超大型盾構(gòu)機(jī)的“中國心”

　　走近中科院金屬所研發(fā)團(tuán)隊(duì)

　　穿山越嶺、過江跨海……有著“世界工程機(jī)械之王”之稱的盾構(gòu)機(jī)，是開挖隧道的神器，在地鐵、高鐵、水利等基建領(lǐng)域大展神威。

　　作為基建大國，我國雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的國産化，但盾構(gòu)機(jī)的核心部件——主軸承卻長期依賴進(jìn)口。令人振奮的是，這一現(xiàn)狀將得到扭轉(zhuǎn)。

　　最近，由中國科學(xué)院金屬研究所科研團(tuán)隊(duì)牽頭攻關(guān)的直徑8米的超大型盾構(gòu)機(jī)用主軸承研製成功。這是我國製造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構(gòu)機(jī)用主軸承，打通了超大型盾構(gòu)機(jī)全國産化和自主可控製造的“最後一公里”。據(jù)了解，這個重達(dá)41噸的主軸承將安裝在直徑16米級的超大型盾構(gòu)機(jī)上，用於隧道工程挖掘。

　　那麼，被喻為盾構(gòu)機(jī)“心臟”的主軸承設(shè)計(jì)製造難在哪兒？其關(guān)鍵核心技術(shù)是如何攻克的？記者最近採訪了中科院金屬所研發(fā)團(tuán)隊(duì)有關(guān)負(fù)責(zé)同志。

　　高端軸承長期依賴進(jìn)口是我國軸承行業(yè)的痛點(diǎn)

　　盾構(gòu)機(jī)被主軸承“卡住脖子”

　　對於許多機(jī)械設(shè)備而言，軸承是一個十分關(guān)鍵的存在。我們身邊常見的自行車、汽車、高鐵、風(fēng)電機(jī)組、航空發(fā)動機(jī)，等等，凡是需要轉(zhuǎn)動的，都離不開這一核心部件。它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低運(yùn)動過程中的摩擦系數(shù)，並保證回轉(zhuǎn)精度。

　　以盾構(gòu)機(jī)為例。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，有盾構(gòu)機(jī)“心臟”之稱。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉(zhuǎn)切削掌子面，併為刀盤提供旋轉(zhuǎn)支撐。如果把盾構(gòu)機(jī)刀盤比作一把正在挖掘的鐵鍬，那麼主軸承就相當(dāng)於控制它的雙手。

　　李殿中，中科院金屬所研究員，專業(yè)是研究金屬材料，也是“高端軸承自主可控製造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的負(fù)責(zé)人。作為一名專業(yè)人士，他深知軸承對一個國家工業(yè)的重要性，尤其是以盾構(gòu)機(jī)主軸承、海洋工程軸承、高鐵軸承、風(fēng)電機(jī)組軸承等為代表的高端軸承。“可以説，高端軸承關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)安全，代表一個國家基礎(chǔ)零部件製造水準(zhǔn)。”李殿中告訴記者。

　　然而，高端軸承長期依賴進(jìn)口是我國軸承行業(yè)的痛點(diǎn)，也是我國工業(yè)被“卡脖子”的堵點(diǎn)之一。

　　據(jù)了解，用於南京和燕路過江通道掘進(jìn)的15.03米超大直徑盾構(gòu)機(jī)“振興號”、用於北京東六環(huán)路掘進(jìn)的16.07米超大直徑盾構(gòu)機(jī)“運(yùn)河號”、用於珠海興業(yè)快線路掘進(jìn)的中國首臺超大直徑同步掘進(jìn)機(jī)“興業(yè)號”、用於江陰靖江過江通道掘進(jìn)的直徑16.09米盾構(gòu)機(jī)“聚力一號”等一大批盾構(gòu)機(jī)的國産化率已達(dá)到98%，但主軸承還是依賴進(jìn)口。

　　“靠進(jìn)口，我們不僅買不到最好的軸承，而且無論在技術(shù)服務(wù)、供貨週期還是價格方面，都受制於人。”李殿中説，這也是相關(guān)領(lǐng)域科研人員心中的“痛”。

　　為什麼我國無法生産自己的高端軸承？

　　“關(guān)鍵在於製造軸承的材料和大型滾子的加工精度不過關(guān)，全流程技術(shù)鏈條不貫通。”李殿中告訴記者，這也正是盾構(gòu)機(jī)用超大直徑主軸承自主可控製造久而未成的主要原因。

　　據(jù)介紹，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，輕則在掘進(jìn)區(qū)拆除地面構(gòu)築物、新建造接收井“刨出”盾構(gòu)機(jī)後更換主軸承；重則導(dǎo)致建設(shè)的隧道作廢、盾構(gòu)機(jī)永遠(yuǎn)深埋地下。因此，主軸承要具有極高的承載力和可靠性。這對製造盾構(gòu)機(jī)用主軸承的軸承鋼，以及主軸承成套設(shè)計(jì)、加工精度、潤滑油脂等，都提出了很高的要求。

