穿山過河，掘土鑿巖……在大型工程的隧道施工中，盾構機已成為不可或缺的“神兵利器”。盾構機之所以能“啃”下硬石頭，靠的是主軸承驅動刀盤，這也是設備安全可靠運轉的“命門”所在。

       直徑18至20米的盾構機，可滿足已知工程最大需求。與此相匹配的主軸承直徑規格為8.61米，此前世界范圍內尚無研制先例。2019年7月，中國鐵建重工集團股份有限公司（以下簡稱“鐵建重工”）成立197研究設計院，矢志攻克這一難關。

       四年后，直徑8.61米、重62噸，全球直徑最大、單體最重、承載最高的盾構機主軸承面世。日前，在接受科技日報記者采訪時，197研究設計院院長麻成標自豪地說：“從材料到工藝再到設計驗證，我們實現了超大盾構機主軸承的全過程自主生產，為中國制造再添一枚金牌！”

2023年10月，全球最大直徑盾構機主軸承在鐵建重工下線。圖片來源：鐵建重工

       “古劍法練出‘金鐘罩’”

       “在盾構機掘進過程中，8.61米主軸承必須經受住超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況的考驗。”麻成標說，“所以，它得足夠‘硬’。”

       材料與工藝，是制造夠“硬”軸承的第一道關卡。

       “以主軸承的內齒圈為例，它需要一個洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈層，才能承受住超萬噸的載荷。”研發團隊制造工藝負責人解金東告訴科技日報記者。

       這8毫米圈層，被解金東形象地比喻為內齒圈的“金鐘罩”，是主軸承練就壓不碎、磨不爛功夫的關鍵。然而，當時國內常規的中碳軸承鋼淬火工藝僅能達到洛氏硬度55、表面淬深5毫米。

       “硬度與厚度每提升一個單位，都‘難于上青天’。”解金東說，軸承鋼材料包含20多種配方元素。這些元素互相影響，配比需要精準控制，每次調配都是千分之一量級。

       研發團隊聯合鋼鐵企業，歷經數十次技術討論與測試，終于摸索出適用于大直徑主軸承制造的鋼材標準。

       材料有了，還須突破淬火工藝。

       因為體積龐大，通用軸承的整體淬火工藝，無法照搬到8.61米主軸承上，只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均勻性，成為一大難題。

       研發人員不斷調整思路，局部淬火、多次淬火……然而，這些方法雖然提高了淬深，卻帶來新問題——局部交叉區域溫度相互干涉。

       反復討論、多輪試驗無果。

       一次偶然的機會，解金東在翻閱相關資料時，從“越王勾踐劍”制造工藝——“覆土燒刃”中得到啟示：以土為媒介，可完美解決淬火區域溫度不均的問題。

       “我們用古劍法練出了‘金鐘罩’。”麻成標說，研發團隊以此為靈感，成功開發出一種新的耐高溫介質，溫度相互干涉的難題迎刃而解。

       “何不對砂輪‘動手腳’”

       硬度達標了，下一關是精準控制平面度。

       浮動環是主軸承的核心零部件，主軸承的滾子會不斷碾壓其內壁的高點。“長此以往，局部會被壓壞，造成‘千里之堤潰于蟻穴’。”麻成標解釋，浮動環的內壁必須足夠“平”。

       與之前鐵建重工研制的直徑3米主軸承相比，8.61米主軸承重量增加約8倍，內壁圓域面積增大近9倍。“但平面度的控制要求卻不能降低，仍要小于20微米。這相當于壁面起伏不能超過一張A4紙厚度的五分之一。”麻成標說。

       2023年10月，全球最大直徑盾構機主軸承在鐵建重工下線。圖片來源：鐵建重工

       “剛開始，我們研制的浮動環始終無法滿足設計要求。”解金東介紹，由于浮動環厚度薄、面積大，長時間加工調整其平面度后，原本曲率均勻的大圓環猶如一盤“甩面”，出現了肉眼可見的扭曲。

       專家們多次現場會診，終于探明“病因”——用于修整平面度的砂輪，與浮動環長時間、大面積接觸摩擦，導致后者受熱過高產生變形。

       必須設法降低溫度！噴水冷卻、變一次加工為多次加工……多種方式均告失敗。

       “既然與砂輪接觸面大，何不對砂輪‘動手腳’？”有人突發奇想。

       說干就干！研發人員仔細研究砂輪的工作機制與運行軌跡，在調整砂輪形狀上下足了功夫。“減少接觸面的同時，我們要確保砂輪的運行軌跡覆蓋內壁的每一處。”解金東說。

       一次次修型調整、測試驗證，團隊終于設計出一款全新造型的砂輪，成功加工出符合平面度要求的浮動環。

       砂輪改造只是諸多制造工藝的“冰山一角”。研發團隊還先后攻克了冷加工、回火、殘應力均衡等20余種制造工藝難題，首創“超大尺寸薄壁環件淬火后變形控制”“高精密磨削加工”“高淬硬齒面硬銑”等技術。

       “用數據反推設計方法”

       為適應復雜工況，每一臺盾構機都須根據工程要求“量身定制”。這也意味著主軸承要按需打造。

       “此前，我們能造主軸承，卻不能設計。”197研究設計院設計所技術員陳浩林告訴記者，每次調整主軸承相關設計，數據都需要發給國外廠商進行驗證，周期長達2個多月。

鐵建重工盾構機主軸承生產車間。圖片來源：鐵建重工

       “時間久不說，外商每年還會按比例漲價。”麻成標說，在攻關8.61米主軸承伊始，研發團隊就下定了決心，“必須實現自主設計。”

       “我們邊制造、邊摸索。一個部件造出來了，就用試驗數據反推其設計方法。”麻成標介紹。

       這無疑是個艱難的過程。

       有一次，進程被關鍵計算公式卡住。“設計人員算到頭暈目眩，依舊對不上試驗數據。”陳浩林回憶，大家仿佛走進了一條“死胡同”。

       研發人員夜以繼日地研究，目光最終聚焦到公式參數上。4組參數，每組200余種組合，歷經800多次計算調整……在確定一系列參數后，計算公式得以成功論證。

       為了分析計算結果，團隊又利用鐵建重工多年積累的大量施工經驗與數據，構建出仿真模型。

       “通過理論計算和仿真分析研究，我們成功開發出主軸承專用設計與仿真軟件，實現了‘工程理論計算+模擬仿真分析+工況模擬試驗+工程應用驗證’閉環設計驗證體系。”陳浩林說。

       在此基礎上，鐵建重工還搭建起全球最大的主軸承工況模擬綜合試驗臺，解決了大型低速重載主軸承難以試驗驗證的世界性難題。

       2023年10月，國產8.61米主軸承成功下線，標志著鐵建重工突破了材料、工藝、設計、驗證四大技術難題，實現了直徑3米到8.61米主軸承產品型譜設計制造全覆蓋、全國產化。

       “黨的二十屆三中全會提出，‘統籌強化關鍵核心技術攻關’和‘強化企業科技創新主體地位’。這讓大家信心更足、動力更大。”麻成標說，“未來，我們將立足破解‘卡脖子’難題，繼續推進高端軸承國產化、產業化，把中國制造的名片擦得更亮！”