中國掘進機接近世界最先進水準 但主軸承全部靠進口

科技日報記者 矯 陽

主軸承，有全斷面隧道掘進機（簡稱掘進機）的“心髒”之稱，承擔著掘進機運轉過程的主要載荷，是刀盤驅動系統的關鍵部件，工作所處狀況十分惡劣。

掘進機採用液壓、機械和電氣等諸多領域的高科技成果，運用電腦自動控制、工廠化作業、在線實時監測與導向，是集掘進、出渣、運輸、支護於一體的成套設備，長度由幾十米到200多米，總重量可達幾百噸至5000多噸，是當前地下太空施工最先進的裝備。每台價值從數千萬元至兩三億元不等。

“就整機制造能力而言，國產掘進機已接近世界最先進水準，但最關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境非常惡劣，要承受高速旋轉、巨大載荷和強烈溫升。

“掘進機工作的地質具有未知和突變的特點，加上刀盤滾刀破岩時的突變載荷，使得主軸承必須承受住持續、突變和各個方向的載荷。”洛陽軸承研究所有限公司李雲峰博士說。

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，最大推力達22500噸，掘進速度最大每分鐘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。”李雲峰說。

在地下密閉的工作太空，主軸承還因長時間連續工作產生摩擦熱，溫度從20攝氏度最高升至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。”李雲峰認為，這種工況，對掘進機主軸承的可靠性指標要求十分嚴苛。

因技術含量高，單個主軸承成本約佔掘進機的1/20左右，是掘進機所有零件中最值錢的。

“在既定施工段，若掘進機主軸承出現故障，進行現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，掘進機制造商寧願出高價，選擇配置高可靠性的國外知名品牌主軸承。

據介紹，我國掘進機年生產規模約為450台，僅進口軸承一項即達近10億元。

尺寸巨大結構最複雜

與直徑僅有幾百毫米的傳統滾動軸承相比，掘進機主軸承直徑一般為幾米，是結構最複雜的一種軸承，製造需要上百道工序，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，在安裝方式上迥異於傳統滾動軸承，必須採用螺栓與主機聯接的方式，這樣就需要安裝孔。”李雲峰說，安裝傳統應用領域的軸承，一般採用通過內、外圈與主機部件配合的方式，孔的數量通常是個位數。

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，整套軸承零件總數達到600多個。

“這麽多的孔，使設計和加工過程如趟雷區，務必時刻保持高度小心，避免相互干涉。”李雲峰說，如果因設計人員有一丁點疏忽，在安裝孔的位置圓周基準上出現絲毫錯誤，依圖加工後都會造成大量廢品。

除規模龐大的孔外，因尺寸原因，掘進機主軸承的截面與節圓的直徑比，遠小於傳統滾動軸承。“掘進機主軸承套圈屬於薄壁環構件，在重載條件下，難以避免套圈的結構變形，這些都增加了其力學響應的複雜性。”李雲峰說。

國外現代掘進機實踐已近百年，除原材料的強度遠超國產外，在設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據，還是工程實測數據，都非常完善，為其設計和建模提供了真實而豐富的依據。”李雲峰說。

當前，世界上能研製掘進機主軸承的企業僅四家，分別是德國的羅特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中，羅特艾德佔有全球全斷面隧道掘進機領域絕大部分市場份額。

據悉，羅特艾德公司製造的主軸承技術和工藝水準最高，其生產的主軸承直徑已突破7米多，裝配於多台14米直徑的掘進機，掘進隧道長度累計已超過50公里。

隨著隧道建造技術的發展，隧洞設計的裡程和直徑也越來越大，往往要求單個主軸承的設計壽命達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研發難題。“直徑若超過8米，軸承結構就需要分塊設計了。”李雲峰說。

掌握直徑3米核心技術

除受材料因素製約外，在設計和工藝上，國產掘進機主軸承與國外產品都存在很大差距。

“國內現有的滾動軸承理論，是基於剛性套圈假設，不適於分析掘進機主軸承的內部受力狀況。”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餘年，所有數據都非常匱乏，設計計算只能輸入估算的載荷，如此設計的軸承難以匹配實際的工況。

王景華還介紹說，國外知名軸承企業更注重軸承與主機結構的匹配，在設計時，將軸承視為主機的組成部分，二者協同進行。

反觀國內，軸承與主機的設計則“各自為政”，相互獨立。“相互不熟悉，主軸承根本無法響應主機環境的力學行為。”李雲峰說，要適應主機環境的力學行為，需要十分複雜的動力學模型、工程數據和數值計算平台，國外軸承設計的合理性，是通過大量實驗驗證的，並積累了大量工程數據，這些方面在我國幾乎全是空白。

說到掘進機主軸承的製造工藝，李雲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展到無軟帶表面淬火，而國內還沒有這樣的工藝。”李雲峰說，經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。

掘進機主軸承國產化曙光正在初現。

“我們已開始與國產掘進機領軍企業——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，作為國內唯一的滾動軸承綜合性研究機構，覆蓋基礎及應用研究，擁有盾構及掘進技術（軸承）國家重點實驗室，洛陽軸承研究所正加速實現技術研發步伐，目前已掌握直徑3米的主軸承核心技術，實驗壽命等同國外同類產品，力爭2018年裝機試用。

來源：科技日報

編輯：左常睿

審核：王小龍