　　國家需求，就是研究方向。2020年，中國科學(xué)院啟動了“高端軸承自主可控製造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，中科院金屬所、蘭州化學(xué)物理研究所等7家中科院所屬科研單位組成建制化團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司的中交天和機(jī)械設(shè)備製造有限公司等20余家單位進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，先後解決了主軸承材料製備、精密加工、成套設(shè)計(jì)中的12項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)問題，開發(fā)出直徑從3米級到8米級的盾構(gòu)機(jī)主軸承共10套，可用於6米級到16米級的盾構(gòu)機(jī)，打通了盾構(gòu)機(jī)自主可控製造的“最後一公里”。

　　“現(xiàn)實(shí)告訴我們，還是要做自己的高端軸承，而且要走出自己的技術(shù)路線。”李殿中告訴記者，“如果只靠複製國外的技術(shù)路線，不僅容易‘形似神不似’，而且永遠(yuǎn)只能跟著別人跑。”

　　高純凈、高均質(zhì)、高強(qiáng)韌、高耐磨

　　低氧稀土鋼“點(diǎn)石成金”

　　高端軸承的“卡脖子”問題，根源在材料，難點(diǎn)也在材料。

　　據(jù)了解，盾構(gòu)機(jī)的主軸承材料主要包括軸承鋼、潤滑油、保持架等。其中，最核心的問題是軸承鋼材料。

　　那麼，好鋼的標(biāo)準(zhǔn)是什麼？中科院金屬所研究員、盾構(gòu)機(jī)主軸承技術(shù)總師胡小強(qiáng)給記者列出了幾個關(guān)鍵詞：高純凈、高均質(zhì)、高強(qiáng)韌、高耐磨。

　　高純凈，是指鋼材的純凈度高、雜質(zhì)少；高均質(zhì)，是指零件不同部位的成分、硬度等相對均勻；高強(qiáng)韌，是指強(qiáng)度和韌性好、承載力和穩(wěn)定性高；高耐磨，則是指軸承的使用損耗小、服役週期長。

　　“像直徑8米的主軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承載的最大軸向力可達(dá)105千牛，如果一頭成年亞洲象的體重有4噸，這個軸向力就相當(dāng)於2500頭成年亞洲象的重力。”胡小強(qiáng)進(jìn)一步解釋道。

　　普通鋼材顯然無法滿足，需要尋找一款能滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的特殊鋼材。李殿中想到了稀土。

　　“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。”李殿中告訴記者，在工業(yè)領(lǐng)域，稀土被譽(yù)為“工業(yè)維生素”，而稀土恰恰是我國的優(yōu)勢資源。

　　不過，稀土鋼在工業(yè)化生産時遭遇兩大難題：一是工藝不順行，存在澆口嚴(yán)重堵塞問題；二是稀土添加在鋼中後，鋼的性能劇烈波動，存在穩(wěn)定性不好的問題。而這也是導(dǎo)致我國稀土鋼的研究與應(yīng)用一度由熱變冷的原因所在。

　　李殿中他們當(dāng)然也面臨著同樣的難題。“我們嘗試過各種純度的商業(yè)稀土，但與鋼結(jié)合生産的稀土鋼，性能還是不穩(wěn)定。”李殿中回憶道，為了搜尋原因，他和團(tuán)隊(duì)成員幾乎跑遍了我國的稀土産地，並到生産現(xiàn)場觀察稀土的冶煉過程。

　　終於在一次又一次的奔波中，他們發(fā)現(xiàn)了問題的關(guān)鍵：原來，加工廠做出來的稀土和他所需要的稀土，在概念上存在偏差。

　　“廠商為了讓稀土更為純凈，將其中的鐵、碳等元素分離了出去，而這對於煉鋼來説正是不可缺少的成分，反倒是忽視了應(yīng)該被去除的氧元素等。”李殿中告訴記者，經(jīng)大量研究，他們發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在於氧含量，“不僅鋼水中的氧含量影響稀土鋼的性能，稀土中的氧和稀土中由氧産生的夾雜物對稀土鋼的性能影響也很大。”

　　經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和表徵，他們揭示了稀土在鋼中的主要作用機(jī)制，並通過控制氧含量，製備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好的低氧稀土鋼。

　　低氧稀土鋼關(guān)鍵技術(shù)的秘訣是：既控制鋼水的氧含量，又控制添加的稀土中的氧含量，因此又被稱為“雙低氧”。

　　“在12項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)當(dāng)中，低氧稀土鋼的成功研製是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。”李殿中告訴記者，1噸鋼中只需要加入100克左右的稀土，成本只增加了十幾塊錢，但疲勞壽命卻可以提升一個數(shù)量級。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(yè)應(yīng)用中的瓶頸問題。

　　在這場稀土鋼的技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)中，科研人員“點(diǎn)石成金”。經(jīng)有關(guān)部門立項(xiàng)，中科院金屬所牽頭制定多項(xiàng)稀土鋼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，並逐步推廣應(yīng)用。目前，由相關(guān)合作企業(yè)生産的稀土軸承鋼綜合力學(xué)性能優(yōu)於進(jìn)口産品。

