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12月15日，記者從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，由該所研究員李殿中、中國科學(xué)院院士李依依團隊牽頭攻關(guān)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(fā)的國產(chǎn)直徑16米級超大型盾構機上。
15年攻關(guān)突破關(guān)鍵難題
航空發(fā)動(dòng)機、盾構機、高檔數控機床等高端裝備都離不開(kāi)軸承。目前我國雖已實(shí)現了盾構機的國產(chǎn)化，但其刀盤(pán)驅動(dòng)系統的核心關(guān)鍵部件——主軸承卻仍依賴(lài)進(jìn)口。在盾構機掘進(jìn)過(guò)程中，主軸承“手持”刀盤(pán)，旋轉切削開(kāi)挖工作面并為刀盤(pán)提供旋轉支撐。其工作時(shí)轉速十分緩慢，每分鐘不足3轉，這就意味著(zhù)在此過(guò)程中，直徑8米的主軸承運轉時(shí)的Z大軸向力將達到10萬(wàn)千牛，徑向力達1萬(wàn)千牛，傾覆力矩達10萬(wàn)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(huì )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(kāi)始挖掘，就不能“開(kāi)倒車(chē)”。“盾構機只能前進(jìn)，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(zhì)、高強韌、高耐磨，同時(shí)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(xué)院于2020年啟動(dòng)了“高端軸承自主可控制造”戰略性科技先導專(zhuān)項，中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所等7家科研單位組成建制化團隊，聯(lián)合中交集團的中交天和機械設備制造有限公司、洛陽(yáng)新強聯(lián)回轉支承股份有限公司等20余家單位協(xié)同攻關(guān)。
此前，在軸承的研制上，我國一直面臨著(zhù)兩個(gè)主要問(wèn)題——制造軸承的材料和大型滾子的加工精度不過(guò)關(guān)，全流程技術(shù)鏈條不貫通。而要想有所突破，就要從源頭的材料制造問(wèn)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(zhù)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(yè)維生素’，1噸稀土鋼中稀土只需要100余克。”作為軸承先導專(zhuān)項負責人，李殿中介紹，稀土是我國的優(yōu)勢戰略性資源，但此前關(guān)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(huì )導致鋼的性能劇烈波動(dòng)，穩定性不佳。
中科院金屬所研究團隊歷時(shí)15年，終于找到了這個(gè)問(wèn)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(guān)鍵技術(shù)讓稀土軸承鋼拉壓疲勞壽命提高40多倍，滾動(dòng)接觸疲勞壽命提升40%。借助這項技術(shù)，國內企業(yè)已制造出數千萬(wàn)套高品質(zhì)軸承。
產(chǎn)品多項指標表現優(yōu)異
不過(guò)，只靠?jì)?yōu)質(zhì)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(wèn)題也至關(guān)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(shù)總師、中科院金屬所研究員胡小強聯(lián)合企業(yè)開(kāi)展攻關(guān)，使我國軸承行業(yè)突破了一級大型滾子精密加工技術(shù)，并實(shí)現了盾構機主軸承加工制造、裝配調試、檢測評價(jià)等全流程自主可控，同時(shí)帶動(dòng)了相關(guān)國產(chǎn)裝備的研制。
軸承的穩定運行離不開(kāi)良好的潤滑材料。中科院蘭州化學(xué)物理研究所通過(guò)核心添加劑的結構設計與可控制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)，形成了自主的主軸承潤滑油脂的配比和組合組成，并開(kāi)發(fā)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(guò)程中，我們跳出了科研‘舒適圈’，完成了從‘會(huì )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(shuō)，通過(guò)多學(xué)科團隊和企業(yè)聯(lián)合協(xié)同攻關(guān)，團隊打破了材料和機械制造的行業(yè)壁壘，“主軸承的成功研制和應用，是國內技術(shù)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(yōu)于國外同類(lèi)產(chǎn)品，材料內部一種非金屬夾雜物的含量?jì)H為十萬(wàn)分之幾，相較進(jìn)口產(chǎn)品降低了一個(gè)數量級；稀土鋼材料的夾雜物細小圓整，尺寸小于進(jìn)口軸承鋼，疲勞強度也比進(jìn)口產(chǎn)品提升了100兆帕以上。
國家軸承質(zhì)量檢驗檢測中心檢測和專(zhuān)家組評審認為，該主軸承各項技術(shù)性能指標與進(jìn)口同類(lèi)主軸承相當，滿(mǎn)足超大型?構機裝機應用需求。該主軸承的研制成功，標志著(zhù)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(jià)等集成技術(shù)。
目前先導專(zhuān)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(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)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(chǎn)的盾構機上，2022年4月已在沈陽(yáng)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(lái)源：北京日報客戶(hù)端）