穿山過河，掘土鑿巖……在大型工程的隧道施工中，盾構機已(yi)成為不可或缺的“神兵(bing)利器”。盾構機之(zhi)所以能“啃”下硬(ying)石頭(tou)，靠的是主軸承驅動刀盤，這也是設備安全可靠運轉的“命門”所在。

       直徑(jing)18至20米的(de)盾(dun)構(gou)機，可滿(man)足已知工程最大需求。與(yu)此(ci)相匹配(pei)的(de)主軸承(cheng)直徑(jing)規格為(wei)8.61米，此(ci)前世(shi)界(jie)范(fan)圍內(nei)尚無研(yan)制先例。2019年7月(yue)，中國鐵建重工集團股份有限公司(si)（以下簡稱“鐵建重工”）成立197研(yan)究設計(ji)院，矢志攻(gong)克這一難(nan)關。

       四年后，直徑(jing)8.61米、重62噸，全球直徑(jing)最(zui)大、單體最(zui)重、承(cheng)載最(zui)高的盾構機主(zhu)軸承(cheng)面世。日前，在接受(shou)科技(ji)日報記者采訪時(shi)，197研究設計(ji)院院長麻成標自(zi)豪地(di)說：“從材料到工藝再(zai)到設計(ji)驗證(zheng)，我們(men)實現了超大盾構機主(zhu)軸承(cheng)的全過程(cheng)自(zi)主(zhu)生產(chan)，為中國(guo)制造再(zai)添一枚(mei)金牌！”

2023年10月，全球最大(da)直(zhi)徑盾(dun)構機主軸承在鐵建重(zhong)工下線。圖片來源(yuan)：鐵建重(zhong)工

       “古(gu)劍法練(lian)出‘金鐘罩’”

       “在盾構機掘進過程中，8.61米主軸承必須(xu)經受住超(chao)重載(zai)、大(da)偏載(zai)、頻變載(zai)等極端惡劣(lie)工況的考(kao)驗。”麻成(cheng)標說(shuo)，“所以，它得(de)足夠(gou)‘硬’。”

       材料與(yu)工(gong)藝，是制造(zao)夠(gou)“硬”軸(zhou)承的第一(yi)道關卡。

       “以主軸承的內齒圈為例，它(ta)需要一(yi)個(ge)洛氏(shi)硬度(du)大于58、厚度(du)不低于8毫(hao)米(mi)的圈層，才(cai)能承受(shou)住超(chao)萬噸的載荷。”研發團(tuan)隊制造工藝(yi)負(fu)責人(ren)解(jie)金東告訴科技日報記(ji)者。

       這8毫米圈(quan)層(ceng)，被解金(jin)(jin)東形象地(di)比喻為內(nei)齒(chi)圈(quan)的“金(jin)(jin)鐘罩”，是主軸(zhou)承(cheng)練就壓(ya)不(bu)碎、磨(mo)不(bu)爛(lan)功夫的關鍵。然(ran)而，當時(shi)國(guo)內(nei)常規(gui)的中碳軸(zhou)承(cheng)鋼淬(cui)火工(gong)藝(yi)僅能達(da)到洛氏硬(ying)度(du)55、表面淬(cui)深5毫米。

       “硬(ying)度與厚度每提升(sheng)一個單位，都(dou)(dou)‘難(nan)于上(shang)青天’。”解金東說，軸承(cheng)鋼材料(liao)包含(han)20多種配方元素。這(zhe)些元素互相(xiang)影(ying)響，配比(bi)需要精(jing)準控制，每次調配都(dou)(dou)是千(qian)分之一量級。

       研發(fa)團隊聯合鋼(gang)鐵企業，歷經數十次技術(shu)討論與測試，終(zhong)于摸索(suo)出適用于大直徑(jing)主軸承制造的鋼(gang)材標準。

