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            系統動態

            我國首臺套盾構機用超大直徑主軸承研制成功

            撰稿: 金屬研究所 發布時間:2022-12-15

              近期,由中國科學院金屬研究所李殿中研究員、李依依院士團隊牽頭攻關的超大型盾構機用直徑8米主軸承研制成功。該主軸承重達41噸,是目前我國制造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構機用主軸承。該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。該主軸承的研制成功,標志著我國已掌握盾構機主軸承的自主設計、材料制備、精密加工、安裝調試和檢測評價等集成技術。經國家軸承質量檢驗檢測中心檢測和專家組評審,認為該主軸承各項技術性能指標與進口同類主軸承相當,滿足超大型盾構機裝機應用需求。

              盾構機是國民經濟建設的重大裝備,承載著穿山越嶺、過江跨海的重任。我國已實現了盾構機的國產化,但其核心部件——主軸承卻依賴進口,亟需打通自主可控制造的“最后一公里”。

              主軸承是盾構機刀盤驅動系統的核心關鍵部件,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。直徑8米的主軸承在運轉過程中承載的最大軸向力達到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,這相當于軸向受到2500頭亞洲象重力的作用)、徑向力達104千牛、傾覆力矩達105千牛·米。為保證主軸承的高承載能力和高可靠性,特別要求制造主軸承的軸承鋼要高純凈、高均質、高強韌、高耐磨,同時對主軸承成套設計、加工精度、潤滑脂等都提出了很高的要求。而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。

              中國科學院于2020年啟動了“高端軸承自主可控制造”戰略性先導科技專項,中國科學院金屬研究所、中國科學院蘭州化學物理研究所等7家院內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、洛陽新強聯回轉支承股份有限公司、山東西王特鋼有限公司、黑龍江建龍北滿特鋼有限公司、山東伊萊特重工有限公司、罕王實業集團有限公司、江蘇力星通用鋼球股份公司、北方重工集團有限公司、沈陽工業大學等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項核心關鍵技術問題,開發出直徑從3米級到8米級的盾構機主軸承共10套。在沈陽市政府的大力推動與支持下,直徑3米的主軸承已在沈陽地鐵工程中成功應用。

              此前,我國盾構機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,全流程技術鏈條不貫通。攻關團隊認為,要制造高純凈、高均質、高強韌、高耐磨的軸承鋼材料,一定要從源頭解決材料制造的問題,他們將目光瞄準了稀土軸承鋼。已有大量研究表明,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。然而,稀土鋼在工業化生產時遭遇兩大難題:一是工藝不順行,存在澆口嚴重堵塞的問題;二是稀土在鋼中添加后,鋼的性能劇烈波動,存在穩定性不好的問題。這兩大難題一直未能有效解決,導致我國稀土鋼的研究與應用由熱變冷。

              為發揮我國稀土資源優勢,解決軸承領域的重大需求,中國科學院金屬研究所團隊歷經十多年的研究,發現稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量。經過大量的實驗、計算和表征,他們揭示了稀土在鋼中的主要作用機制,開發出“低氧稀土鋼”關鍵技術。該團隊通過控制氧含量,制備出性能優越、穩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,滾動接觸疲勞壽命提升40%,相關基礎研究成果于今年發表在國際著名期刊《自然材料》(Nature Materials)上。同時,有效解決了稀土軸承鋼工業生產時遭遇的澆口嚴重堵塞的問題及加入稀土性能不穩定的問題,牽頭制訂了多項稀土鋼標準。目前由相關合作企業生產的稀土軸承鋼綜合力學性能優異,好于進口產品。

              該團隊在攻關過程中,盾構機主軸承技術總師胡小強研究員帶隊深入生產一線,聯合骨干企業成功攻克了主軸承高精度加工和精度保持性難題。研制中發現,我國進口設備由于受國外技術限制,大型滾子加工精度只能達到二級(如:直徑規值≤2.5微米,表面粗糙度:滾動表面≤0.16微米、端面≤0.25微米、圓角≤2.5微米),尚不能實現一級精度加工(如:直徑規值≤1.0微米,表面粗糙度:滾動表面≤0.1微米、端面≤0.125微米、圓角≤1.25微米)。該團隊聯合企業集智攻關,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。與洛陽新強聯股份有限公司密切合作,實現了盾構機主軸承加工制造、裝配調試、檢測評價等全流程自主可控,同時帶動了相關國產裝備的研制。

              按照中科院先導專項管理的有關要求,“高端軸承自主可控制造”先導專項實行“行政指揮線”“技術指揮線”雙線并行的做法。軸承專項的“行政指揮線”負責統籌配套支撐條件和行政管理協調等,全力保障專項實施。除強化制度保障,構建高效協同的管理架構外?!靶姓笓]線”在軸承應用過程中,積極主動與中科院機關、中國交建集團、沈陽市委市政府、北方重工集團、沈陽地鐵集團、中國中鐵一局等政府和企事業單位溝通協調,制定示范應用方案和風險控制預案。此外,“行政指揮線”持續深入探索成果轉化新機制,實踐解決制度保障、轉化模式、激勵機制、體系完善等成果轉化過程中的重點和難點問題,進一步釋放了成果轉化的新動能。

              在“雙線”指揮的同時,為保障和促進重大攻關任務的順利開展,金屬所黨政班子經研究提出了在“雙線”的基礎上建立“黨委保障線”?!包h委保障線”在組織協調方面成立“高端軸承制造臨時黨支部”,牽頭引線促進所內各參研團隊協力集智攻關。在困難時刻成立“李薰大型重載軸承攻關突擊隊”,給攻關團隊打氣鼓勁,傳承和發揚科學家精神。通過三線并行,充分發揮黨組織在國家重大任務攻關中的思想引領、組織協調、后勤保障作用,讓黨旗在科研一線高高飄揚。

              盾構機用超大直徑主軸承的研制成功,為我國高端基礎零部件攻關提供了良好的范式,是“貫通技術鏈、打造創新鏈、對接產業鏈”的積極實踐,是發揮新型舉國體制優勢,開展“政、產、學、研、用”協同創新的生動體現。

            自研超大型盾構機用直徑8米主軸承

            成功應用于沈陽地鐵工程的自研直徑3米盾構機主軸承

              2022年9月30日召開的自研直徑8米主軸承驗收會

            2021年11月裝有自研3米主軸承的盾構機下線儀式

            2022年9月30日參加驗收儀式的專家領導合影

             

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