北京日报客户端 | 记者 刘苏雅

12月15日，记者从中国科学院金属研究所获悉，由该所研究员李殿中、中国科学院院士李依依团队牵头攻关的超大型盾构机用直径8米主轴承研制成功。该主轴承是目前我国制造的首台套直径最大、单重最大的盾构机用主轴承，将安装在自主研发的国产直径16米级超大型盾构机上。

15年攻关突破关键难题

(资料图)

航空发动机、盾构机、高档数控机床等高端装备都离不开轴承。目前我国虽已实现了盾构机的国产化，但其刀盘驱动系统的核心关键部件——主轴承却仍依赖进口。在盾构机掘进过程中，主轴承“手持”刀盘，旋转切削开挖工作面并为刀盘提供旋转支撑。其工作时转速十分缓慢，每分钟不足3转，这就意味着在此过程中，直径8米的主轴承运转时的最大轴向力将达到10万千牛，径向力达1万千牛，倾覆力矩达10万千牛·米。

“如果一头成年亚洲象的体重是4吨，那主轴承的轴向最大会受到相当于2500头亚洲象体重的作用力。”李殿中比喻道，8米直径的主轴承已是最大的直径等级，重达41吨。而更重要的是，主轴承一旦装入盾构机开始挖掘，就不能“开倒车”。“盾构机只能前进，不能后退，一旦轴承失效，损失将是巨大的。”

这样的高承载能力和高可靠性标准，就要求制造主轴承的轴承钢要高纯净、高均质、高强韧、高耐磨，同时对主轴承成套设计、加工精度、润滑脂等都提出了很高的要求。

中国科学院于2020年启动了“高端轴承自主可控制造”战略性科技先导专项，中国科学院金属研究所、中国科学院兰州化学物理研究所等7家科研单位组成建制化团队，联合中交集团的中交天和机械设备制造有限公司、洛阳新强联回转支承股份有限公司等20余家单位协同攻关。

此前，在轴承的研制上，我国一直面临着两个主要问题——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。而要想有所突破，就要从源头的材料制造问题解决起，于是，研究团队把目光瞄准了稀土轴承钢。

已有的大量研究表明，在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。“我们也把稀土叫作‘工业维生素’，1吨稀土钢中稀土只需要100余克。”作为轴承先导专项负责人，李殿中介绍，稀土是我国的优势战略性资源，但此前关于稀土钢的研究与应用屡屡受挫。钢水中加入稀土后，很容易出现浇口严重堵塞，且会导致钢的性能剧烈波动，稳定性不佳。

中科院金属所研究团队历时15年，终于找到了这个问题的答案——氧含量。只要将稀土钢和稀土金属中的氧含量降低，其性能就格外稳定。“低氧稀土钢”关键技术让稀土轴承钢拉压疲劳寿命提高40多倍，滚动接触疲劳寿命提升40%。借助这项技术，国内企业已制造出数千万套高品质轴承。

产品多项指标表现优异

不过，只靠优质的稀土轴承钢还不够，轴承的加工精度、润滑脂材料、轴承热处理等问题也至关重要。

由于加工设备的限制，此前我国大型滚子的加工精度只能达到二级，与标准更加严格的一级精度加工相比仍有差距。盾构机主轴承研制技术总师、中科院金属所研究员胡小强联合企业开展攻关，使我国轴承行业突破了一级大型滚子精密加工技术，并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。

轴承的稳定运行离不开良好的润滑材料。中科院兰州化学物理研究所通过核心添加剂的结构设计与可控制备技术的开发，形成了自主的主轴承润滑油脂的配比和组合组成，并开发出在冲击载荷下仍然能保持良好润滑，使滚子磨损量较小的润滑油脂。

“我们团队是做材料出身，但在盾构机主轴承的研制过程中，我们跳出了科研‘舒适圈’，完成了从‘会做什么’向‘该做什么’的转变。料要成材，材要成器，器要好用。”李殿中说，通过多学科团队和企业联合协同攻关，团队打破了材料和机械制造的行业壁垒，“主轴承的成功研制和应用，是国内技术和装备能力的集中体现。”

目前，8米级主轴承是我国首台套直径最大、单重最大的盾构机用主轴承。其多项指标优于国外同类产品，材料内部一种非金属夹杂物的含量仅为十万分之几，相较进口产品降低了一个数量级；稀土钢材料的夹杂物细小圆整，尺寸小于进口轴承钢，疲劳强度也比进口产品提升了100兆帕以上。

国家轴承质量检验检测中心检测和专家组评审认为，该主轴承各项技术性能指标与进口同类主轴承相当，满足超大型盾构机装机应用需求。该主轴承的研制成功，标志着我国已掌握盾构机主轴承的自主设计、材料制备、精密加工、安装调试和检测评价等集成技术。

目前先导专项已先后解决了主轴承材料制备、精密加工、成套设计中的12项核心关键技术问题，开发出直径3米级到8米级的盾构机主轴承共10套。此前，直径3米级盾构机主轴承已安装在北方重工集团生产的盾构机上，2022年4月已在沈阳地铁工程成功应用。后续，8米级主轴承将安装在直径16米级的超大型盾构机上，用于隧道工程挖掘。

关键词： 中国科学院 加工精度 中科院金属所