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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