《科技日?qǐng)?bào)》頭版頭條專題聚焦鐵建重工科技創(chuàng)新：“為中國(guó)制造再添一枚金牌”——全球最大直徑盾構(gòu)機(jī)主軸承誕生記

8月27日，《科技日?qǐng)?bào)》頭版頭條專題聚焦鐵建重工科技創(chuàng)新：“為中國(guó)制造再添一枚金牌”——全球最大直徑盾構(gòu)機(jī)主軸承誕生記。全文如下：

“為中國(guó)制造再添一枚金牌”

——全球最大直徑盾構(gòu)機(jī)主軸承誕生記

【創(chuàng)新故事】

◎本報(bào)記者 矯 陽(yáng) 孫 瑜

穿山過(guò)河，掘土鑿巖……在大型工程的隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)已成為不可或缺的“神兵利器”。盾構(gòu)機(jī)之所以能“啃”下硬石頭，靠的是主軸承驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)，這也是設(shè)備安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的“命門(mén)”所在。

直徑18至20米的盾構(gòu)機(jī)，可滿足已知工程最大需求，與此相匹配的主軸承直徑規(guī)格為8.61米。2019年7月，中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“鐵建重工”）成立197研究設(shè)計(jì)院，矢志攻克這一難關(guān)。

四年后，直徑8.61米、重62噸，全球直徑最大、單體最重、承載最高的盾構(gòu)機(jī)主軸承面世。日前，在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)，197研究設(shè)計(jì)院院長(zhǎng)麻成標(biāo)自豪地說(shuō)：“從材料到工藝再到設(shè)計(jì)驗(yàn)證，我們實(shí)現(xiàn)了超大盾構(gòu)機(jī)主軸承的全過(guò)程自主生產(chǎn)，為中國(guó)制造再添一枚金牌！”

“古劍法練出‘金鐘罩’”

“在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，8.61米主軸承必須經(jīng)受住超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況的考驗(yàn)?！甭槌蓸?biāo)說(shuō)，“所以，它得足夠‘硬’?！?/p>

材料與工藝，是制造夠“硬”軸承的第一道關(guān)卡。

“以主軸承的內(nèi)齒圈為例，它需要一個(gè)洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈層，才能承受住超萬(wàn)噸的載荷?！毖邪l(fā)團(tuán)隊(duì)制造工藝負(fù)責(zé)人解金東告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

全球最大直徑盾構(gòu)機(jī)主軸承

這8毫米圈層，被解金東形象地比喻為內(nèi)齒圈的“金鐘罩”，是主軸承練就壓不碎、磨不爛功夫的關(guān)鍵。然而，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)常規(guī)的中碳軸承鋼淬火工藝僅能達(dá)到洛氏硬度55、表面淬深5毫米。

“硬度與厚度每提升一個(gè)單位，都‘難于上青天’?！苯饨饢|說(shuō)，軸承鋼材料包含20多種配方元素。這些元素互相影響，配比需要精準(zhǔn)控制，每次調(diào)配都是千分之一量級(jí)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合鋼鐵企業(yè)，歷經(jīng)數(shù)十次技術(shù)討論與測(cè)試，終于摸索出適用于大直徑主軸承制造的鋼材標(biāo)準(zhǔn)。

材料有了，還須突破淬火工藝。

因?yàn)轶w積龐大，通用軸承的整體淬火工藝，無(wú)法照搬到8.61米主軸承上，只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均勻性，成為一大難題。

研發(fā)人員不斷調(diào)整思路，局部淬火、多次淬火……然而，這些方法雖然提高了淬深，卻帶來(lái)新問(wèn)題——局部交叉區(qū)域溫度相互干涉。

反復(fù)討論、多輪試驗(yàn)無(wú)果。

一次偶然的機(jī)會(huì)，解金東在翻閱相關(guān)資料時(shí)，從“越王勾踐劍”制造工藝——“覆土燒刃”中得到啟示：以土為媒介，可完美解決淬火區(qū)域溫度不均的問(wèn)題。

“我們用古劍法練出了‘金鐘罩’?！甭槌蓸?biāo)說(shuō)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)以此為靈感，成功開(kāi)發(fā)出一種新的耐高溫介質(zhì)，溫度相互干涉的難題迎刃而解。

“何不對(duì)砂輪‘動(dòng)手腳’”

硬度達(dá)標(biāo)了，下一關(guān)是精準(zhǔn)控制平面度。

浮動(dòng)環(huán)是主軸承的核心零部件，主軸承的滾子會(huì)不斷碾壓其內(nèi)壁的高點(diǎn)?！伴L(zhǎng)此以往，局部會(huì)被壓壞，造成‘千里之堤潰于蟻穴’?！甭槌蓸?biāo)解釋，浮動(dòng)環(huán)的內(nèi)壁必須足夠“平”。

與之前鐵建重工研制的直徑3米主軸承相比，8.61米主軸承重量增加約8倍，內(nèi)壁圓域面積增大近9倍?！暗矫娑鹊目刂埔髤s不能降低，仍要小于20微米。這相當(dāng)于壁面起伏不能超過(guò)一張A4紙厚度的五分之一?！甭槌蓸?biāo)說(shuō)。

