盾構(gòu)機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)建設(shè)的重大裝備，承載著穿山越嶺、過江跨海的重任。近日，由中國科學(xué)院金屬研究所李殿中研究員、李依依院士團(tuán)隊(duì)牽頭研制的超大直徑盾構(gòu)機(jī)用8米直徑主軸承研制成功。該軸承直徑達(dá)8米、重達(dá)41噸，是目前我國制造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構(gòu)機(jī)主軸承，該主軸承將安裝在16米級盾構(gòu)機(jī)上，用于隧道挖掘工程。該主軸承的研制成功標(biāo)志著我國已完全掌握大型重載盾構(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、檢測評價(jià)與壽命預(yù)測的集成技術(shù)，具備進(jìn)口替代能力。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。

△自研超大型盾構(gòu)機(jī)用直徑8米主軸承

據(jù)介紹，我國已實(shí)現(xiàn)了超大直徑盾構(gòu)機(jī)的國產(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，8米直徑盾構(gòu)機(jī)主軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承載的最大軸向力達(dá)到105千牛（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)104千牛、傾覆力矩達(dá)105千牛·米。為保證主軸承的高承載和高可靠性，就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)對主軸承加工精度、設(shè)計(jì)能力、潤滑脂等都提出了很高的要求。而大型盾構(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(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失。

△成功應(yīng)用于沈陽地鐵工程的自研直徑3米盾構(gòu)機(jī)主軸承

中國科學(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)，中國科學(xué)院金屬研究所、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)合中交集團(tuán)、洛陽新強(qiáng)聯(lián)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)問題。

△自研超大型盾構(gòu)機(jī)用直徑8米主軸承驗(yàn)收會(huì)

此前，我國盾構(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關(guān)，全流程技術(shù)鏈條不貫通。“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)首席科學(xué)家李殿中研究員介紹，要制造高純凈、高均質(zhì)、高強(qiáng)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(zhǔn)了稀土軸承鋼。通過控制氧含量，科研團(tuán)隊(duì)制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好的低氧稀土鋼，研制出的稀土軸承鋼拉壓疲勞壽命提高40多倍，滾動(dòng)接觸疲勞性能提升40%，并制訂了多項(xiàng)稀土鋼標(biāo)準(zhǔn)。此外，科研團(tuán)隊(duì)與企業(yè)聯(lián)合，攻克軸承加工中的技術(shù)與裝備瓶頸，開發(fā)出直徑100毫米以上的一級高精密滾子加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了我國軸承行業(yè)加工一級精密大型滾子“零”的突破。

目前，科研團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出直徑3米級到8米級的盾構(gòu)機(jī)主軸承共10套，直徑3米的主軸承已在沈陽地鐵工程中成功應(yīng)用。