2015年10月，工人調(diào)試生產(chǎn)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(zhuǎn)過程的主要載荷，是刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)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(lǐng)域的高科技成果，運用計算機自動控制、工廠化作業(yè)、在線實時監(jiān)測與導向，是集掘進、出渣、運輸、支護于一體的成套設(shè)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(shù)千萬元至兩三億元不等。
“就整機制造能力而言，國產(chǎn)掘進機已接近世界Z先進水平，但Z關(guān)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(huán)境非常惡劣，要承受高速旋轉(zhuǎn)、巨大載荷和強烈溫升。
“掘進機工作的地質(zhì)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(xù)、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(xù)工作產(chǎn)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(shù)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(xiàn)故障，進行現(xiàn)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(jù)介紹，我國掘進機年生產(chǎn)規(guī)模約為450臺，僅進口軸承一項即達近10億元。
尺寸巨大結(jié)構(gòu)Z復雜，制造需要上百道工序
與直徑僅有幾百毫米的傳統(tǒng)滾動軸承相比，掘進機主軸承直徑一般為幾米，是結(jié)構(gòu)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(tǒng)滾動軸承，必須采用螺栓與主機聯(lián)接的方式，這樣就需要安裝孔。”李云峰說，安裝傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的軸承，一般采用通過內(nèi)、外圈與主機部件配合的方式，孔的數(shù)量通常是個位數(shù)。
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(shù)達到600多個。
“這么多的孔，使設(shè)計和加工過程如趟雷區(qū)，務(wù)必時刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰說，如果因設(shè)計人員有一丁點疏忽，在安裝孔的位置圓周基準上出現(xiàn)絲毫錯誤，依圖加工后都會造成大量廢品。
除規(guī)模龐大的孔外，因尺寸原因，掘進機主軸承的截面與節(jié)圓的直徑比，遠小于傳統(tǒng)滾動軸承。“掘進機主軸承套圈屬于薄壁環(huán)構(gòu)件，在重載條件下，難以避免套圈的結(jié)構(gòu)變形，這些都增加了其力學響應(yīng)的復雜性。”李云峰說。
國外現(xiàn)代掘進機實踐已近百年，除原材料的強度遠超國產(chǎn)外，在設(shè)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(shù)據(jù)，還是工程實測數(shù)據(jù)，都非常完善，為其設(shè)計和建模提供了真實而豐富的依據(jù)。”李云峰說。
當前，世界上能研制掘進機主軸承的企業(yè)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(lǐng)域絕大部分市場份額。
據(jù)悉，羅特艾德公司制造的主軸承技術(shù)和工藝水平Z高，其生產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，隧洞設(shè)計的里程和直徑也越來越大，往往要求單個主軸承的設(shè)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(shù)研發(fā)難題。“直徑若超過8米，軸承結(jié)構(gòu)就需要分塊設(shè)計了。”李云峰說。
掌握直徑3米核心技術(shù)，實驗壽命等同國外同類產(chǎn)品
除受材料因素制約外，在設(shè)計和工藝上，國產(chǎn)掘進機主軸承與國外產(chǎn)品都存在很大差距。
“國內(nèi)現(xiàn)有的滾動軸承理論，是基于剛性套圈假設(shè)，不適于分析掘進機主軸承的內(nèi)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(shù)據(jù)都非常匱乏，設(shè)計計算只能輸入估算的載荷，如此設(shè)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(yè)更注重軸承與主機結(jié)構(gòu)的匹配，在設(shè)計時，將軸承視為主機的組成部分，二者協(xié)同進行。
反觀國內(nèi)，軸承與主機的設(shè)計則“各自為政”，相互獨立。“相互不熟悉，主軸承根本無法響應(yīng)主機環(huán)境的力學行為。”李云峰說，要適應(yīng)主機環(huán)境的力學行為，需要十分復雜的動力學模型、工程數(shù)據(jù)和數(shù)值計算平臺，國外軸承設(shè)計的合理性，是通過大量實驗驗證的，并積累了大量工程數(shù)據(jù)，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(fā)展到無軟帶表面淬火，而國內(nèi)還沒有這樣的工藝。”李云峰說，經(jīng)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(qū)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(chǎn)化曙光正在初現(xiàn)。
“我們已開始與國產(chǎn)掘進機領(lǐng)軍企業(yè)——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(nèi)的滾動軸承綜合性研究機構(gòu)，覆蓋基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，擁有盾構(gòu)及掘進技術(shù)（軸承）國家重點實驗室，洛陽軸承研究所正加速實現(xiàn)技術(shù)研發(fā)步伐，目前已掌握直徑3米的主軸承核心技術(shù)，實驗壽命等同國外同類產(chǎn)品，力爭2018年裝機試用。
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