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    分 享 至 手 機

    “為中國制造再添一枚金牌”——全球最大直徑盾構(gòu)機主軸承誕生記

    時間:2024-08-27 08:58:47|來源:科技日報|點擊量:802

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

    直徑18至20米的盾構(gòu)機,可滿足已知工程最大需求。與此相匹配的主軸承直徑規(guī)格為8.61米,此前世界范圍內(nèi)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(shè)計院,矢志攻克這一難關(guān)。

    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(gòu)機主軸承面世。日前,在接受科技日報記者采訪時,197研究設(shè)計院院長麻成標自豪地說:“從材料到工藝再到設(shè)計驗證,我們實現(xiàn)了超大盾構(gòu)機主軸承的全過程自主生產(chǎn),為中國制造再添一枚金牌!”

    “古劍法練出‘金鐘罩’”

    “在盾構(gòu)機掘進過程中,8.61米主軸承必須經(jīng)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(guān)卡。

    “以主軸承的內(nèi)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(fā)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(nèi)齒圈的“金鐘罩”,是主軸承練就壓不碎、磨不爛功夫的關(guān)鍵。然而,當時國內(nèi)常規(guī)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(diào)配都是千分之一量級。

    研發(fā)團隊聯(lián)合鋼鐵企業(yè),歷經(jīng)數(shù)十次技術(shù)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(fā)人員不斷調(diào)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(qū)域溫度相互干涉。

    反復(fù)討論、多輪試驗無果。

    一次偶然的機會,解金東在翻閱相關(guān)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(qū)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(fā)團隊以此為靈感,成功開發(fā)出一種新的耐高溫介質(zhì),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(guān)是精準控制平面度。

    浮動環(huán)是主軸承的核心零部件,主軸承的滾子會不斷碾壓其內(nèi)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(huán)的內(nèi)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(nèi)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。

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

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

    必須設(shè)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(fā)奇想。

    說干就干!研發(fā)人員仔細研究砂輪的工作機制與運行軌跡,在調(diào)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(nèi)壁的每一處。”解金東說。

    一次次修型調(diào)整、測試驗證,團隊終于設(shè)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(huán)。

    砂輪改造只是諸多制造工藝的“冰山一角”。研發(fā)團隊還先后攻克了冷加工、回火、殘應(yīng)力均衡等20余種制造工藝難題,首創(chuàng)“超大尺寸薄壁環(huán)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(shù)。

    “用數(shù)據(jù)反推設(shè)計方法”

    為適應(yīng)復(fù)雜工況,每一臺盾構(gòu)機都須根據(jù)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(shè)計。”197研究設(shè)計院設(shè)計所技術(shù)員陳浩林告訴記者,每次調(diào)整主軸承相關(guān)設(shè)計,數(shù)據(jù)都需要發(fā)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(guān)8.61米主軸承伊始,研發(fā)團隊就下定了決心,“必須實現(xiàn)自主設(shè)計。”

    “我們邊制造、邊摸索。一個部件造出來了,就用試驗數(shù)據(jù)反推其設(shè)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(guān)鍵計算公式卡住。“設(shè)計人員算到頭暈?zāi)垦#琅f對不上試驗數(shù)據(jù)。”陳浩林回憶,大家仿佛走進了一條“死胡同”。

    研發(fā)人員夜以繼日地研究,目光最終聚焦到公式參數(shù)上。4組參數(shù),每組200余種組合,歷經(jīng)800多次計算調(diào)整……在確定一系列參數(shù)后,計算公式得以成功論證。

    為了分析計算結(jié)果,團隊又利用鐵建重工多年積累的大量施工經(jīng)驗與數(shù)據(jù),構(gòu)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(fā)出主軸承專用設(shè)計與仿真軟件,實現(xiàn)了‘工程理論計算+模擬仿真分析+工況模擬試驗+工程應(yīng)用驗證’閉環(huán)設(shè)計驗證體系。”陳浩林說。

    在此基礎(chǔ)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(chǎn)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(shè)計、驗證四大技術(shù)難題,實現(xiàn)了直徑3米到8.61米主軸承產(chǎn)品型譜設(shè)計制造全覆蓋、全國產(chǎn)化。

    “黨的二十屆三中全會提出,‘統(tǒng)籌強化關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)’和‘強化企業(yè)科技創(chuàng)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(xù)推進高端軸承國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化,把中國制造的名片擦得更亮!”(記者 矯陽 孫瑜)

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