　　突破滾子精密加工技術(shù)

　　直徑8米的主軸承使用壽命超過1萬小時

　　臨近年關(guān)，胡小強(qiáng)再次前往位於河南洛陽的一家軸承加工製造企業(yè)，現(xiàn)場討論有關(guān)盾構(gòu)機(jī)主軸承製造的工藝流程。而這裡也是胡小強(qiáng)近幾年來往返次數(shù)最多的地方。

　　據(jù)介紹，盾構(gòu)機(jī)主軸承通常由套圈、保持架、滾子等元件組成。“構(gòu)成並不複雜，但工藝卻十分複雜。”胡小強(qiáng)告訴記者，要把高端材料變成高端軸承，需要經(jīng)過鍛造、機(jī)加工、熱處理等100多道工序，任何一個環(huán)節(jié)做不好，最後都會導(dǎo)致軸承的服役壽命不長、性能失控，“要想做一個好軸承，每一個環(huán)節(jié)都不能掉鏈子。”

　　滾子，是盾構(gòu)機(jī)主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時承受負(fù)荷的關(guān)鍵元件，也是大型滾子軸承中最薄弱的零件。高端軸承對滾子的加工精度要求極高。

　　“滾子是一個軸承中數(shù)量最多的元件，包括徑向滾子、主推滾子和副推滾子三類。”胡小強(qiáng)介紹説，一個直徑3米的盾構(gòu)機(jī)用主軸承中有400多個滾子，8米的主軸承中滾子更多，有近千個。它的製造品質(zhì)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。“這成百上千個滾子的直徑誤差、表面光潔度等指標(biāo)都要控制在1微米以內(nèi)，超過這個數(shù)值就會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)運(yùn)作偏差。”

　　胡小強(qiáng)曾與團(tuán)隊(duì)成員一起專門對滾子的品質(zhì)和生産情況做過調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口的主軸承裏的滾子精度非常高，無論是從粗糙度、硬度均勻性，還是工作面素線來看都非常好，但國內(nèi)由於受設(shè)備限制，大型滾子加工精度只能達(dá)到二級，不能實(shí)現(xiàn)一級精度加工。

　　深入生産一線，與骨幹企業(yè)聯(lián)合集智攻關(guān)……胡小強(qiáng)與團(tuán)隊(duì)成員一起成功攻克了主軸承高精度加工和精度保持性難題，研製出直徑100毫米以上的一級滾子，使我國軸承行業(yè)突破了一級大型滾子精密加工技術(shù)。

　　這只是其中一個例子。就是這樣，在先導(dǎo)專項(xiàng)的支援下，中科院金屬所整合所內(nèi)軸承鋼、熱處理、保持架等12個團(tuán)隊(duì)，凝聚中科院7家研究所的力量，組成了覆蓋研發(fā)、材料、製造、評價與服役全生命週期的全鏈條團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了從0到1、從材料到部件的創(chuàng)新。

　　“起初，我們要想做一個好的軸承，差不多要跑遍半個中國。”李殿中説，比如，鍛造在廣東，車加工在山東，熱處理在遼寧，磨加工在浙江，組裝在黑龍江、浙江，軸承現(xiàn)場測試又要回到廣東。而現(xiàn)在，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了加工製造、裝配調(diào)試、檢測評價等全流程自主可控的“一條龍”服務(wù)。

　　軸承研製耗時3年。科研團(tuán)隊(duì)用1467.4噸稀土軸承鋼，研製出41支大型套圈、7996粒滾子、492段銅鋼複合保持架，光焊縫就焊了36.9萬條。最終，國産的直徑覆蓋3米級到8米級的盾構(gòu)機(jī)主軸承逐一誕生。

　　目前，盾構(gòu)機(jī)用直徑3米的主軸承已在瀋陽地鐵工程中成功應(yīng)用。直徑8米的超大型盾構(gòu)機(jī)用主軸承也已交付有關(guān)盾構(gòu)機(jī)製造企業(yè)，“使用壽命將超過1萬小時，持續(xù)掘進(jìn)長度將超過10公里。”李殿中告訴記者，研究團(tuán)隊(duì)的下一步目標(biāo)，是要打造出壽命超過1.5萬小時、掘進(jìn)長度超過15公里的盾構(gòu)機(jī)用主軸承，並根據(jù)需求研製出不同直徑的盾構(gòu)機(jī)用主軸承。

　　貫通技術(shù)鏈、打造創(chuàng)新鏈、對接産業(yè)鏈……這是我國科技自立自強(qiáng)、支撐保障行業(yè)全生命週期發(fā)展的生動實(shí)踐，也為我國高端基礎(chǔ)零部件攻關(guān)提供了良好範(fàn)式。(中國紀(jì)檢監(jiān)察報(bào) 記者 王珍)