近期，由中國科學(xué)院金屬研究所研究員李殿中、中科院院士李依依團(tuán)隊牽頭攻關(guān)的超大型盾構(gòu)機用直徑8米主軸承研制成功。該主軸承重達(dá)41噸，是目前我國制造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構(gòu)機用主軸承。該主軸承將安裝在直徑16米級的超大型盾構(gòu)機上，用于隧道工程挖掘。該主軸承的研制成功，標(biāo)志著我國已掌握盾構(gòu)機主軸承的自主設(shè)計、材料制備、精密加工、安裝調(diào)試和檢測評價等集成技術(shù)。經(jīng)國家軸承質(zhì)量檢驗檢測中心檢測和專家組評審，認(rèn)為該主軸承各項技術(shù)性能指標(biāo)與進(jìn)口同類主軸承相當(dāng)，滿足超大型盾構(gòu)機裝機應(yīng)用需求。

　　盾構(gòu)機是國民經(jīng)濟建設(shè)的重大裝備，承載著穿山越嶺、過江跨海的重任。我國已實現(xiàn)了盾構(gòu)機的國產(chǎn)化，但其核心部件——主軸承卻依賴進(jìn)口，亟需打通自主可控制造的“最后一公里”。

　　主軸承是盾構(gòu)機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉(zhuǎn)切削掌子面并為刀盤提供旋轉(zhuǎn)支撐。直徑8米的主軸承在運轉(zhuǎn)過程中承載的最大軸向力達(dá)到10⁵千牛（一頭成年亞洲象的體重按4噸算的話，這相當(dāng)于軸向受到約2500頭亞洲象重力的作用）、徑向力達(dá)10⁴千牛、傾覆力矩達(dá)10⁵千?！っ住楸ＷC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(zhì)、高強韌、高耐磨，同時對主軸承成套設(shè)計、加工精度、潤滑脂等都提出了很高要求。大型盾構(gòu)機在掘進(jìn)過程中，只能前進(jìn)，不能倒退，主軸承一旦失效，會造成嚴(yán)重?fù)p失。

　　中國科學(xué)院于2020年啟動了“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，中科院金屬研究所、中科院蘭州化學(xué)物理研究所等7家院內(nèi)科研單位組成建制化團(tuán)隊，聯(lián)合中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司的中交天和機械設(shè)備制造有限公司、洛陽新強聯(lián)回轉(zhuǎn)支承股份有限公司等20余家單位進(jìn)行協(xié)同攻關(guān)，先后解決了主軸承材料制備、精密加工、成套設(shè)計中的12項核心關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)出直徑3米級到8米級的盾構(gòu)機主軸承共10套。在沈陽市政府大力推動與支持下，直徑3米的主軸承已在沈陽地鐵工程中成功應(yīng)用。

　　此前，我國盾構(gòu)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(guān)，全流程技術(shù)鏈條不貫通。攻關(guān)團(tuán)隊認(rèn)為，要制造高純凈、高均質(zhì)、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(zhǔn)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(yè)化生產(chǎn)時遭遇兩大難題：一是工藝不順行，存在澆口嚴(yán)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(wěn)定性不好的問題。這兩大難題一直未能有效解決，導(dǎo)致我國稀土鋼的研究與應(yīng)用由熱變冷。

　　為發(fā)揮我國稀土資源優(yōu)勢，解決軸承領(lǐng)域的重大需求，中科院金屬研究所團(tuán)隊歷經(jīng)十多年的研究，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量。經(jīng)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(fā)出“低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)。該團(tuán)隊通過控制氧含量，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)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(guān)基礎(chǔ)研究成果于今年發(fā)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(yè)生產(chǎn)時遭遇的澆口嚴(yán)重堵塞問題及加入稀土性能不穩(wěn)定問題，牽頭制訂了多項稀土鋼標(biāo)準(zhǔn)。目前由相關(guān)合作企業(yè)生產(chǎn)的稀土軸承鋼綜合力學(xué)性能優(yōu)異，好于進(jìn)口產(chǎn)品。

　　該團(tuán)隊在攻關(guān)過程中，盾構(gòu)機主軸承技術(shù)總師胡小強帶隊深入生產(chǎn)一線，聯(lián)合骨干企業(yè)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(fā)現(xiàn)，我國進(jìn)口設(shè)備由于受國外技術(shù)限制，大型滾子加工精度只能達(dá)到二級，尚不能實現(xiàn)一級精度加工。該團(tuán)隊聯(lián)合企業(yè)集智攻關(guān)，研制出直徑100毫米以上的一級滾子，使我國軸承行業(yè)突破了一級大型滾子精密加工技術(shù)。與洛陽新強聯(lián)股份有限公司密切合作，實現(xiàn)了盾構(gòu)機主軸承加工制造、裝配調(diào)試、檢測評價等全流程自主可控，同時帶動了相關(guān)國產(chǎn)裝備的研制。

　　盾構(gòu)機用超大直徑主軸承的研制成功，為我國高端基礎(chǔ)零部件攻關(guān)提供了良好范式，是“貫通技術(shù)鏈、打造創(chuàng)新鏈、對接產(chǎn)業(yè)鏈”的積極實踐，是發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，開展“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新的生動體現(xiàn)。

自研超大型盾構(gòu)機用直徑8米主軸承

成功應(yīng)用于沈陽地鐵工程的自研直徑3米盾構(gòu)機主軸承

自研的直徑8米主軸承驗收會（于2022年9月30日召開）