穿山過河，掘土鑿巖……在大型工程的隧道施工中，盾構機已成為不可(ke)或缺的“神兵利(li)器(qi)”。盾構機之所以(yi)能“啃”下硬石(shi)頭(tou)，靠的是主軸承驅(qu)動刀(dao)盤，這也是設備安(an)全可(ke)靠運轉的“命(ming)門”所在。

       直徑18至20米的(de)(de)盾構(gou)機(ji)，可滿(man)足已知工(gong)(gong)程最大(da)需求(qiu)。與此(ci)(ci)相(xiang)匹配的(de)(de)主軸承直徑規格為8.61米，此(ci)(ci)前世界范圍內尚(shang)無(wu)研(yan)制(zhi)先例。2019年7月(yue)，中國鐵(tie)建重工(gong)(gong)集團股份有限公司（以下簡稱(cheng)“鐵(tie)建重工(gong)(gong)”）成立197研(yan)究設計(ji)院，矢(shi)志(zhi)攻克這(zhe)一難關。

       四年后，直徑8.61米、重(zhong)62噸(dun)，全(quan)球直徑最(zui)大(da)、單體(ti)最(zui)重(zhong)、承載最(zui)高的(de)盾構機(ji)主軸承面世。日(ri)前，在接(jie)受科技日(ri)報記者(zhe)采訪時，197研(yan)究設(she)計院(yuan)院(yuan)長麻成(cheng)標自豪地說：“從材(cai)料到工藝(yi)再到設(she)計驗證，我們實現(xian)了超大(da)盾構機(ji)主軸承的(de)全(quan)過程自主生產(chan)，為中國制造再添一枚金(jin)牌！”

2023年(nian)10月，全球最大直徑盾(dun)構機主軸承在鐵建重工(gong)下線。圖片來源(yuan)：鐵建重工(gong)

       “古劍法(fa)練(lian)出‘金鐘罩(zhao)’”

       “在(zai)盾構機掘進過(guo)程中，8.61米主軸承(cheng)必須經受住(zhu)超重載(zai)、大偏(pian)載(zai)、頻變載(zai)等極端(duan)惡劣工況的(de)考驗。”麻成(cheng)標說，“所以，它得足夠(gou)‘硬’。”

       材(cai)料(liao)與工藝，是制(zhi)造夠“硬(ying)”軸承的第(di)一道關(guan)卡。

       “以主軸承的內齒圈(quan)為(wei)例，它(ta)需要一個洛(luo)氏硬度大(da)于58、厚(hou)度不低于8毫米的圈(quan)層(ceng)，才能(neng)承受住(zhu)超萬噸的載(zai)荷。”研(yan)發團隊制(zhi)造工藝負責人解金(jin)東告訴科技日報記者。

       這8毫(hao)米圈層，被解金東形象地比喻為內齒(chi)圈的“金鐘罩”，是(shi)主軸(zhou)承(cheng)(cheng)練就壓(ya)不碎、磨不爛功夫的關鍵(jian)。然而，當時國內常規的中碳軸(zhou)承(cheng)(cheng)鋼淬火(huo)工藝僅(jin)能達到洛氏硬(ying)度55、表面淬深5毫(hao)米。

       “硬度與厚度每(mei)提升一個單位(wei)，都‘難于(yu)上青天’。”解(jie)金東說，軸承鋼材(cai)料包含20多種(zhong)配(pei)方元素。這些元素互相影響，配(pei)比需要精(jing)準控制，每(mei)次調配(pei)都是千分之一量級。

       研發團(tuan)隊聯(lian)合鋼鐵(tie)企業，歷(li)經(jing)數十次(ci)技(ji)術討論與測試，終于(yu)摸(mo)索出適用于(yu)大(da)直徑主軸承制造的鋼材(cai)標準(zhun)。

 ;      材料(liao)有(you)了，還須突破淬火工藝。

       ;因為體積(ji)龐大，通用軸承(cheng)的整體淬火工(gong)藝(yi)，無法照(zhao)搬到8.61米(mi)主(zhu)軸承(cheng)上，只能采用表面(mian)淬火。如何(he)保(bao)障淬火硬(ying)度(du)(du)、深度(du)(du)和均勻性(xing)，成為一大難題。

