【解放日报】我国首台盾构机用直径8米主轴承研制成功,是此前盾构机唯一未国产化核心部件
来源:解放日报 黄海华【字号:大 中 小】
盾构机是国民经济建设的重要装备,承载着穿山越岭、过江跨海的重任。如果把盾构机刀盘的驱动系统比作“手掌”,主轴承就像手掌的“掌心”,是盾构机中唯一未国产化的核心关键部件,亟须打通自主可控制造的“最后一公里”。
近期,由中国科学院金属研究所李殿中研究员、李依依院士团队牵头攻关的直径8米、重达41吨的盾构机用主轴承研制成功,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。经国家轴承质量检验检测中心检测和专家组评审,该主轴承各项技术性能指标与进口同类主轴承相当。
“下一个目标是突破30公里”
高端轴承攸关国民经济建设安全,代表一个国家基础零部件制造水平。国外企业一直占据我国高端轴承市场,这也使得我国在高端轴承的采购、技术、供货周期与价格等方面受制于人。
2020年,中国科学院启动了“高端轴承自主可控制造”战略性先导科技专项。此前,我国盾构机用超大直径主轴承制造久而未决的主要原因在于: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。就拿直径8米的主轴承来说,它在运转过程中承载的最大轴向力高达105千牛,1千牛约等于0.1吨物体的重力,105千牛相当于轴向受到2500头成年亚洲象重力的作用。这就要求制造轴承的材料高纯净、高均质、高强韧、高耐磨。
“我们不能总是复制国外的材料和制造工艺,而要有自己的‘杀手锏’技术。”轴承先导专项负责人李殿中说。为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。稀土是中国的优势战略性资源,有“工业维生素”的美称。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。然而,稀土钢在工业化生产时遭遇了两大难题:一是工艺不顺畅,浇口容易堵塞;二是稀土在钢中添加后,钢的性能会剧烈波动。这两大难题一直未能有效解决,导致稀土钢的应用“受到冷落”。
“一直以来,我们都觉得是稀土钢的加工工艺不够好,但后来用了纯度很高的商业稀土,性能还是不稳定。就在快要放弃时,我们猜测钢的夹杂物来自原材料。于是到包头、赣州等稀土产地去调研,盯着看他们怎么生产。”李殿中说。就这样,在前期15年的研究基础上,团队发现了“氧含量过多”的问题,开发出“低氧稀土钢”关键技术,研制出的稀土钢拉压疲劳寿命提高40多倍,滚动接触疲劳寿命提升40%,相关成果于今年发表在国际著名期刊《自然材料》上。稀土钢在工业化生产时的两大难题也迎刃而解,由西王特钢、建龙北满特钢等合作企业生产的稀土轴承钢综合力学性能优异,好于进口产品。
由于受国外技术限制,我国进口的主轴承大型滚子加工精度只能达到二级,不能实现一级精度加工。先导专项盾构机主轴承研制技术总师、中科院金属所研究员胡小强带队深入生产一线,联合企业研制出直径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。
“一个小小的轴承有100多道主要工序,由于此前全流程技术链条不贯通,要做一个好的轴承,需要跑遍半个中国。”李殿中说,比如在广东锻造钢材,加工要转移到山东,在辽宁或江苏热处理,再在浙江进行精密磨加工,装配组装又要转移到黑龙江,最后运到广东做现场测试。
研究团队与洛阳新强联股份有限公司密切合作,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。
“直径8米的盾构机用主轴承服役寿命约1万小时,意味着里程数至少可以达到10公里,我们的下一个目标是突破30公里。”李殿中说。
一次有益探索
盾构机有个特点,它在掘进过程中,只能前进不能倒退。主轴承一旦失效,就会造成严重损失。研究团队正是以“一扎到底、勇毅前行”的决心,攻坚克难,实现了从0到1的创新。
中科院金属所高级工程师封少波介绍,他们在施工现场采用了全水淬的新技术,一开始合作企业的技术人员说,风险太大不敢做。他们反复交流,具体细化到怎么操作,每个步骤多长时间,最终实现了全水淬的新工艺。现场技术人员感叹说,这个新工艺确实好,操作这么多年都没有达到过这个水平。
“这是一次对新型举国体制下科技攻关高效组织模式的有益探索。”中科院金属所所长左良说。在精准分析高端轴承全产业链的痛点、难点和堵点基础上,研究团队重点在创新链前端和核心关键技术环节发力,协同40余家科研院所和优势企业开展联合攻关,研究队伍超过500人,用3年时间解决了三类典型轴承严重依赖进口的问题。他们开发出直径3米级到8米级的盾构机主轴承共10套,其中直径3米的主轴承已在沈阳地铁工程中成功应用。
大家憋着一股劲想把这件事做成,但怎么让不同研究方向、不同科研部门的人员朝一个方向使劲?中科院金属所党委书记、副所长徐岩介绍,研究团队成立了“高端轴承制造临时党支部”。在项目进展最艰难的时候,又组建了以金属所首任所长李薰先生命名的攻关突击队,以“使命驱动”促进关键核心技术的攻关。有的科研人员深入车间一驻就是几个月,不分昼夜跟现场工人吃住在一起;有的队员孩子刚出生没几天就重返企业一线;今年年初沈阳疫情严重,科研骨干都吃住在实验室,实行封闭式管理。
(责任编辑:江澄)
© 1996 - 中国科学院 版权所有 联系我们 地址:北京市三里河路52号 邮编:100864
京ICP备05002857号-1 京公网安备110402500047号 网站标识码bm48000002