我國(guó)自研超大型盾構(gòu)機(jī)用直徑8米主軸承

近期，由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所李殿中研究員、李依依院士團(tuán)隊(duì)牽頭攻關(guān)的超大型盾構(gòu)機(jī)用直徑8米主軸承研制成功。這標(biāo)志著我國(guó)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(cè)評(píng)價(jià)等集成技術(shù)。

該主軸承是目前我國(guó)制造的首臺(tái)套直徑最大、單重最大的盾構(gòu)機(jī)用主軸承，重達(dá)41噸，將安裝在直徑16米級(jí)的超大型盾構(gòu)機(jī)上，用于隧道工程挖掘。經(jīng)國(guó)家軸承質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心檢測(cè)和專家組評(píng)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。

盾構(gòu)機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重大裝備，承載著穿山越嶺、過(guò)江跨海的重任。我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，但其核心部件——主軸承卻依賴進(jìn)口，亟需打通自主可控制造的“最后一公里”。

主軸承是盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)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。據(jù)介紹，直徑8米的主軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承載的最大軸向力達(dá)到10萬(wàn)千牛(相當(dāng)于2500頭亞洲象的重力)、徑向力達(dá)1萬(wàn)千牛、傾覆力矩達(dá)十萬(wàn)千牛?米。而大型盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，只能前進(jìn)，不能倒退，主軸承一旦失效，會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，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(duì)主軸承成套設(shè)計(jì)、加工精度、潤(rùn)滑脂等都提出了很高的要求。

中國(guó)科學(xué)院于2020年啟動(dòng)了“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所等7家院內(nèi)科研單位組成建制化團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司、洛陽(yáng)新強(qiáng)聯(lián)回轉(zhuǎn)支承股份有限公司等20余家單位進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，先后解決了主軸承材料制備、精密加工、成套設(shè)計(jì)中的12項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出直徑3米級(jí)到8米級(jí)的盾構(gòu)機(jī)主軸承共10套。目前，直徑3米的主軸承已在沈陽(yáng)地鐵工程中成功應(yīng)用。

此前，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)用超大直徑主軸承制造久而未決的主要原因在于：制造軸承的材料和大型滾子的加工精度不過(guò)關(guān)，全流程技術(shù)鏈條不貫通。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十多年的研究，開(kāi)發(fā)出“低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)，研制出的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%，相關(guān)基礎(chǔ)研究成果于今年發(fā)表在國(guó)際著名期刊《自然材料》(Nature Materials)上。