李殿中研究員近日在線上媒體集體采訪時(shí)介紹說，最新研制成功的直徑8米主軸承重達(dá)41噸，是目前中國制造的首套直徑最大、單重最大的盾構(gòu)機(jī)用主軸承，它將安裝在直徑16米級的超大型盾構(gòu)機(jī)上，用于隧道工程挖掘。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉(zhuǎn)切削掌子面并為刀盤提供旋轉(zhuǎn)支撐。直徑8米主軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承載的最大軸向力達(dá)到10萬千牛(1千牛約等于0.1噸物體的重力，一頭成年亞洲象的體重按4噸算的話，這相當(dāng)于軸向受到2500頭亞洲象重力的作用)、徑向力達(dá)1萬千牛、傾覆力矩達(dá)10萬千?！っ?。

他指出，大型盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，只能前進(jìn)，不能倒退，主軸承一旦失效，會造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，主軸承是盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。盾構(gòu)機(jī)又是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重大裝備，為保證主軸承的高承載能力和高可靠性，特別要求制造主軸承的軸承鋼要高純凈、高均質(zhì)、高強(qiáng)韌、高耐磨，同時(shí)對主軸承成套設(shè)計(jì)、加工精度、潤滑脂油等都提出很高要求。

直徑8米主軸承的研制成功，標(biāo)志著中國已掌握盾構(gòu)機(jī)主軸承的自主設(shè)計(jì)、材料制備、精密加工、安裝調(diào)試和檢測評價(jià)等集成技術(shù)。經(jīng)國家軸承質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心檢測和專家組評審，認(rèn)為該主軸承各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)與進(jìn)口同類主軸承相當(dāng)，滿足超大型盾構(gòu)機(jī)裝機(jī)應(yīng)用需求。

突破“低氧稀土鋼”等12項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

為助力解決大型盾構(gòu)機(jī)主軸承研制“最后一公里”難題，中科院2020年啟動“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(高端軸承專項(xiàng))，由中科院金屬所、中科院蘭州化學(xué)物理研究所等7家科研院所組成建制化團(tuán)隊(duì)，并聯(lián)合中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司、洛陽新強(qiáng)聯(lián)回轉(zhuǎn)支承股份有限公司等20余家行業(yè)企業(yè)進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，先后解決主軸承材料制備、精密加工、成套設(shè)計(jì)中12項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)問題，成功開發(fā)出直徑3米到8米級的盾構(gòu)機(jī)主軸承共10套。此前，在沈陽市政府的大力推動與支持下，直徑3米主軸承已在沈陽地鐵工程中成功應(yīng)用。

俗話說“好鋼用在刀刃上”，但首先要找到好鋼。高端軸承專項(xiàng)負(fù)責(zé)人李殿中研究員認(rèn)為，在12項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)問題當(dāng)中，中科院金屬所團(tuán)隊(duì)成功研究開發(fā)出“低氧稀土鋼”是關(guān)鍵技術(shù)中的關(guān)鍵。

他說，為發(fā)揮中國稀土資源優(yōu)勢，解決軸承領(lǐng)域的重大需求，中科院金屬所團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十多年研究，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動、澆口堵塞等問題的根源在于氧含量。隨后，通過大量的實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和表征，他們揭示出稀土在鋼中的主要作用機(jī)制，并開發(fā)出“低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)通過控制氧含量，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好的低氧稀土鋼，成功研制出的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%。目前，由相關(guān)合作企業(yè)生產(chǎn)的稀土軸承鋼綜合力學(xué)性能優(yōu)異，好于進(jìn)口產(chǎn)品。

同時(shí)，“低氧稀土鋼”相關(guān)基礎(chǔ)研究成果今年也在國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然-材料》(Nature Materials)發(fā)表。該基礎(chǔ)研究成果不僅有效解決了稀土軸承鋼工業(yè)生產(chǎn)時(shí)遭遇的堵塞、性能不穩(wěn)定等問題，還推動中科院金屬所牽頭制訂多項(xiàng)稀土鋼標(biāo)準(zhǔn)。

在高端軸承專項(xiàng)顧問李依依院士看來，“低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)成功，是中科院金屬所團(tuán)隊(duì)秉持“祖國需要什么就做什么”理念，并通過“政產(chǎn)學(xué)研用”有效合作完成的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)研究突破。她希望未來有更多經(jīng)費(fèi)支持這種“任務(wù)帶學(xué)科”模式，持續(xù)促進(jìn)基礎(chǔ)研究發(fā)展。

科技自立自強(qiáng)持久支撐保障行業(yè)發(fā)展

中科院金屬所團(tuán)隊(duì)在直徑8米主軸承研制攻關(guān)過程中，高端軸承專項(xiàng)盾構(gòu)機(jī)主軸承技術(shù)總師胡小強(qiáng)研究員帶隊(duì)深入合作企業(yè)生產(chǎn)一線，聯(lián)合骨干企業(yè)成功攻克主軸承高精度加工和精度保持性難題。他們在合作研制過程中發(fā)現(xiàn)，中國進(jìn)口設(shè)備由于受國外技術(shù)限制，大型滾子加工精度只能達(dá)到二級，尚不能實(shí)現(xiàn)一級精度加工。

有了稀土軸承鋼的性能卓越材料，加工精度不達(dá)標(biāo)依然是主軸承研制的“攔路虎”。胡小強(qiáng)稱，為此，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)集智攻關(guān)，研制出直徑100毫米以上的一級滾子，使中國軸承行業(yè)突破了一級大型滾子精密加工技術(shù)。他們還與相關(guān)企業(yè)密切合作，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)主軸承加工制造、裝配調(diào)試、檢測評價(jià)等全流程自主可控，同時(shí)帶動相關(guān)國產(chǎn)加工裝備的研制。

李殿中總結(jié)表示，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑從材料源頭出發(fā)，發(fā)揮稀土軸承鋼與精密加工優(yōu)勢，打破行業(yè)壁壘，貫通技術(shù)鏈、打造創(chuàng)新鏈、對接產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)大型盾構(gòu)機(jī)主軸承的自主研制與應(yīng)用，這是中國科技自立自強(qiáng)、持久支撐保障行業(yè)全生命周期發(fā)展的成功實(shí)踐，也為中國高端基礎(chǔ)零部件攻關(guān)、項(xiàng)目融合行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新提供了良好的范式。

他透露，這次研制成功的超大型盾構(gòu)機(jī)用直徑8米主軸承使用壽命超過1萬小時(shí)，持續(xù)挖掘長度將超過10公里，研究團(tuán)隊(duì)的下一步目標(biāo)，就是要實(shí)現(xiàn)壽命超過3萬小時(shí)、長度超過30公里，并根據(jù)基建市場需求研制不同直徑的盾構(gòu)機(jī)主軸承。(完)