2015年10月，工人調試生產大型掘進機。

 

       主軸承，有全斷面隧道掘進機（簡稱掘進機）的“心臟”之稱，承擔著掘進機運轉過程的主要載荷，是刀盤驅動系統的關鍵部件，工作所處狀況十分惡劣。

 

       掘進機采用液壓、機械和電氣等諸多領域的高科技成果，運用計算機自動控制、工廠化作業、在線實時監測與導向，是集掘進、出渣、運輸、支護于一體的成套設備，長度由幾十米到200多米，總重量可達幾百噸至5000多噸，是當前地下空間施工Z先進的裝備。每臺價值從數千萬元至兩三億元不等。

 

     “就整機制造能力而言，國產掘進機已接近世界Z先進水平，但Z關鍵的主軸承全部依賴進口。”中國鐵建重工集團中央研究總院梅勇兵博士告訴科技日報記者。

 

      承受巨大載荷和強烈溫升

 

      掘進機主軸承工作環境非常惡劣，要承受高速旋轉、巨大載荷和強烈溫升。

 

      “掘進機工作的地質具有未知和突變的特點，加上刀盤滾刀破巖時的突變載荷，使得主軸承必須承受住持續、突變和各個方向的載荷。”洛陽軸承研究所有限公司李云峰博士說。

 

       以直徑15米掘進機為例，整機重4500噸，主軸承所在主機重2800噸，軸承連接的前部刀盤就達520噸；掘進機動力來自28組千斤頂，Z大推力達22500噸，掘進速度Z大每分鐘5厘米。“要傳送這樣大的推力，掘進機需配備7米大直徑的主軸承，滾動體沿圓周滾動的線速度為220米/分鐘。”李云峰說。

 

       在地下密閉的工作空間，主軸承還因長時間連續工作產生摩擦熱，溫度從20攝氏度Z高升至120攝氏度。

 

      “巨大載荷和強烈的溫升，不僅極大地降低了軸承材料的剛度，也使其強度大幅退化。”李云峰認為，這種工況，對掘進機主軸承的可靠性指標要求十分嚴苛。

 

        因技術含量高，單個主軸承成本約占掘進機的1/20左右，是掘進機所有零件中Z值錢的。

 

        “在既定施工段，若掘進機主軸承出現故障，進行現場維修或更換極為困難，甚至不可行。”梅勇兵說，這要求主軸承不能出任何故障，掘進機制造商寧愿出高價，選擇配置高可靠性的國外知名品牌主軸承。

 

        據介紹，我國掘進機年生產規模約為450臺，僅進口軸承一項即達近10億元。

 

        尺寸巨大結構Z復雜，制造需要上百道工序

 

        與直徑僅有幾百毫米的傳統滾動軸承相比，掘進機主軸承直徑一般為幾米，是結構Z復雜的一種軸承，制造需要上百道工序，主要由套圈、滾子和保持架3部分組成。

 

        “掘進機主軸承尺寸龐大，在安裝方式上迥異于傳統滾動軸承，必須采用螺栓與主機聯接的方式，這樣就需要安裝孔。”李云峰說，安裝傳統應用領域的軸承，一般采用通過內、外圈與主機部件配合的方式，孔的數量通常是個位數。

 

        以直徑6.34米掘進機配套主軸承為例，其直徑3米，有20個安裝孔、40個注油孔、20個連接孔和10個定位孔，整套軸承零件總數達到600多個。

 

        “這么多的孔，使設計和加工過程如趟雷區，務必時刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰說，如果因設計人員有一丁點疏忽，在安裝孔的位置圓周基準上出現絲毫錯誤，依圖加工后都會造成大量廢品。

 

        除規模龐大的孔外，因尺寸原因，掘進機主軸承的截面與節圓的直徑比，遠小于傳統滾動軸承。“掘進機主軸承套圈屬于薄壁環構件，在重載條件下，難以避免套圈的結構變形，這些都增加了其力學響應的復雜性。”李云峰說。

 

        國外現代掘進機實踐已近百年，除原材料的強度遠超國產外，在設計和工藝上更具超強的實力。“無論是主軸承工作載荷的確切理論數據，還是工程實測數據，都非常完善，為其設計和建模提供了真實而豐富的依據。”李云峰說。

 

        當前，世界上能研制掘進機主軸承的企業僅四家，分別是德國的羅特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中，羅特艾德占有全球全斷面隧道掘進機領域絕大部分市場份額。

 

        據悉，羅特艾德公司制造的主軸承技術和工藝水平Z高，其生產的主軸承直徑已突破7米多，裝配于多臺14米直徑的掘進機，掘進隧道長度累計已超過50公里。

 

        隨著隧道建造技術的發展，隧洞設計的里程和直徑也越來越大，往往要求單個主軸承的設計壽命達20公里以上，軸承直徑6米以上，從而進一步加大了掘進機主軸承的技術研發難題。“直徑若超過8米，軸承結構就需要分塊設計了。”李云峰說。

 

         掌握直徑3米核心技術，實驗壽命等同國外同類產品

 

         除受材料因素制約外，在設計和工藝上，國產掘進機主軸承與國外產品都存在很大差距。

 

         “國內現有的滾動軸承理論，是基于剛性套圈假設，不適于分析掘進機主軸承的內部受力狀況。”洛陽軸承研究所有限公司董事長王景華說，我國掘進機制造歷史僅十余年，所有數據都非常匱乏，設計計算只能輸入估算的載荷，如此設計的軸承難以匹配實際的工況。

 

        王景華還介紹說，國外知名軸承企業更注重軸承與主機結構的匹配，在設計時，將軸承視為主機的組成部分，二者協同進行。

 

        反觀國內，軸承與主機的設計則“各自為政”，相互獨立。“相互不熟悉，主軸承根本無法響應主機環境的力學行為。”李云峰說，要適應主機環境的力學行為，需要十分復雜的動力學模型、工程數據和數值計算平臺，國外軸承設計的合理性，是通過大量實驗驗證的，并積累了大量工程數據，這些方面在我國幾乎全是空白。

 

        說到掘進機主軸承的制造工藝，李云峰羅列出包括機加工工藝、熱處理工藝和焊接工藝等因素。“國外的熱處理工藝已發展到無軟帶表面淬火，而國內還沒有這樣的工藝。”李云峰說，經無軟帶表面淬火處理，主軸承的滾道表面會全部硬化。如此，因重載造成的軟帶區域塑形、變形和過早疲勞剝落等故障隱患，都將徹底消除。

 

        掘進機主軸承國產化曙光正在初現。

 

        “我們已開始與國產掘進機領軍企業——鐵建重工緊密合作，率先開展了掘進機主軸承的研究工作。”王景華透露，作為國內的滾動軸承綜合性研究機構，覆蓋基礎及應用研究，擁有盾構及掘進技術（軸承）國家重點實驗室，洛陽軸承研究所正加速實現技術研發步伐，目前已掌握直徑3米的主軸承核心技術，實驗壽命等同國外同類產品，力爭2018年裝機試用。