12月15日，記者從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，由該所研究員李殿中、中國(guó)科學(xué)院院士李依依團(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。該主軸承是目前我國(guó)制造的首臺(tái)套直徑Z大、單重Z大的盾構(gòu)機(jī)用主軸承，將安裝在自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)直徑16米級(jí)超大型盾構(gòu)機(jī)上。
15年攻關(guān)突破關(guān)鍵難題
航空發(fā)動(dòng)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)、高檔數(shù)控機(jī)床等高端裝備都離不開(kāi)軸承。目前我國(guó)雖已實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，但其刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件——主軸承卻仍依賴(lài)進(jìn)口。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，主軸承“手持”刀盤(pán)，旋轉(zhuǎn)切削開(kāi)挖工作面并為刀盤(pán)提供旋轉(zhuǎn)支撐。其工作時(shí)轉(zhuǎn)速十分緩慢，每分鐘不足3轉(zhuǎn)，這就意味著在此過(guò)程中，直徑8米的主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的Z大軸向力將達(dá)到10萬(wàn)千牛，徑向力達(dá)1萬(wàn)千牛，傾覆力矩達(dá)10萬(wàn)千牛·米。
“如果一頭成年亞洲象的體重是4噸，那主軸承的軸向Z大會(huì)受到相當(dāng)于2500頭亞洲象體重的作用力。”李殿中比喻道，8米直徑的主軸承已是Z大的直徑等級(jí)，重達(dá)41噸。而更重要的是，主軸承一旦裝入盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始挖掘，就不能“開(kāi)倒車(chē)”。“盾構(gòu)機(jī)只能前進(jìn)，不能后退，一旦軸承失效，損失將是巨大的。”
這樣的高承載能力和高可靠性標(biāo)準(zhǔn)，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(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)略性科技先導(dǎo)專(zhuān)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家科研單位組成建制化團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中交集團(tuán)的中交天和機(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余家單位協(xié)同攻關(guān)。
此前，在軸承的研制上，我國(guó)一直面臨著兩個(gè)主要問(wèn)題——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。而要想有所突破，就要從源頭的材料制造問(wèn)題解決起，于是，研究團(tuán)隊(duì)把目光瞄準(zhǔn)了稀土軸承鋼。
已有的大量研究表明，在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。“我們也把稀土叫作‘工業(yè)維生素’，1噸稀土鋼中稀土只需要100余克。”作為軸承先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)負(fù)責(zé)人，李殿中介紹，稀土是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)略性資源，但此前關(guān)于稀土鋼的研究與應(yīng)用屢屢受挫。鋼水中加入稀土后，很容易出現(xiàn)澆口嚴(yán)重堵塞，且會(huì)導(dǎo)致鋼的性能劇烈波動(dòng)，穩(wěn)定性不佳。
中科院金屬所研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)15年，終于找到了這個(gè)問(wèn)題的答案——氧含量。只要將稀土鋼和稀土金屬中的氧含量降低，其性能就格外穩(wěn)定。“低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)讓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%。借助這項(xiàng)技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)已制造出數(shù)千萬(wàn)套高品質(zhì)軸承。
產(chǎn)品多項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異
不過(guò)，只靠?jī)?yōu)質(zhì)的稀土軸承鋼還不夠，軸承的加工精度、潤(rùn)滑脂材料、軸承熱處理等問(wèn)題也至關(guān)重要。
由于加工設(shè)備的限制，此前我國(guó)大型滾子的加工精度只能達(dá)到二級(jí)，與標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格的一級(jí)精度加工相比仍有差距。盾構(gòu)機(jī)主軸承研制技術(shù)總師、中科院金屬所研究員胡小強(qiáng)聯(lián)合企業(yè)開(kāi)展攻關(guān)，使我國(guó)軸承行業(yè)突破了一級(jí)大型滾子精密加工技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)主軸承加工制造、裝配調(diào)試、檢測(cè)評(píng)價(jià)等全流程自主可控，同時(shí)帶動(dòng)了相關(guān)國(guó)產(chǎn)裝備的研制。
軸承的穩(wěn)定運(yùn)行離不開(kāi)良好的潤(rùn)滑材料。中科院蘭州化學(xué)物理研究所通過(guò)核心添加劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可控制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)，形成了自主的主軸承潤(rùn)滑油脂的配比和組合組成，并開(kāi)發(fā)出在沖擊載荷下仍然能保持良好潤(rùn)滑，使?jié)L子磨損量較小的潤(rùn)滑油脂。
“我們團(tuán)隊(duì)是做材料出身，但在盾構(gòu)機(jī)主軸承的研制過(guò)程中，我們跳出了科研‘舒適圈’，完成了從‘會(huì)做什么’向‘該做什么’的轉(zhuǎn)變。料要成材，材要成器，器要好用。”李殿中說(shuō)，通過(guò)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)和企業(yè)聯(lián)合協(xié)同攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)打破了材料和機(jī)械制造的行業(yè)壁壘，“主軸承的成功研制和應(yīng)用，是國(guó)內(nèi)技術(shù)和裝備能力的集中體現(xiàn)。”
目前，8米級(jí)主軸承是我國(guó)首臺(tái)套直徑Z大、單重Z大的盾構(gòu)機(jī)用主軸承。其多項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，材料內(nèi)部一種非金屬夾雜物的含量?jī)H為十萬(wàn)分之幾，相較進(jìn)口產(chǎn)品降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；稀土鋼材料的夾雜物細(xì)小圓整，尺寸小于進(jìn)口軸承鋼，疲勞強(qiáng)度也比進(jìn)口產(chǎn)品提升了100兆帕以上。
國(guó)家軸承質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心檢測(cè)和專(zhuān)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(lèi)主軸承相當(dāng)，滿(mǎn)足超大型?構(gòu)機(jī)裝機(jī)應(yīng)用需求。該主軸承的研制成功，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)。
目前先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)已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。此前，直徑3米級(jí)盾構(gòu)機(jī)主軸承已安裝在北方重工集團(tuán)生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)上，2022年4月已在沈陽(yáng)地鐵工程成功應(yīng)用。后續(xù)，8米級(jí)主軸承將安裝在直徑16米級(jí)的超大型盾構(gòu)機(jī)上，用于隧道工程挖掘。
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