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“为中国制造再添一枚金牌”——全球最大直径盾构机主轴承诞生记

2024-08-27 09:09 作者：矫阳 孙瑜 科技日报 责任编辑：吴静

穿山过河，掘土凿岩……在大型工程的隧道施工中，盾构机已成为不可或缺的“神兵利器”。盾构机之所以能“啃”下硬石头，靠的是主轴承驱动刀盘，这也是设备安全可靠运转的“命门”所在。

直径18至20米的盾构机，可满足已知工程最大需求。与此相匹配的主轴承直径规格为8.61米，此前世界范围内尚无研制先例。2019年7月，中国铁建重工集团股份有限公司（以下简称“铁建重工”）成立197研究设计院，矢志攻克这一难关。

四年后，直径8.61米、重62吨，全球直径最大、单体最重、承载最高的盾构机主轴承面世。日前，在接受科技日报记者采访时，197研究设计院院长麻成标自豪地说：“从材料到工艺再到设计验证，我们实现了超大盾构机主轴承的全过程自主生产，为中国制造再添一枚金牌！”

“古剑法练出‘金钟罩’”

“在盾构机掘进过程中，8.61米主轴承必须经受住超重载、大偏载、频变载等极端恶劣工况的考验。”麻成标说，“所以，它得足够‘硬’。”

材料与工艺，是制造够“硬”轴承的第一道关卡。

“以主轴承的内齿圈为例，它需要一个洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈层，才能承受住超万吨的载荷。”研发团队制造工艺负责人解金东告诉科技日报记者。

这8毫米圈层，被解金东形象地比喻为内齿圈的“金钟罩”，是主轴承练就压不碎、磨不烂功夫的关键。然而，当时国内常规的中碳轴承钢淬火工艺仅能达到洛氏硬度55、表面淬深5毫米。

“硬度与厚度每提升一个单位，都‘难于上青天’。”解金东说，轴承钢材料包含20多种配方元素。这些元素互相影响，配比需要精准控制，每次调配都是千分之一量级。

研发团队联合钢铁企业，历经数十次技术讨论与测试，终于摸索出适用于大直径主轴承制造的钢材标准。

材料有了，还须突破淬火工艺。

因为体积庞大，通用轴承的整体淬火工艺，无法照搬到8.61米主轴承上，只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均匀性，成为一大难题。

研发人员不断调整思路，局部淬火、多次淬火……然而，这些方法虽然提高了淬深，却带来新问题——局部交叉区域温度相互干涉。

反复讨论、多轮试验无果。

一次偶然的机会，解金东在翻阅相关资料时，从“越王勾践剑”制造工艺——“覆土烧刃”中得到启示：以土为媒介，可完美解决淬火区域温度不均的问题。

“我们用古剑法练出了‘金钟罩’。”麻成标说，研发团队以此为灵感，成功开发出一种新的耐高温介质，温度相互干涉的难题迎刃而解。

“何不对砂轮‘动手脚’”

硬度达标了，下一关是精准控制平面度。

浮动环是主轴承的核心零部件，主轴承的滚子会不断碾压其内壁的高点。“长此以往，局部会被压坏，造成‘千里之堤溃于蚁穴’。”麻成标解释，浮动环的内壁必须足够“平”。

与之前铁建重工研制的直径3米主轴承相比，8.61米主轴承重量增加约8倍，内壁圆域面积增大近9倍。“但平面度的控制要求却不能降低，仍要小于20微米。这相当于壁面起伏不能超过一张A4纸厚度的五分之一。”麻成标说。

“刚开始，我们研制的浮动环始终无法满足设计要求。”解金东介绍，由于浮动环厚度薄、面积大，长时间加工调整其平面度后，原本曲率均匀的大圆环犹如一盘“甩面”，出现了肉眼可见的扭曲。

专家们多次现场会诊，终于探明“病因”——用于修整平面度的砂轮，与浮动环长时间、大面积接触摩擦，导致后者受热过高产生变形。

必须设法降低温度！喷水冷却、变一次加工为多次加工……多种方式均告失败。

“既然与砂轮接触面大，何不对砂轮‘动手脚’？”有人突发奇想。

说干就干！研发人员仔细研究砂轮的工作机制与运行轨迹，在调整砂轮形状上下足了功夫。“减少接触面的同时，我们要确保砂轮的运行轨迹覆盖内壁的每一处。”解金东说。

一次次修型调整、测试验证，团队终于设计出一款全新造型的砂轮，成功加工出符合平面度要求的浮动环。

砂轮改造只是诸多制造工艺的“冰山一角”。研发团队还先后攻克了冷加工、回火、残应力均衡等20余种制造工艺难题，首创“超大尺寸薄壁环件淬火后变形控制”“高精密磨削加工”“高淬硬齿面硬铣”等技术。

“用数据反推设计方法”

为适应复杂工况，每一台盾构机都须根据工程要求“量身定制”。这也意味着主轴承要按需打造。

“此前，我们能造主轴承，却不能设计。”197研究设计院设计所技术员陈浩林告诉记者，每次调整主轴承相关设计，数据都需要发给国外厂商进行验证，周期长达2个多月。

“时间久不说，外商每年还会按比例涨价。”麻成标说，在攻关8.61米主轴承伊始，研发团队就下定了决心，“必须实现自主设计。”

“我们边制造、边摸索。一个部件造出来了，就用试验数据反推其设计方法。”麻成标介绍。

这无疑是个艰难的过程。

有一次，进程被关键计算公式卡住。“设计人员算到头晕目眩，依旧对不上试验数据。”陈浩林回忆，大家仿佛走进了一条“死胡同”。

研发人员夜以继日地研究，目光最终聚焦到公式参数上。4组参数，每组200余种组合，历经800多次计算调整……在确定一系列参数后，计算公式得以成功论证。

为了分析计算结果，团队又利用铁建重工多年积累的大量施工经验与数据，构建出仿真模型。

“通过理论计算和仿真分析研究，我们成功开发出主轴承专用设计与仿真软件，实现了‘工程理论计算+模拟仿真分析+工况模拟试验+工程应用验证’闭环设计验证体系。”陈浩林说。

在此基础上，铁建重工还搭建起全球最大的主轴承工况模拟综合试验台，解决了大型低速重载主轴承难以试验验证的世界性难题。

2023年10月，国产8.61米主轴承成功下线，标志着铁建重工突破了材料、工艺、设计、验证四大技术难题，实现了直径3米到8.61米主轴承产品型谱设计制造全覆盖、全国产化。

“党的二十届三中全会提出，‘统筹强化关键核心技术攻关’和‘强化企业科技创新主体地位’。这让大家信心更足、动力更大。”麻成标说，“未来，我们将立足破解‘卡脖子’难题，继续推进高端轴承国产化、产业化，把中国制造的名片擦得更亮！”（记者 矫阳 孙瑜）

关键词：主轴承,淬火工艺,制造工艺,金牌,复杂工况
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