超大型盾構機有了“中國心”

◎本報記者 陸成寬

超大型盾構機有了“中國心”！近日，記者從中國科學院獲悉，我國成功研制超大型盾構機用直徑8米主軸承。該主軸承重達41噸，是目前我國制造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構機用主軸承。

更重要的是，該主軸承順利通過國家軸承質量檢驗檢測中心檢測和專家組評審。專家組評審意見認為，該主軸承各項技術性能指標與進口同類主軸承相當，滿足超大型盾構機裝機應用需求。

主軸承是“最后一公里”

盾構機，全名叫盾構隧道掘進機，是一種隧道掘進的專用工程機械。一般情況下，我們不會經常看到這個“大國重器”，畢竟它常年在地下工作。

它是基礎設施建設的重大裝備，承載著穿山越嶺、過江跨海的重任。“雖然我國已實現了盾構機的國產化，但其核心部件——主軸承卻依賴進口，亟須打通自主可控制造的‘最后一公里’。”中國科學院金屬研究所研究員李殿中坦言。

主軸承有盾構機“心臟”之稱，是盾構機刀盤驅動系統的關鍵核心部件。盾構機掘進過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉切削掌子面并為刀盤提供旋轉支撐。

“直徑8米的主軸承在運轉過程中承載的最大軸向力可達10^5千牛，相當于2500頭成年亞洲象的重力。”李殿中說，為保證主軸承的高承載能力和高可靠性，制造主軸承的軸承鋼必須要高純凈、高均質、高強韌、高耐磨。這對主軸承成套設計、加工精度、潤滑油脂等提出了很高的要求。

李殿中表示，此前，我國盾構機用超大直徑主軸承一直未能攻克的主要原因在于：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。

氧含量是關鍵

攻關團隊認為，要制造高純凈、高均質、高強韌、高耐磨的軸承鋼材料，一定要從源頭解決材料制造的問題，他們將目光瞄準了稀土軸承鋼。

已有大量研究表明，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、耐蝕性等性能。

然而，“稀土鋼在工業化生產時遭遇兩大難題：一是工藝不順行，澆鑄時經常出現澆口堵塞的問題；二是稀土在鋼中添加后，鋼的性能劇烈波動，存在穩定性不好的問題。”李殿中指出。

通過長達十余年的機理研究和工業實驗，中科院金屬所研究團隊發現，稀土鋼性能波動、鑄造時澆口堵塞問題的根源在于氧含量。

“我們發現，不僅鋼液中的氧含量影響稀土鋼的性能，更為重要的是，長期被學界和產業界忽視的稀土金屬中的氧含量，對稀土鋼的性能也具有十分重要的影響。”李殿中解釋道。

“通過控制氧含量，我們制備出性能優越、穩定性好的低氧稀土鋼。”李殿中說，與不加稀土的軸承鋼相比，該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%，有效解決了稀土鋼工業應用中的瓶頸問題。

滾子也是一道坎

除了軸承鋼，要想制造超大直徑主軸承，大型滾子加工技術也是一道邁不過去的坎。

滾子是軸承運轉時承受負荷的元件，是滾子軸承中最薄弱的零件，它的制造質量對軸承工作性能有很大的影響，是影響軸承使用壽命的主要因素。

“在主軸承研制過程中，我們發現，由于受到國外的技術限制，我國大型滾子加工精度只能達到二級，還不能實現一級精度加工。”中科院金屬所研究員胡小強直言。

為此，胡小強帶領研究團隊深入生產一線，聯合企業集智攻關，最終研制出直徑100毫米以上的一級滾子，使我國軸承行業突破了一級大型滾子精密加工技術。

“通過與洛陽新強聯股份有限公司等企業密切合作，我們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。”胡小強說。

未來，新研制的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。“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。”李殿中說。