       研發人(ren)員不斷調整思路，局部(bu)(bu)淬火(huo)、多次淬火(huo)……然而(er)，這些方(fang)法(fa)雖然提(ti)高了淬深，卻帶來新(xin)問題——局部(bu)(bu)交叉(cha)區域溫度相互干涉(she)。

       反復討(tao)論、多輪(lun)試驗無果。

       一次偶然的機會，解金東(dong)在翻閱相關資料時，從(cong)“越王(wang)勾踐劍”制造工(gong)藝——“覆土燒刃”中得到啟示：以土為媒介，可完美解決淬火(huo)區域溫(wen)度不均的問題。

       “我們用古劍(jian)法練出了‘金鐘罩’。”麻成(cheng)標說，研(yan)發(fa)團(tuan)隊以此為(wei)靈感(gan)，成(cheng)功開發(fa)出一種新的耐(nai)高溫介質，溫度相互干涉的難(nan)題迎刃而解(jie)。

       “何不對砂輪‘動手腳’”

       硬度達標了，下一關(guan)是精準控(kong)制平面度。

       浮動環是(shi)主軸(zhou)承(cheng)的核心零部(bu)件，主軸(zhou)承(cheng)的滾子會(hui)不斷碾壓(ya)其(qi)內壁的高(gao)點。“長此(ci)以(yi)往(wang)，局(ju)部(bu)會(hui)被壓(ya)壞，造成(cheng)‘千里之堤潰于蟻穴’。”麻成(cheng)標解(jie)釋，浮動環的內壁必(bi)須足夠“平”。

       與之(zhi)前鐵建(jian)重(zhong)工研制(zhi)的直徑3米主軸(zhou)(zhou)承相比，8.61米主軸(zhou)(zhou)承重(zhong)量增加約8倍(bei)，內壁(bi)圓(yuan)域面(mian)積增大近9倍(bei)。“但平(ping)面(mian)度(du)的控制(zhi)要(yao)求卻(que)不(bu)能(neng)降低，仍(reng)要(yao)小于20微米。這相當于壁(bi)面(mian)起伏不(bu)能(neng)超過一張A4紙厚度(du)的五分之(zhi)一。”麻成標說(shuo)。

       2023年10月，全球最大直徑盾構機主軸承在鐵建重工下線。圖片來源：鐵建重工

       “剛開始，我們研制的浮(fu)(fu)動(dong)環始終無法滿(man)足設(she)計(ji)要求。”解金東介(jie)紹，由于浮(fu)(fu)動(dong)環厚度薄(bo)、面(mian)積大，長時間加工(gong)調整其平(ping)面(mian)度后，原本曲率均勻的大圓環猶如(ru)一(yi)盤“甩面(mian)”，出現了肉眼可見的扭(niu)曲。

       專家(jia)們多次現(xian)場(chang)會診，終于探明“病因”——用于修整平面度的砂輪，與浮動環長時間(jian)、大面積接觸(chu)摩擦，導致后者受熱過高(gao)產生變形。

       必須設(she)法降低溫度！噴(pen)水冷(leng)卻(que)、變一次(ci)(ci)加工(gong)為(wei)多次(ci)(ci)加工(gong)……多種方(fang)式均(jun)告(gao)失敗。

       “既然與砂輪(lun)接觸(chu)面大，何不(bu)對砂輪(lun)‘動手腳’？”有人突發(fa)奇想。

       說干就干！研發人員仔細研究砂輪的工作機制與運(yun)行軌(gui)(gui)跡，在調整砂輪形狀上(shang)下足了功(gong)夫(fu)。“減少接觸面的同時(shi)，我們(men)要確保砂輪的運(yun)行軌(gui)(gui)跡覆蓋(gai)內壁的每一處。”解金東說。

       一次(ci)(ci)次(ci)(ci)修型調整、測試(shi)驗證，團隊終于(yu)設計出一款(kuan)全新(xin)造型的(de)砂輪，成功加工出符合平面(mian)度要求的(de)浮動環。

