超大型盾構機的“中國心”

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

作為基建大國，我國雖然已經實現了盾構機的國產化，但盾構機的核心部件——主軸承卻長期依賴進口。令人振奮的是，這一現狀將得到扭轉。

最近，由中國科學院金屬研究所科研團隊牽頭攻關的直徑8米的超大型盾構機用主軸承研制成功。這是我國制造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構機用主軸承，打通了超大型盾構機全國產化和自主可控制造的“最后一公里”。據了解，這個重達41噸的主軸承將安裝在直徑16米級的超大型盾構機上，用于隧道工程挖掘。

那么，被喻為盾構機“心臟”的主軸承設計制造難在哪兒？其關鍵核心技術是如何攻克的？記者最近采訪了中科院金屬所研發團隊有關負責同志。

高端軸承長期依賴進口是我國軸承行業的痛點

盾構機被主軸承“卡住脖子”

對于許多機械設備而言，軸承是一個十分關鍵的存在。我們身邊常見的自行車、汽車、高鐵、風電機組、航空發動機，等等，凡是需要轉動的，都離不開這一核心部件。它的主要功能是支撐機械旋轉體，降低運動過程中的摩擦系數，并保證回轉精度。

以盾構機為例。主軸承是盾構機刀盤驅動系統的核心關鍵部件，有盾構機“心臟”之稱。在盾構機掘進過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉切削掌子面，并為刀盤提供旋轉支撐。如果把盾構機刀盤比作一把正在挖掘的鐵鍬，那么主軸承就相當于控制它的雙手。

李殿中，中科院金屬所研究員，專業是研究金屬材料，也是“高端軸承自主可控制造”戰略性先導科技專項的負責人。作為一名專業人士，他深知軸承對一個國家工業的重要性，尤其是以盾構機主軸承、海洋工程軸承、高鐵軸承、風電機組軸承等為代表的高端軸承。“可以說，高端軸承關乎國民經濟安全，代表一個國家基礎零部件制造水平。”李殿中告訴記者。

然而，高端軸承長期依賴進口是我國軸承行業的痛點，也是我國工業被“卡脖子”的堵點之一。

據了解，用于南京和燕路過江通道掘進的15.03米超大直徑盾構機“振興號”、用于北京東六環路掘進的16.07米超大直徑盾構機“運河號”、用于珠海興業快線路掘進的中國首臺超大直徑同步掘進機“興業號”、用于江陰靖江過江通道掘進的直徑16.09米盾構機“聚力一號”等一大批盾構機的國產化率已達到98%，但主軸承還是依賴進口。

“靠進口，我們不僅買不到最好的軸承，而且無論在技術服務、供貨周期還是價格方面，都受制于人。”李殿中說，這也是相關領域科研人員心中的“痛”。

為什么我國無法生產自己的高端軸承？

“關鍵在于制造軸承的材料和大型滾子的加工精度不過關，全流程技術鏈條不貫通。”李殿中告訴記者，這也正是盾構機用超大直徑主軸承自主可控制造久而未成的主要原因。

據介紹，大型盾構機在掘進過程中，只能前進，不能倒退，主軸承一旦失效，會造成嚴重損失，輕則在掘進區拆除地面構筑物、新建造接收井“刨出”盾構機后更換主軸承；重則導致建設的隧道作廢、盾構機永遠深埋地下。因此，主軸承要具有極高的承載力和可靠性。這對制造盾構機用主軸承的軸承鋼，以及主軸承成套設計、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，中國科學院啟動了“高端軸承自主可控制造”戰略性先導科技專項，中科院金屬所、蘭州化學物理研究所等7家中科院所屬科研單位組成建制化團隊，聯合中國交通建設集團有限公司的中交天和機械設備制造有限公司等20余家單位進行協同攻關，先后解決了主軸承材料制備、精密加工、成套設計中的12項關鍵核心技術問題，開發出直徑從3米級到8米級的盾構機主軸承共10套，可用于6米級到16米級的盾構機，打通了盾構機自主可控制造的“最后一公里”。

“現實告訴我們，還是要做自己的高端軸承，而且要走出自己的技術路線。”李殿中告訴記者，“如果只靠復制國外的技術路線，不僅容易‘形似神不似’，而且永遠只能跟著別人跑。”

高純凈、高均質、高強韌、高耐磨

低氧稀土鋼“點石成金”

高端軸承的“卡脖子”問題，根源在材料，難點也在材料。

據了解，盾構機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。

那么，好鋼的標準是什么？中科院金屬所研究員、盾構機主軸承技術總師胡小強給記者列出了幾個關鍵詞：高純凈、高均質、高強韌、高耐磨。

高純凈，是指鋼材的純凈度高、雜質少；高均質，是指零件不同部位的成分、硬度等相對均勻；高強韌，是指強度和韌性好、承載力和穩定性高；高耐磨，則是指軸承的使用損耗小、服役周期長。

