自研超大型盾構(gòu)機(jī)用直徑8米主軸承。中科院金屬研究所供圖
■本報(bào)記者 倪思潔
【資料圖】
穿山越嶺、過(guò)江跨海，需要用到一種像穿山甲一樣的挖隧道神器——盾構(gòu)機(jī)。我國(guó)作為基建大國(guó)，雖然實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，但在盾構(gòu)機(jī)的核心部件——主軸承上卻長(zhǎng)期依賴(lài)進(jìn)口。
近期，由中科院金屬研究所李殿中研究員、李依依院士團(tuán)隊(duì)牽頭攻關(guān)的超大型盾構(gòu)機(jī)用直徑8米主軸承研制成功。這標(biāo)志著我國(guó)已掌握盾構(gòu)機(jī)主軸承的自主設(shè)計(jì)、材料制備、精密加工、安裝調(diào)試和檢測(cè)評(píng)價(jià)等集成技術(shù)。
經(jīng)國(guó)家軸承質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心檢測(cè)以及相關(guān)專(zhuān)家組評(píng)審，該主軸承各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)與進(jìn)口同類(lèi)主軸承相當(dāng)，滿足超大型盾構(gòu)機(jī)裝機(jī)應(yīng)用需求。
該主軸承重達(dá)41噸，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中軸向受到相當(dāng)于2500頭成年亞洲象的重力作用，是目前我國(guó)制造的首套直徑最大、單重最大的盾構(gòu)機(jī)用主軸承，將安裝在直徑16米級(jí)的超大型盾構(gòu)機(jī)上，用于隧道工程挖掘。
被主軸承“卡”住的盾構(gòu)機(jī)
主軸承是盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，主軸承“手持”刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削掌子面，并為刀盤(pán)提供旋轉(zhuǎn)支撐。
高端軸承依賴(lài)進(jìn)口是我國(guó)軸承行業(yè)的長(zhǎng)期痛點(diǎn)。“關(guān)鍵裝備中用的軸承，大量從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)。我們不僅買(mǎi)不到最好的軸承，而且無(wú)論在技術(shù)服務(wù)、供貨周期還是價(jià)格方面，都受制于人。”李殿中說(shuō)。
為什么我國(guó)無(wú)法生產(chǎn)自己的高端軸承？
李殿中告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，大型盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，只能前進(jìn)，不能倒退，主軸承一旦失效，會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失。為保證主軸承的高承載能力和高可靠性，制造主軸承的軸承鋼要做到“高純凈”“高均質(zhì)”“高強(qiáng)韌”“高耐磨”。這同時(shí)對(duì)主軸承成套設(shè)計(jì)、加工精度、潤(rùn)滑油脂等都提出了很高的要求。
“我國(guó)盾構(gòu)機(jī)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(guò)關(guān)，全流程技術(shù)鏈條不貫通。”李殿中說(shuō)。
此外，要做自己的高端軸承，還不能復(fù)制國(guó)外的材料、制造工藝或技術(shù)路線。
“復(fù)制之后，國(guó)外馬上會(huì)有一個(gè)新的工藝出來(lái)。如此一來(lái)，你就永遠(yuǎn)只能跟著別人跑。”李殿中說(shuō)。
把稀土鋼變成“殺手锏”
2007年，李殿中、李依依團(tuán)隊(duì)下決心要啃下這塊“硬骨頭”。他們明確了一條原則：“要有自己的‘殺手锏’技術(shù)。”
“殺手锏”意味著要有優(yōu)勢(shì)。高端軸承制造最核心的問(wèn)題是軸承鋼材料。李殿中想到了稀土。
稀土鋼是一種高性能材料，而稀土恰恰是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)資源。在工業(yè)領(lǐng)域，稀土被譽(yù)為“工業(yè)維生素”。由于稀土鋼材料制備時(shí)，1噸鋼里加100克稀土就夠了，所以稀土又被稱(chēng)為“工業(yè)味精”。
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(shí)遭遇兩大難題：一是工藝不順行，存在澆口嚴(yán)重堵塞的問(wèn)題；二是在鋼中添加稀土后，鋼的性能劇烈波動(dòng)，存在穩(wěn)定性不好的問(wèn)題。
由于這兩大難題一直未能有效解決，我國(guó)稀土鋼的研究與應(yīng)用由熱變冷。
李殿中、李依依團(tuán)隊(duì)當(dāng)然也面臨著同樣的難題。他們嘗試過(guò)各種純度的商業(yè)稀土，如999純度的，甚至更高純度的。與此同時(shí)，盡管鋼的純度隨著行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)很高了，但兩者結(jié)合后生產(chǎn)的稀土鋼，性能還是不穩(wěn)定。
經(jīng)過(guò)好幾年“折騰”，就在大家?guī)缀跻艞墪r(shí)，一個(gè)靈感突然出現(xiàn)——雖說(shuō)稀土純度很高，但鋼里的夾雜物有沒(méi)有可能還是來(lái)自稀土？
通常，鋼中添加的是鑭、鈰輕稀土。李殿中帶著團(tuán)隊(duì)成員，一起去多個(gè)稀土產(chǎn)地，走進(jìn)稀土生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研，盯著看企業(yè)怎么生產(chǎn)稀土。
李殿中發(fā)現(xiàn)，稀土生產(chǎn)過(guò)程中沒(méi)有特別注意氧的問(wèn)題。順藤摸瓜，他們摸到了稀土鋼性能不穩(wěn)定的線索——稀土里的氧和稀土中由氧產(chǎn)生的夾雜物。
