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超大型盾构机有了“中国心”——我国首台套直径8米主轴承研制成功

日期: 2022-12-15
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来源:科技日报


超大型盾构机有了“中国心”!近日,记者从中国科学院获悉,我国成功研制超大型盾构机用直径8米主轴承。该主轴承重达41吨,是目前我国制造的首台套直径最大、单重最大的盾构机用主轴承。

自研超大型盾构机用直径8米主轴承,图片来源:上观新闻

更重要的是,该主轴承顺利通过国家轴承质量检验检测中心检测和专家组评审。专家组评审意见认为,该主轴承各项技术性能指标与进口同类主轴承相当,满足超大型盾构机装机应用需求。

主轴承是“最后一公里”

盾构机,全名叫盾构隧道掘进机,是一种隧道掘进的专用工程机械。一般情况下,我们不会经常看到这个“大国重器”,毕竟它常年在地下工作。

它是基础设施建设的重大装备,承载着穿山越岭、过江跨海的重任。“虽然我国已实现了盾构机的国产化,但其核心部件——主轴承却依赖进口,亟须打通自主可控制造的‘最后一公里’。”中国科学院金属研究所研究员李殿中坦言。

主轴承有盾构机“心脏”之称,是盾构机刀盘驱动系统的关键核心部件。盾构机掘进过程中,主轴承“手持”刀盘旋转切削掌子面并为刀盘提供旋转支撑。

“直径8米的主轴承在运转过程中承载的最大轴向力可达10^5千牛,相当于2500头成年亚洲象的重力。”李殿中说,为保证主轴承的高承载能力和高可靠性,制造主轴承的轴承钢必须要高纯净、高均质、高强韧、高耐磨。这对主轴承成套设计、加工精度、润滑油脂等提出了很高的要求。

李殿中表示,此前,我国盾构机用超大直径主轴承一直未能攻克的主要原因在于:制造轴承的材料和大型滚子的加工精度不过关,全流程技术链条不贯通。

氧含量是关键

攻关团队认为,要制造高纯净、高均质、高强韧、高耐磨的轴承钢材料,一定要从源头解决材料制造的问题,他们将目光瞄准了稀土轴承钢。

已有大量研究表明,钢中添加微量稀土能够显著提高钢的韧塑性、耐磨性、耐热性、耐蚀性等性能。

然而,“稀土钢在工业化生产时遭遇两大难题:一是工艺不顺行,浇铸时经常出现浇口堵塞的问题;二是稀土在钢中添加后,钢的性能剧烈波动,存在稳定性不好的问题。”李殿中指出。

通过长达十余年的机理研究和工业实验,中科院金属所研究团队发现,稀土钢性能波动、铸造时浇口堵塞问题的根源在于氧含量。

“我们发现,不仅钢液中的氧含量影响稀土钢的性能,更为重要的是,长期被学界和产业界忽视的稀土金属中的氧含量,对稀土钢的性能也具有十分重要的影响。”李殿中解释道。

“通过控制氧含量,我们制备出性能优越、稳定性好的低氧稀土钢。”李殿中说,与不加稀土的轴承钢相比,该稀土轴承钢拉压疲劳寿命提高40多倍,滚动接触疲劳寿命提升40%,有效解决了稀土钢工业应用中的瓶颈问题。

滚子也是一道坎

除了轴承钢,要想制造超大直径主轴承,大型滚子加工技术也是一道迈不过去的坎。

滚子是轴承运转时承受负荷的元件,是滚子轴承中最薄弱的零件,它的制造质量对轴承工作性能有很大的影响,是影响轴承使用寿命的主要因素。

“在主轴承研制过程中,我们发现,由于受到国外的技术限制,我国大型滚子加工精度只能达到二级,还不能实现一级精度加工。”中科院金属所研究员胡小强直言。

为此,胡小强带领研究团队深入生产一线,联合企业集智攻关,最终研制出直径100毫米以上的一级滚子,使我国轴承行业突破了一级大型滚子精密加工技术。

自研超大型盾构机用直径8米主轴承验收会,图片来源:上观新闻

“通过与洛阳新强联股份有限公司等企业密切合作,我们实现了盾构机主轴承加工制造、装配调试、检测评价等全流程自主可控,同时带动了相关国产装备的研制。”胡小强说。

未来,新研制的主轴承将安装在直径16米级的超大型盾构机上,用于隧道工程挖掘。“该主轴承的研制成功,标志着我国已掌握盾构机主轴承的自主设计、材料制备、精密加工、安装调试和检测评价等集成技术。”李殿中说。



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