡屏只貞洠蠹曳路鹱哌M了一條“死胡同”。

　　研發(fā)人員夜以繼日地研究，目光最終聚焦到公式參數上。4組參數，每組200余種組合，歷經800多次計算調整……在確定一系列參數后，計算公式得以成功論證。

　　為了分析計算結果，團隊又利用鐵建重工多年積累的大量施工經驗與數據，構建出仿真模型。

　　“通過理論計算和仿真分析研究，我們成功開發(fā)出主軸承專用設計與仿真軟件，實現了‘工程理論計算+模擬仿真分析+工況模擬試驗+工程應用驗證’閉環(huán)設計驗證體系?！标惡屏终f。

　　在此基礎上，鐵建重工還搭建起全球最大的主軸承工況模擬綜合試驗臺，解決了大型低速重載主軸承難以試驗驗證的世界性難題。

　　2023年10月，國產8.61米主軸承成功下線，標志著鐵建重工突破了材料、工藝、設計、驗證四大技術難題，實現了直徑3米到8.61米主軸承產品型譜設計制造全覆蓋、全國產化。

　　“黨的二十屆三中全會提出，‘統(tǒng)籌強化關鍵核心技術攻關’和‘強化企業(yè)科技創(chuàng)新主體地位’。這讓大家信心更足、動力更大?！甭槌蓸苏f，“未來，我們將立足破解‘卡脖子’難題，繼續(xù)推進高端軸承國產化、產業(yè)化，把中國制造的名片擦得更亮！”（記者 矯陽 孫瑜）

　　轉自：科技日報

　　【版權及免責聲明】凡本網所屬版權作品，轉載時須獲得授權并注明來源“中國產業(yè)經濟信息網”，違者本網將保留追究其相關法律責任的權力。凡轉載文章及企業(yè)宣傳資訊，僅代表作者個人觀點，不代表本網觀點和立場。版權事宜請聯(lián)系：010-65363056。

延伸閱讀