       材(cai)料有了，還須突破(po)淬火工藝。

       因(yin)為(wei)體(ti)積龐大(da)，通用(yong)軸(zhou)承的整體(ti)淬火(huo)工(gong)藝(yi)，無法(fa)照搬到8.61米主軸(zhou)承上，只能(neng)采用(yong)表面淬火(huo)。如何保障淬火(huo)硬度、深度和(he)均(jun)勻性，成為(wei)一大(da)難題。

       研(yan)發人員不斷調(diao)整思路(lu)，局(ju)部淬火、多次(ci)淬火……然而，這(zhe)些方法(fa)雖然提高(gao)了淬深(shen)，卻(que)帶來新問(wen)題——局(ju)部交叉區域溫度相互(hu)干涉。

       反復討(tao)論、多輪試驗無(wu)果。

       一次偶(ou)然的機會，解(jie)金東在翻(fan)閱相關資(zi)料時，從“越王勾踐劍(jian)”制造工藝(yi)——“覆土燒刃”中得(de)到啟示：以土為媒介，可完美解(jie)決(jue)淬(cui)火區域溫度(du)不均的問題。

       “我(wo)們用古(gu)劍(jian)法(fa)練出了‘金鐘罩’。”麻成標說，研發團隊(dui)以此為靈感(gan)，成功(gong)開發出一種新的耐高(gao)溫(wen)介質，溫(wen)度相互干涉(she)的難題迎刃而解。

       “何不對砂輪‘動手腳’”

       硬度達(da)標了，下一關(guan)是精準控制平(ping)面度。

       浮(fu)動環(huan)是主軸承的(de)核心零部件，主軸承的(de)滾子會不斷碾壓(ya)其(qi)內壁的(de)高(gao)點(dian)。“長此以往，局部會被壓(ya)壞(huai)，造成‘千里之(zhi)堤潰于蟻穴’。”麻成標解(jie)釋，浮(fu)動環(huan)的(de)內壁必須足夠“平(ping)”。

       與之前鐵(tie)建(jian)重工(gong)研制(zhi)的(de)直徑3米(mi)主(zhu)軸(zhou)承(cheng)相(xiang)比(bi)，8.61米(mi)主(zhu)軸(zhou)承(cheng)重量增加約(yue)8倍(bei)(bei)，內壁(bi)圓域面積(ji)增大近9倍(bei)(bei)。“但平面度的(de)控制(zhi)要求卻不能降(jiang)低，仍要小(xiao)于20微米(mi)。這相(xiang)當于壁(bi)面起伏不能超過一(yi)(yi)張A4紙厚(hou)度的(de)五分之一(yi)(yi)。”麻(ma)成(cheng)標說。

       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，我們研制的浮動環始終(zhong)無法滿足(zu)設(she)計要求。”解金東介紹，由于浮動環厚度薄、面積大，長時間加工調(diao)整其平面度后，原(yuan)本曲(qu)率均勻的大圓環猶如一盤“甩(shuai)面”，出現(xian)了肉眼(yan)可(ke)見的扭曲(qu)。

       專家們多次現場會(hui)診(zhen)，終于探(tan)明“病因(yin)”——用于修整(zheng)平面(mian)度(du)的砂輪(lun)，與浮動環(huan)長時間、大(da)面(mian)積接觸摩擦，導致后者受熱(re)過高產生變(bian)形。

       必須(xu)設法降低(di)溫度！噴水冷卻、變一次加工為多次加工……多種方式均(jun)告失敗(bai)。

       “既然(ran)與(yu)砂輪(lun)(lun)接(jie)觸面(mian)大，何不(bu)對砂輪(lun)(lun)‘動手腳’？”有人突(tu)發奇想。

       說干(gan)就干(gan)！研發人員仔細研究砂(sha)輪的(de)工(gong)作(zuo)機制與(yu)運(yun)行軌(gui)跡(ji)，在調(diao)整(zheng)砂(sha)輪形狀上下(xia)足了功夫。“減少接觸面的(de)同(tong)時(shi)，我們要確(que)保(bao)砂(sha)輪的(de)運(yun)行軌(gui)跡(ji)覆(fu)蓋內(nei)壁的(de)每一(yi)處。”解金東說。

