自研超大型盾構機用直徑8米主軸承。中科院金屬研究所供圖

■本報記者 倪思潔

【資料圖】

穿山越嶺、過江跨海，需要用到一種像穿山甲一樣的挖隧道神器——盾構機。我國作為基建大國，雖然實現了盾構機的國產化，但在盾構機的核心部件——主軸承上卻長期依賴進口。

近期，由中科院金屬研究所李殿中研究員、李依依院士團隊牽頭攻關的超大型盾構機用直徑8米主軸承研制成功。這標志著我國已掌握盾構機主軸承的自主設計、材料制備、精密加工、安裝調試和檢測評價等集成技術。

經國家軸承質量檢驗檢測中心檢測以及相關專家組評審，該主軸承各項技術性能指標與進口同類主軸承相當，滿足超大型盾構機裝機應用需求。

該主軸承重達41噸，在運轉過程中軸向受到相當于2500頭成年亞洲象的重力作用，是目前我國制造的首套直徑最大、單重最大的盾構機用主軸承，將安裝在直徑16米級的超大型盾構機上，用于隧道工程挖掘。

被主軸承“卡”住的盾構機

主軸承是盾構機刀盤驅動系統的核心關鍵部件。在盾構機掘進過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉切削掌子面，并為刀盤提供旋轉支撐。

高端軸承依賴進口是我國軸承行業的長期痛點。“關鍵裝備中用的軸承，大量從國外購買。我們不僅買不到最好的軸承，而且無論在技術服務、供貨周期還是價格方面，都受制于人。”李殿中說。

為什么我國無法生產自己的高端軸承？

李殿中告訴《中國科學報》，大型盾構機在掘進過程中，只能前進，不能倒退，主軸承一旦失效，會造成嚴重損失。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”“高強韌”“高耐磨”。這同時對主軸承成套設計、加工精度、潤滑油脂等都提出了很高的要求。

“我國盾構機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關，全流程技術鏈條不貫通。”李殿中說。

此外，要做自己的高端軸承，還不能復制國外的材料、制造工藝或技術路線。

“復制之后，國外馬上會有一個新的工藝出來。如此一來，你就永遠只能跟著別人跑。”李殿中說。

把稀土鋼變成“殺手锏”

2007年，李殿中、李依依團隊下決心要啃下這塊“硬骨頭”。他們明確了一條原則：“要有自己的‘殺手锏’技術。”

“殺手锏”意味著要有優勢。高端軸承制造最核心的問題是軸承鋼材料。李殿中想到了稀土。

稀土鋼是一種高性能材料，而稀土恰恰是我國的優勢資源。在工業領域，稀土被譽為“工業維生素”。由于稀土鋼材料制備時，1噸鋼里加100克稀土就夠了，所以稀土又被稱為“工業味精”。

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，稀土鋼在工業化生產時遭遇兩大難題：一是工藝不順行，存在澆口嚴重堵塞的問題；二是在鋼中添加稀土后，鋼的性能劇烈波動，存在穩定性不好的問題。

由于這兩大難題一直未能有效解決，我國稀土鋼的研究與應用由熱變冷。

李殿中、李依依團隊當然也面臨著同樣的難題。他們嘗試過各種純度的商業稀土，如999純度的，甚至更高純度的。與此同時，盡管鋼的純度隨著行業的技術進步已經很高了，但兩者結合后生產的稀土鋼，性能還是不穩定。

