亟待攻克的核心技术

本报记者 矫 阳

    主轴承，有全断面隧道掘进机（简称掘进机）的“心脏”之称，承担着掘进机运转过程的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件，工作所处状况十分恶劣。

    掘进机采用液压、机械和电气等诸多领域的高科技成果，运用计算机自动控制、工厂化作业、在线实时监测与导向，是集掘进、出渣、运输、支护于一体的成套设备，长度由几十米到200多米，总重量可达几百吨至5000多吨，是当前地下空间施工最先进的装备。每台价值从数千万元至两三亿元不等。

    “就整机制造能力而言，国产掘进机已接近世界最先进水平，但最关键的主轴承全部依赖进口。”中国铁建重工集团中央研究总院梅勇兵博士告诉科技日报记者。

    承受巨大载荷和强烈温升

    掘进机主轴承工作环境非常恶劣，要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。

    “掘进机工作的地质具有未知和突变的特点，加上刀盘滚刀破岩时的突变载荷，使得主轴承必须承受住持续、突变和各个方向的载荷。”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博士说。

    以直径15米掘进机为例，整机重4500吨，主轴承所在主机重2800吨，轴承连接的前部刀盘就达520吨；掘进机动力来自28组千斤顶，最大推力达22500吨，掘进速度最大每分钟5厘米。“要传送这样大的推力，掘进机需配备7米大直径的主轴承，滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟。”李云峰说。

    在地下密闭的工作空间，主轴承还因长时间连续工作产生摩擦热，温度从20摄氏度最高升至120摄氏度。

    “巨大载荷和强烈的温升，不仅极大地降低了轴承材料的刚度，也使其强度大幅退化。”李云峰认为，这种工况，对掘进机主轴承的可靠性指标要求十分严苛。

    因技术含量高，单个主轴承成本约占掘进机的1/20左右，是掘进机所有零件中最值钱的。

    “在既定施工段，若掘进机主轴承出现故障，进行现场维修或更换极为困难，甚至不可行。”梅勇兵说，这要求主轴承不能出任何故障，掘进机制造商宁愿出高价，选择配置高可靠性的国外知名品牌主轴承。

    据介绍，我国掘进机年生产规模约为450台，仅进口轴承一项即达近10亿元。

    尺寸巨大结构最复杂，制造需要上百道工序

    与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比，掘进机主轴承直径一般为几米，是结构最复杂的一种轴承，制造需要上百道工序，主要由套圈、滚子和保持架3部分组成。

    “掘进机主轴承尺寸庞大，在安装方式上迥异于传统滚动轴承，必须采用螺栓与主机联接的方式，这样就需要安装孔。”李云峰说，安装传统应用领域的轴承，一般采用通过内、外圈与主机部件配合的方式，孔的数量通常是个位数。

    以直径6.34米掘进机配套主轴承为例，其直径3米，有20个安装孔、40个注油孔、20个连接孔和10个定位孔，整套轴承零件总数达到600多个。

    “这么多的孔，使设计和加工过程如趟雷区，务必时刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰说，如果因设计人员有一丁点疏忽，在安装孔的位置圆周基准上出现丝毫错误，依图加工后都会造成大量废品。

    除规模庞大的孔外，因尺寸原因，掘进机主轴承的截面与节圆的直径比，远小于传统滚动轴承。“掘进机主轴承套圈属于薄壁环构件，在重载条件下，难以避免套圈的结构变形，这些都增加了其力学响应的复杂性。”李云峰说。

    国外现代掘进机实践已近百年，除原材料的强度远超国产外，在设计和工艺上更具超强的实力。“无论是主轴承工作载荷的确切理论数据，还是工程实测数据，都非常完善，为其设计和建模提供了真实而丰富的依据。”李云峰说。

    当前，世界上能研制掘进机主轴承的企业仅四家，分别是德国的罗特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中，罗特艾德占有全球全断面隧道掘进机领域绝大部分市场份额。

    据悉，罗特艾德公司制造的主轴承技术和工艺水平最高，其生产的主轴承直径已突破7米多，装配于多台14米直径的掘进机，掘进隧道长度累计已超过50公里。

    随着隧道建造技术的发展，隧洞设计的里程和直径也越来越大，往往要求单个主轴承的设计寿命达20公里以上，轴承直径6米以上，从而进一步加大了掘进机主轴承的技术研发难题。“直径若超过8米，轴承结构就需要分块设计了。”李云峰说。

    掌握直径3米核心技术，实验寿命等同国外同类产品

    除受材料因素制约外，在设计和工艺上，国产掘进机主轴承与国外产品都存在很大差距。

    “国内现有的滚动轴承理论，是基于刚性套圈假设，不适于分析掘进机主轴承的内部受力状况。”洛阳轴承研究所有限公司董事长王景华说，我国掘进机制造历史仅十余年，所有数据都非常匮乏，设计计算只能输入估算的载荷，如此设计的轴承难以匹配实际的工况。

    王景华还介绍说，国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配，在设计时，将轴承视为主机的组成部分，二者协同进行。

    反观国内，轴承与主机的设计则“各自为政”，相互独立。“相互不熟悉，主轴承根本无法响应主机环境的力学行为。”李云峰说，要适应主机环境的力学行为，需要十分复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平台，国外轴承设计的合理性，是通过大量实验验证的，并积累了大量工程数据，这些方面在我国几乎全是空白。

    说到掘进机主轴承的制造工艺，李云峰罗列出包括机加工工艺、热处理工艺和焊接工艺等因素。“国外的热处理工艺已发展到无软带表面淬火，而国内还没有这样的工艺。”李云峰说，经无软带表面淬火处理，主轴承的滚道表面会全部硬化。如此，因重载造成的软带区域塑形、变形和过早疲劳剥落等故障隐患，都将彻底消除。

    掘进机主轴承国产化曙光正在初现。

    “我们已开始与国产掘进机领军企业——铁建重工紧密合作，率先开展了掘进机主轴承的研究工作。”王景华透露，作为国内唯一的滚动轴承综合性研究机构，覆盖基础及应用研究，拥有盾构及掘进技术（轴承）国家重点实验室，洛阳轴承研究所正加速实现技术研发步伐，目前已掌握直径3米的主轴承核心技术，实验寿命等同国外同类产品，力争2018年装机试用。