       一次次修型調整、測試(shi)驗(yan)證，團隊終于設(she)計(ji)出一款全新造(zao)型的砂輪，成功加工(gong)出符合平面度要求的浮動環(huan)。

       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(ying)齒面(mian)硬(ying)銑(xian)”等技術。

       “用數據(ju)反推設計方法”

       為適應復雜工況(kuang)，每一(yi)臺盾構機都須根據工程要求“量身定制”。這也意(yi)味著主軸承(cheng)要按需打造。

       “此前，我們能(neng)造主軸承，卻不(bu)能(neng)設(she)計(ji)。”197研(yan)究設(she)計(ji)院設(she)計(ji)所技術員陳浩林告訴記者(zhe)，每次調整主軸承相(xiang)關設(she)計(ji)，數(shu)據都(dou)需要發給國外(wai)廠(chang)商進行驗證，周期長(chang)達2個多(duo)月。

鐵建重工(gong)盾構機主軸(zhou)承(cheng)生產車(che)間(jian)。圖片來源：鐵建重工(gong)

       “時(shi)間久不說，外商每年還會按比例漲(zhang)價。”麻成(cheng)標說，在(zai)攻關8.61米主軸承伊(yi)始，研發團(tuan)隊就下定了決心，“必須(xu)實現自主設計。”

       “我們邊制造、邊摸索(suo)。一個部件造出來了，就用試驗數據反推其設(she)計(ji)方法。”麻(ma)成(cheng)標介紹。

       這無疑是個艱難的(de)過程(cheng)。

       有一次，進程被關(guan)鍵計算公式(shi)卡住。“設計人(ren)員算到頭暈目眩，依(yi)舊對不上(shang)試驗數(shu)據。”陳浩林回憶，大(da)家仿佛走進了(le)一條“死胡同”。

       研(yan)發人員夜以(yi)繼日地(di)研(yan)究，目光最終聚焦到公式(shi)參數(shu)上。4組(zu)參數(shu)，每組(zu)200余種組(zu)合，歷經(jing)800多次(ci)計算調整……在確定(ding)一系列參數(shu)后，計算公式(shi)得以(yi)成(cheng)功論證(zheng)。

       為了分析計算結果(guo)，團隊又利用鐵建(jian)重工多(duo)年積(ji)累的大(da)量施(shi)工經驗與數據，構(gou)建(jian)出仿真模(mo)型。

       “通過理論計算和仿(fang)真分(fen)析(xi)研究，我們成功(gong)開(kai)發出主軸承專用(yong)設計與仿(fang)真軟(ruan)件，實現了‘工程理論計算+模(mo)擬(ni)仿(fang)真分(fen)析(xi)+工況模(mo)擬(ni)試驗+工程應用(yong)驗證’閉環(huan)設計驗證體系(xi)。”陳浩林說。

       在(zai)此基礎上，鐵建(jian)重工(gong)(gong)還搭建(jian)起全(quan)球(qiu)最大(da)的(de)(de)主軸承工(gong)(gong)況模擬(ni)綜合試驗臺(tai)，解(jie)決了大(da)型低速重載主軸承難以(yi)試驗驗證的(de)(de)世(shi)界性難題。

       2023年10月(yue)，國產8.61米(mi)主軸承(cheng)成功下線(xian)，標志著鐵(tie)建重工突破了材料(liao)、工藝(yi)、設計、驗證四大技術難題，實(shi)現了直徑3米(mi)到(dao)8.61米(mi)主軸承(cheng)產品型譜設計制(zhi)造全(quan)覆蓋、全(quan)國產化。

       “黨的二十屆(jie)三中全會提出，‘統(tong)籌強化關鍵核心技術攻(gong)關’和‘強化企業科技創新主體地位’。這讓(rang)大(da)家信心更足、動力更大(da)。”麻成(cheng)標說，“未(wei)來(lai)，我們將(jiang)立足破解(jie)‘卡(ka)脖子’難題，繼續推進高(gao)端軸承國產化、產業化，把中國制造的名片擦得更亮！”