盾构机是地下工程智能成套装备的“王者”，而主轴承是盾构机的“心脏”。

这颗“心脏”直面盾构机超重载、大偏载、频变载等极端恶劣工况的考验，其材料、设计、制造与试验难度极大，处于大型高端精密轴承产业链最顶端。

2019年7月，中国铁建重工集团股份有限公司（以下简称“铁建重工”）成立197研究设计院，矢志攻克盾构机主轴承关键技术。

四年后，直径8.61米、重62吨，全球直径最大、单体最重、承载最高的盾构机主轴承面世。

这是迄今全球最大直径整体式盾构机主轴承，突破了当前盾构机主轴承研制能力的“天花板”，国产高端地下掘进装备从此有了全系列具备自主知识产权的“中国心”。

日前，在接受科技日报记者采访时，197研究设计院院长麻成标自豪地说：“从材料到工艺再到设计验证，我们实现了超大盾构机主轴承的全过程自主生产，为中国制造再添一枚金牌！”

|| “古剑法练出‘金钟罩’”

在盾构机掘进过程中，8.61米主轴承必须经受住超重载、大偏载、频变载等极端恶劣工况的考验。

材料与工艺，是制造“硬”轴承第一道关卡。

“以主轴承的内齿圈为例，它需要一个洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈层，才能承受住超万吨的载荷。”研发团队制造工艺负责人解金东告诉科技日报记者。

这8毫米圈层，被解金东形象地比喻为内齿圈的“金钟罩”，是主轴承练就压不碎、磨不烂功夫的关键。

轴承钢材料包含20多种配方元素。这些元素互相影响，配比需要精准控制，每次调配都是千分之一量级，解金东说。

研发团队联合钢铁企业，历经数十次技术讨论与测试，终于摸索出适用于大直径主轴承制造的钢材标准。

材料有了，还须突破淬火工艺。

因为体积庞大，通用轴承的整体淬火工艺，无法照搬到8.61米主轴承上，只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均匀性，成为一大难题。

一次偶然的机会，解金东在翻阅相关资料时，从“越王勾践剑”制造工艺——“覆土烧刃”中得到启示：以土为媒介，可完美解决淬火区域温度不均的问题。

“我们用古剑法练出了‘金钟罩’。”麻成标说，研发团队以此为灵感，成功开发出一种新的耐高温介质，温度相互干涉的难题迎刃而解。

|| “何不对砂轮‘动手脚’”

硬度达标了，下一关是精准控制平面度。

“浮动环是主轴承的核心零部件，主轴承的滚子会不断碾压其内壁的高点。”麻成标解释，浮动环的内壁必须足够“平”。

与之前铁建重工研制的直径3米主轴承相比，8.61米主轴承重量增加约8倍，内壁圆域面积增大近9倍。

“但平面度的控制要求却不能降低，仍要小于20微米。这相当于壁面起伏不能超过一张A4纸厚度的五分之一。”麻成标说。

专家们多次现场会诊，终于探明“病因”——用于修整平面度的砂轮，与浮动环长时间、大面积接触摩擦，导致后者受热过高产生变形。

“既然与砂轮接触面大，何不对砂轮‘动手脚’？”有人突发奇想。

研发人员仔细研究砂轮的工作机制与运行轨迹，在调整砂轮形状上下足了功夫。“减少接触面的同时，我们要确保砂轮的运行轨迹覆盖内壁的每一处。”解金东说。

一次次修型调整、测试验证，团队终于设计出一款全新造型的砂轮，成功加工出符合平面度要求的浮动环。
 

|| “用数据反推设计方法”

为适应复杂工况，每一台盾构机都须根据工程要求“量身定制”。这也意味着主轴承要按需打造。

研发人员夜以继日地研究，目光最终聚焦到公式参数上。

“通过理论计算和仿真分析研究，我们成功开发出主轴承专用设计与仿真软件，实现了‘工程理论计算+模拟仿真分析+工况模拟试验+工程应用验证’闭环设计验证体系。”陈浩林说。

在此基础上，铁建重工还搭建起全球最大的主轴承工况模拟综合试验台，解决了大型低速重载主轴承难以试验验证的世界性难题。

麻成标说，“未来，我们将立足破解‘卡脖子’难题，继续推进高端轴承国产化、产业化，把中国制造的名片擦得更亮！”

（来源：科技日报）
 

延伸阅读：
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直径8.61米！

全球最大盾构机主轴承在长沙下线

2023年10月12日，由中国铁建重工集团股份有限公司自主研制的直径8.61米盾构机主轴承在长沙第二产业园下线。
 

// 制造难度如米粒上雕花

这套主轴承由中国铁建重工集团自主研制，可用于驱动18米超大直径盾构机，产品重达62吨，三层楼高，能够承受超万吨级载荷；在直径8米多的滚道平面内，平面度小于20微米，制造难度不亚于在米粒上雕花。

据了解，盾构机主轴承被列入制约中国工业发展的35项“卡脖子”关键技术，是盾构机全产业链自主化的“最后一环”。

如果把盾构机主轴承产业的自主创新比喻为攀登高峰，那么攻克全球超大直径主轴承则好比冲顶珠穆朗玛峰。

为攻破盾构机全产业链全面自主化的薄弱环节，铁建重工联合上下游企业、高等院校展开协同攻关，建成国际领先的盾构机主轴承生产线，已成功研制出3米至7.6米全系列主轴承；打造了全球最大的主轴承工况模拟试验台，解决了大型低速重载主轴承难以试验验证的世界性难题。

// 实现了国产盾构机主轴承“全覆盖”

据中国铁建重工集团首席科学家刘飞香介绍，在产品研制过程中，研制团队从设计、材料、制造、试验等环节多向发力、全面攻关。

研制团队开发了大直径重载主轴承专业计算软件，研制了高性能长寿命轴承钢，打破了主轴承传统材料疲劳寿命瓶颈。

在开展了上千组理论校验和设计优化，分析了上万组检测及试验数据，历经3米至7.6米直径多规格主轴承从无到有的突破，最终实现了8.61米主轴承自主设计从有到优的飞跃。

此外，团队攻克了超大尺寸薄壁环件变形控制、大模数极硬齿加工、复杂型面热处理等核心关键技术，并充分验证了产品适应复杂严苛工况的长寿命服役能力。

直径8.61米盾构机主轴承的成功研制，标志着国产超大直径主轴承研制及产业化能力已跻身世界先进水平。

目前，铁建重工已完成从中小直径到超大直径主轴承的完全自主研制，实现了从直径3米到8.61米主轴承产品型谱的全覆盖、全国产化。