經過好幾年“折騰”，就在大家幾乎要放棄時，一個靈感突然出現——雖說稀土純度很高，但鋼里的夾雜物有沒有可能還是來自稀土？

通常，鋼中添加的是鑭、鈰輕稀土。李殿中帶著團隊成員，一起去多個稀土產地，走進稀土生產企業調研，盯著看企業怎么生產稀土。

李殿中發現，稀土生產過程中沒有特別注意氧的問題。順藤摸瓜，他們摸到了稀土鋼性能不穩定的線索——稀土里的氧和稀土中由氧產生的夾雜物。

經過大量實驗、計算和表征，他們揭示了稀土在鋼中的主要作用機制，開發出“低氧稀土鋼”關鍵技術。

這套關鍵技術中藏著“秘方”：既控制鋼水的純凈度，又控制稀土的純凈度，稱為“雙低氧”。

經過15年研發，稀土軸承鋼的拉壓疲勞壽命提高了40多倍，滾動接觸疲勞壽命提升了40%。

之后，在對比夾雜物三維形貌和尺寸時，李殿中和李依依等人把自己研制的稀土軸承鋼，以及從國外進口到的最好的軸承鋼，切成試片，進行電解和夾雜物的淘洗、分離，放進掃描電鏡觀察。拍出的照片顯示，稀土軸承鋼里的夾雜物呈現為一粒粒直徑小于5微米的小球，而國外進口的軸承鋼中則為50微米以上的條狀。

做高端軸承不用再跑半個中國

科研人員面臨的另一個問題是怎么把高端材料變成高端軸承。

起初，李殿中等人與國內優勢企業合作研制機床軸承，發現想做一個好的軸承，要“跑遍半個中國”。做一個好軸承有100多道工序，例如，鍛造在廣東，車加工在山東，熱處理在遼寧，磨加工在浙江，組裝在黑龍江、浙江，軸承現場測試又要回到廣東。

國內的軸承加工水平和技術體系也讓人憂心。滾子是盾構機主軸承運轉時承受負荷的元件，也是大型滾子軸承中最薄弱的零件。盾構機主軸承技術總師、中科院金屬研究所研究員胡小強曾帶人專門對滾子的質量和生產情況做過調研分析。他們發現，進口的3米級主軸承里的滾子精度非常高，無論是從粗糙度、硬度均勻性還是接觸面、工作面來看都非常好，而國內由于受國外進口設備限制，大型滾子加工精度只能達到二級，不能實現一級精度加工。

復雜的工藝、薄弱的鏈條，都讓李殿中和胡小強心中不安：“任何一個環節做不好，最后就會導致軸承的服役壽命不長、性能失控。貫通技術鏈，不讓每一個環節掉鏈子十分重要。”

2020年2月，中科院C類先導專項——“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類先導專項是中科院發揮國家戰略科技力量建制化優勢，面向國家重大戰略需求、聚焦“卡脖子”關鍵核心技術領域，啟動設立的重大科技攻關任務。

在先導專項的支持下，中科院金屬研究所整合所內軸承鋼、熱處理、陶瓷、保持架等12個團隊，凝聚中科院蘭州化學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、軸承材料、制造、評價與服役全生命周期的全鏈條團隊。

“我們還匯集了全行業的優勢力量，不管國企、民企，只要動作快、有力量，我們就一起干。”李殿中說。

20多家科研機構和企業各顯神通，主軸承材料制備、精密加工、成套設計中的12項核心關鍵技術問題先后得到解決。他們研制出的直徑100毫米以上的一級滾子，使我國軸承行業突破了一級大型滾子精密加工技術。

軸承研制耗時3年，團隊用1467.4噸稀土軸承鋼研制出41支大型套圈、7996粒滾子、492段銅鋼復合保持架，光焊縫就焊了36.9萬條。

最終，國產的直徑從3米級到8米級的盾構機主軸承逐一誕生。其中，直徑3米的主軸承已應用于沈陽地鐵工程。

回顧數十年的研發歷程，李依依感慨，8米級盾構機主軸承的研制成功得益于基礎研究。“基礎研究在稀土鋼性能提升、滾子精度提升、銅鋼復合保持架研制等方面都發揮了重要作用，而主軸承的研制也進一步帶動了基礎學科的發展。”

“盾構機用超大直徑主軸承的研制成功，為我國高端基礎零部件攻關提供了良好的范式，是‘貫通技術鏈、打造創新鏈、對接產業鏈’的積極實踐，是發揮新型舉國體制優勢、開展‘政產學研用’協同創新的生動體現。”李殿中說。

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