“剛開(kāi)始，我們研制的浮動(dòng)環(huán)始終無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求?！苯饨饢|介紹，由于浮動(dòng)環(huán)厚度薄、面積大，長(zhǎng)時(shí)間加工調(diào)整其平面度后，原本曲率均勻的大圓環(huán)猶如一盤(pán)“甩面”，出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的扭曲。

專家們多次現(xiàn)場(chǎng)會(huì)診，終于探明“病因”——用于修整平面度的砂輪，與浮動(dòng)環(huán)長(zhǎng)時(shí)間、大面積接觸摩擦，導(dǎo)致后者受熱過(guò)高產(chǎn)生變形。

必須設(shè)法降低溫度！噴水冷卻、變一次加工為多次加工……多種方式均告失敗。

“既然與砂輪接觸面大，何不對(duì)砂輪‘動(dòng)手腳’？”有人突發(fā)奇想。

說(shuō)干就干！研發(fā)人員仔細(xì)研究砂輪的工作機(jī)制與運(yùn)行軌跡，在調(diào)整砂輪形狀上下足了功夫?！皽p少接觸面的同時(shí)，我們要確保砂輪的運(yùn)行軌跡覆蓋內(nèi)壁的每一處?！苯饨饢|說(shuō)。

一次次修型調(diào)整、測(cè)試驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)終于設(shè)計(jì)出一款全新造型的砂輪，成功加工出符合平面度要求的浮動(dòng)環(huán)。

砂輪改造只是諸多制造工藝的“冰山一角”。研發(fā)團(tuán)隊(duì)還先后攻克了冷加工、回火、殘應(yīng)力均衡等20余種制造工藝難題，首創(chuàng)“超大尺寸薄壁環(huán)件淬火后變形控制”“高精密磨削加工”“高淬硬齒面硬銑”等技術(shù)。

“用數(shù)據(jù)反推設(shè)計(jì)方法”

為適應(yīng)復(fù)雜工況，每一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)都須根據(jù)工程要求“量身定制”。這也意味著主軸承要按需打造。

“此前，我們能造主軸承，卻不能設(shè)計(jì)。”197研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)所技術(shù)員陳浩林告訴記者，每次調(diào)整主軸承相關(guān)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)都需要發(fā)給國(guó)外廠商進(jìn)行驗(yàn)證，周期長(zhǎng)達(dá)2個(gè)多月。

“時(shí)間久不說(shuō)，外商每年還會(huì)按比例漲價(jià)。”麻成標(biāo)說(shuō)，在攻關(guān)8.61米主軸承伊始，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就下定了決心，“必須實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)。”

“我們邊制造、邊摸索。一個(gè)部件造出來(lái)了，就用試驗(yàn)數(shù)據(jù)反推其設(shè)計(jì)方法。”麻成標(biāo)介紹。

這無(wú)疑是個(gè)艱難的過(guò)程。

全球最大盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)基地

有一次，進(jìn)程被關(guān)鍵計(jì)算公式卡住。“設(shè)計(jì)人員算到頭暈?zāi)垦?，依舊對(duì)不上試驗(yàn)數(shù)據(jù)?！标惡屏只貞?，大家仿佛走進(jìn)了一條“死胡同”。

研發(fā)人員夜以繼日地研究，目光最終聚焦到公式參數(shù)上。4組參數(shù)，每組200余種組合，歷經(jīng)800多次計(jì)算調(diào)整……在確定一系列參數(shù)后，計(jì)算公式得以成功論證。

為了分析計(jì)算結(jié)果，團(tuán)隊(duì)又利用鐵建重工多年積累的大量施工經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，構(gòu)建出仿真模型。

“通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析研究，我們成功開(kāi)發(fā)出主軸承專用設(shè)計(jì)與仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了‘工程理論計(jì)算+模擬仿真分析+工況模擬試驗(yàn)+工程應(yīng)用驗(yàn)證’閉環(huán)設(shè)計(jì)驗(yàn)證體系。”陳浩林說(shuō)。

在此基礎(chǔ)上，鐵建重工還搭建起全球最大的主軸承工況模擬綜合試驗(yàn)臺(tái)，解決了大型低速重載主軸承難以試驗(yàn)驗(yàn)證的世界性難題。

全球最大直徑盾構(gòu)機(jī)主軸承下線現(xiàn)場(chǎng)

2023年10月，國(guó)產(chǎn)8.61米主軸承成功下線，標(biāo)志著鐵建重工突破了材料、工藝、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證四大技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了直徑3米到8.61米主軸承產(chǎn)品型譜設(shè)計(jì)制造全覆蓋、全國(guó)產(chǎn)化。

“黨的二十屆三中全會(huì)提出，‘統(tǒng)籌強(qiáng)化關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)’和‘強(qiáng)化企業(yè)科技創(chuàng)新主體地位’。這讓大家信心更足、動(dòng)力更大。”麻成標(biāo)說(shuō)，“未來(lái)，我們將立足破解‘卡脖子’難題，繼續(xù)推進(jìn)高端軸承國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化，把中國(guó)制造的名片擦得更亮！”

內(nèi)容來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》

供稿、編輯：黨委工作部

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