經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和表征，他們揭示了稀土在鋼中的主要作用機(jī)制，開(kāi)發(fā)出“低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)。
這套關(guān)鍵技術(shù)中藏著“秘方”：既控制鋼水的純凈度，又控制稀土的純凈度，稱(chēng)為“雙低氧”。
經(jīng)過(guò)15年研發(fā)，稀土軸承鋼的拉壓疲勞壽命提高了40多倍，滾動(dòng)接觸疲勞壽命提升了40%。
之后，在對(duì)比夾雜物三維形貌和尺寸時(shí)，李殿中和李依依等人把自己研制的稀土軸承鋼，以及從國(guó)外進(jìn)口到的最好的軸承鋼，切成試片，進(jìn)行電解和夾雜物的淘洗、分離，放進(jìn)掃描電鏡觀察。拍出的照片顯示，稀土軸承鋼里的夾雜物呈現(xiàn)為一粒粒直徑小于5微米的小球，而國(guó)外進(jìn)口的軸承鋼中則為50微米以上的條狀。
做高端軸承不用再跑半個(gè)中國(guó)
科研人員面臨的另一個(gè)問(wèn)題是怎么把高端材料變成高端軸承。
起初，李殿中等人與國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)企業(yè)合作研制機(jī)床軸承，發(fā)現(xiàn)想做一個(gè)好的軸承，要“跑遍半個(gè)中國(guó)”。做一個(gè)好軸承有100多道工序，例如，鍛造在廣東，車(chē)加工在山東，熱處理在遼寧，磨加工在浙江，組裝在黑龍江、浙江，軸承現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試又要回到廣東。
國(guó)內(nèi)的軸承加工水平和技術(shù)體系也讓人憂心。滾子是盾構(gòu)機(jī)主軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受負(fù)荷的元件，也是大型滾子軸承中最薄弱的零件。盾構(gòu)機(jī)主軸承技術(shù)總師、中科院金屬研究所研究員胡小強(qiáng)曾帶人專(zhuān)門(mén)對(duì)滾子的質(zhì)量和生產(chǎn)情況做過(guò)調(diào)研分析。他們發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口的3米級(jí)主軸承里的滾子精度非常高，無(wú)論是從粗糙度、硬度均勻性還是接觸面、工作面來(lái)看都非常好，而國(guó)內(nèi)由于受?chē)?guó)外進(jìn)口設(shè)備限制，大型滾子加工精度只能達(dá)到二級(jí)，不能實(shí)現(xiàn)一級(jí)精度加工。
復(fù)雜的工藝、薄弱的鏈條，都讓李殿中和胡小強(qiáng)心中不安：“任何一個(gè)環(huán)節(jié)做不好，最后就會(huì)導(dǎo)致軸承的服役壽命不長(zhǎng)、性能失控。貫通技術(shù)鏈，不讓每一個(gè)環(huán)節(jié)掉鏈子十分重要。”
2020年2月，中科院C類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)——“高端軸承自主可控制造”獲批成立。這讓科研人員吃下了“定心丸”。
C類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)是中科院發(fā)揮國(guó)家戰(zhàn)略科技力量建制化優(yōu)勢(shì)，面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求、聚焦“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域，啟動(dòng)設(shè)立的重大科技攻關(guān)任務(wù)。
在先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的支持下，中科院金屬研究所整合所內(nèi)軸承鋼、熱處理、陶瓷、保持架等12個(gè)團(tuán)隊(duì)，凝聚中科院蘭州化學(xué)物理研究所等中科院7家研究所的力量，組成了覆蓋軸承研發(fā)、軸承材料、制造、評(píng)價(jià)與服役全生命周期的全鏈條團(tuán)隊(duì)。
“我們還匯集了全行業(yè)的優(yōu)勢(shì)力量，不管?chē)?guó)企、民企，只要?jiǎng)幼骺?、有力量，我們就一起干?rdquo;李殿中說(shuō)。
20多家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)各顯神通，主軸承材料制備、精密加工、成套設(shè)計(jì)中的12項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題先后得到解決。他們研制出的直徑100毫米以上的一級(jí)滾子，使我國(guó)軸承行業(yè)突破了一級(jí)大型滾子精密加工技術(shù)。
軸承研制耗時(shí)3年，團(tuán)隊(duì)用1467.4噸稀土軸承鋼研制出41支大型套圈、7996粒滾子、492段銅鋼復(fù)合保持架，光焊縫就焊了36.9萬(wàn)條。
最終，國(guó)產(chǎn)的直徑從3米級(jí)到8米級(jí)的盾構(gòu)機(jī)主軸承逐一誕生。其中，直徑3米的主軸承已應(yīng)用于沈陽(yáng)地鐵工程。
回顧數(shù)十年的研發(fā)歷程，李依依感慨，8米級(jí)盾構(gòu)機(jī)主軸承的研制成功得益于基礎(chǔ)研究。“基礎(chǔ)研究在稀土鋼性能提升、滾子精度提升、銅鋼復(fù)合保持架研制等方面都發(fā)揮了重要作用，而主軸承的研制也進(jìn)一步帶動(dòng)了基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。”
“盾構(gòu)機(jī)用超大直徑主軸承的研制成功，為我國(guó)高端基礎(chǔ)零部件攻關(guān)提供了良好的范式，是‘貫通技術(shù)鏈、打造創(chuàng)新鏈、對(duì)接產(chǎn)業(yè)鏈’的積極實(shí)踐，是發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)、開(kāi)展‘政產(chǎn)學(xué)研用’協(xié)同創(chuàng)新的生動(dòng)體現(xiàn)。”李殿中說(shuō)。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-12-15 第1版 要聞)標(biāo)簽：