“像直徑8米的主軸承在運轉過程中承載的最大軸向力可達105千牛，如果一頭成年亞洲象的體重有4噸，這個軸向力就相當于2500頭成年亞洲象的重力。”胡小強進一步解釋道。

普通鋼材顯然無法滿足，需要尋找一款能滿足上述標準的特殊鋼材。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，在工業領域，稀土被譽為“工業維生素”，而稀土恰恰是我國的優勢資源。

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

李殿中他們當然也面臨著同樣的難題。“我們嘗試過各種純度的商業稀土，但與鋼結合生產的稀土鋼，性能還是不穩定。”李殿中回憶道，為了查找原因，他和團隊成員幾乎跑遍了我國的稀土產地，并到生產現場觀察稀土的冶煉過程。

終于在一次又一次的奔波中，他們發現了問題的關鍵：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，而這對于煉鋼來說正是不可缺少的成分，反倒是忽視了應該被去除的氧元素等。”李殿中告訴記者，經大量研究，他們發現稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量，“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產生的夾雜物對稀土鋼的性能影響也很大。”

經過大量實驗、計算和表征，他們揭示了稀土在鋼中的主要作用機制，并通過控制氧含量，制備出性能優越、穩定性好的低氧稀土鋼。

低氧稀土鋼關鍵技術的秘訣是：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項關鍵核心技術當中，低氧稀土鋼的成功研制是關鍵中的關鍵。”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應用中的瓶頸問題。

在這場稀土鋼的技術攻堅戰中，科研人員“點石成金”。經有關部門立項，中科院金屬所牽頭制定多項稀土鋼行業標準，并逐步推廣應用。目前，由相關合作企業生產的稀土軸承鋼綜合力學性能優于進口產品。

突破滾子精密加工技術

直徑8米的主軸承使用壽命超過1萬小時

臨近年關，胡小強再次前往位于河南洛陽的一家軸承加工制造企業，現場討論有關盾構機主軸承制造的工藝流程。而這里也是胡小強近幾年來往返次數最多的地方。

據介紹，盾構機主軸承通常由套圈、保持架、滾子等元件組成。“構成并不復雜，但工藝卻十分復雜。”胡小強告訴記者，要把高端材料變成高端軸承，需要經過鍛造、機加工、熱處理等100多道工序，任何一個環節做不好，最后都會導致軸承的服役壽命不長、性能失控，“要想做一個好軸承，每一個環節都不能掉鏈子。”

滾子，是盾構機主軸承運轉時承受負荷的關鍵元件，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。”胡小強介紹說，一個直徑3米的盾構機用主軸承中有400多個滾子，8米的主軸承中滾子更多，有近千個。它的制造質量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、表面光潔度等指標都要控制在1微米以內，超過這個數值就會導致盾構機運行偏差。”

胡小強曾與團隊成員一起專門對滾子的質量和生產情況做過調研分析，發現進口的主軸承里的滾子精度非常高，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，但國內由于受設備限制，大型滾子加工精度只能達到二級，不能實現一級精度加工。

深入生產一線，與骨干企業聯合集智攻關……胡小強與團隊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，研制出直徑100毫米以上的一級滾子，使我國軸承行業突破了一級大型滾子精密加工技術。

這只是其中一個例子。就是這樣，在先導專項的支持下，中科院金屬所整合所內軸承鋼、熱處理、保持架等12個團隊，凝聚中科院7家研究所的力量，組成了覆蓋研發、材料、制造、評價與服役全生命周期的全鏈條團隊，實現了從0到1、從材料到部件的創新。

“起初，我們要想做一個好的軸承，差不多要跑遍半個中國。”李殿中說，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，軸承現場測試又要回到廣東。而現在，已經實現了加工制造、裝配調試、檢測評價等全流程自主可控的“一條龍”服務。

軸承研制耗時3年。科研團隊用1467.4噸稀土軸承鋼，研制出41支大型套圈、7996粒滾子、492段銅鋼復合保持架，光焊縫就焊了36.9萬條。最終，國產的直徑覆蓋3米級到8米級的盾構機主軸承逐一誕生。

目前，盾構機用直徑3米的主軸承已在沈陽地鐵工程中成功應用。直徑8米的超大型盾構機用主軸承也已交付有關盾構機制造企業，“使用壽命將超過1萬小時，持續掘進長度將超過10公里。”李殿中告訴記者，研究團隊的下一步目標，是要打造出壽命超過1.5萬小時、掘進長度超過15公里的盾構機用主軸承，并根據需求研制出不同直徑的盾構機用主軸承。