8月27日，《科技日報》頭版頭條專題聚焦鐵建重工科技創新：“為中國製造再添一枚金牌”——全球最大直徑盾構機主軸承誕生記。全文如下：
“為中國製造再添一枚金牌”
——全球最大直徑盾構機主軸承誕生記
【創新故事】
◎本報記者 矯 陽 孫 瑜
穿山過河，掘土鑿岩……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。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，矢誌攻克這一難關。
四年後，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麵世。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，為中國製造再添一枚金牌！”
“古劍法練出‘金鍾罩’”
“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，是製造夠“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於58、厚度不低於8毫米的圈層，才能承受住超萬噸的載荷。”研發團隊製造工藝負責人解金東告訴科技日報記者。
全球最大直徑盾構機主軸承
這8毫米圈層，被解金東形象地比喻為內齒圈的“金鍾罩”，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、表麵淬深5毫米。
“硬度與厚度每提升一個單位，都‘難於上青天’。”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，配比需要精準控製，每次調配都是千分之一量級。
研發團隊聯合鋼鐵企業，曆經數十次技術討論與測試，終於摸索出適用於大直徑主軸承製造的鋼材標準。
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，隻能采用表麵淬火。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幹涉。
反複討論、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”製造工藝——“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‘金鍾罩’。”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，溫度相互幹涉的難題迎刃而解。
“何不對砂輪‘動手腳’”
硬度達標了，下一關是精準控製平麵度。
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‘千裏之堤潰於蟻穴’。”麻成標解釋，浮動環的內壁必須足夠“平”。
與之前鐵建重工研製的直徑3米主軸承相比，8.61米主軸承重量增加約8倍，內壁圓域麵積增大近9倍。“但平麵度的控製要求卻不能降低，仍要小於20微米。這相當於壁麵起伏不能超過一張A4紙厚度的五分之一。”麻成標說。
“剛開始，我們研製的浮動環始終無法滿足設計要求。”解金東介紹，由於浮動環厚度薄、麵積大，長時間加工調整其平麵度後，原本曲率均勻的大圓環猶如一盤“甩麵”，出現了肉眼可見的扭曲。
專家們多次現場會診，終於探明“病因”——用於修整平麵度的砂輪，與浮動環長時間、大麵積接觸摩擦，導致後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。
“既然與砂輪接觸麵大，何不對砂輪‘動手腳’？”有人突發奇想。
說幹就幹！研發人員仔細研究砂輪的工作機製與運行軌跡，在調整砂輪形狀上下足了功夫。“減少接觸麵的同時，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，團隊終於設計出一款全新造型的砂輪，成功加工出符合平麵度要求的浮動環。
砂輪改造隻是諸多製造工藝的“冰山一角”。研發團隊還先後攻克了冷加工、回火、殘應力均衡等20餘種製造工藝難題，首創“超大尺寸薄壁環件淬火後變形控製”“高精密磨削加工”“高淬硬齒麵硬銑”等技術。
“用數據反推設計方法”
為適應複雜工況，每一台盾構機都須根據工程要求“量身定製”。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。
“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。”
“我們邊製造、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。
全球最大盾構機生產基地
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餘種組合，曆經800多次計算調整……在確定一係列參數後，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’閉環設計驗證體係。”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台，解決了大型低速重載主軸承難以試驗驗證的世界性難題。
全球最大直徑盾構機主軸承下線現場
2023年10月，國產8.61米主軸承成功下線，標誌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製造全覆蓋、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，把中國製造的名片擦得更亮！”
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