       砂輪改造只是諸多制造工藝的“冰山一角”。研發團隊還先后攻克了冷加工、回火、殘應力均衡等20余種制造工藝難題，首創“超大尺寸薄壁環件淬火后變形控制”“高精密磨削加工”“高淬硬齒面硬銑”等(deng)技術。

       “用數(shu)據反推設計方法”

       為適應復雜工況，每一臺盾構機都(dou)須(xu)根據工程要(yao)求(qiu)“量身定制(zhi)”。這也意味(wei)著主軸承要(yao)按需打造。

       “此前(qian)，我們能(neng)造主軸(zhou)承，卻不(bu)能(neng)設計。”197研究設計院設計所技術員陳浩(hao)林(lin)告訴記(ji)者，每次(ci)調整主軸(zhou)承相關設計，數據都需要發給國(guo)外廠商進行驗證，周期長達2個多月。

鐵建(jian)重工(gong)盾構機主(zhu)軸承生產車間。圖(tu)片來源：鐵建(jian)重工(gong)

       “時間久不說，外商每年還(huan)會(hui)按比例(li)漲價(jia)。”麻成標說，在攻關8.61米主(zhu)軸承伊始，研(yan)發(fa)團隊(dui)就下定了決心，“必(bi)須(xu)實現自(zi)主(zhu)設計。”

       “我們邊制造、邊摸(mo)索。一個部件造出(chu)來了，就用試驗數據(ju)反推其設計方法(fa)。”麻成(cheng)標介紹(shao)。

       這無疑是個艱難的過程。

       有(you)一次，進程被關(guan)鍵計算公式卡住(zhu)。“設計人員算到頭暈目眩，依舊對不(bu)上試驗數(shu)據。”陳浩(hao)林回憶，大家仿佛走進了一條“死(si)胡同”。

       研發人員夜以繼日地(di)研究，目光(guang)最(zui)終聚焦到公(gong)式參(can)(can)數(shu)(shu)上。4組參(can)(can)數(shu)(shu)，每組200余(yu)種組合，歷經(jing)800多次計算調整……在確定一系列參(can)(can)數(shu)(shu)后，計算公(gong)式得以成功論證。

       為了分(fen)析(xi)計算結果，團隊(dui)又利用(yong)鐵建(jian)重工多年(nian)積(ji)累的大(da)量(liang)施(shi)工經(jing)驗與數據(ju)，構建(jian)出仿(fang)真模(mo)型。

       “通(tong)過理(li)論計(ji)算和仿真分(fen)析研究，我們成功開(kai)發出主軸承(cheng)專用(yong)設計(ji)與仿真軟件，實(shi)現了‘工(gong)程理(li)論計(ji)算+模擬(ni)仿真分(fen)析+工(gong)況模擬(ni)試(shi)驗+工(gong)程應用(yong)驗證’閉環設計(ji)驗證體(ti)系。”陳浩林說。

       在(zai)此(ci)基礎上，鐵建重(zhong)工(gong)(gong)還搭(da)建起全球最(zui)大(da)的主軸承(cheng)工(gong)(gong)況模(mo)擬綜合試驗(yan)臺(tai)，解決了大(da)型低速重(zhong)載主軸承(cheng)難以(yi)試驗(yan)驗(yan)證的世界性難題。

       2023年(nian)10月(yue)，國(guo)產(chan)8.61米主軸承成功下線，標志著鐵建重工突破了(le)材(cai)料、工藝(yi)、設計、驗證四大(da)技術(shu)難題(ti)，實現了(le)直(zhi)徑3米到8.61米主軸承產(chan)品型譜設計制(zhi)造全(quan)覆蓋、全(quan)國(guo)產(chan)化。

       “黨的二十屆(jie)三中全(quan)會提出，‘統籌強化(hua)(hua)關鍵核心技(ji)術攻關’和‘強化(hua)(hua)企業科(ke)技(ji)創新主體地位(wei)’。這讓大家信心更(geng)足、動(dong)力更(geng)大。”麻成標說，“未來，我們將立足破解‘卡脖(bo)子’難(nan)題，繼續推進高端軸承國產(chan)(chan)化(hua)(hua)、產(chan)(chan)業化(hua)(hua)，把(ba)中國制造的名片擦得更(geng)亮！”