突破稀土钢应用瓶颈我国首台套盾构机用超大直径主轴承研制成功

  记者12月15日获悉，近期，由中国科学院金属研究所李殿中研究员、李依依院士团队牵头攻关的超大型盾构机用直径8米主轴承研制成功。主轴承重达41吨，是目前我国制造的首台套直径最大、单重最大的盾构机用主轴承。该主轴承将安装在直径16米级的超大型盾构机上，用于隧道工程挖掘。

  该主轴承的研制成功，标志着我国已掌握盾构机主轴承的自主设计、材料制备、精密加工、安装调试和检测评价等集成技术。

  盾构机是基础设施建设的重大装备，承载着穿山越岭、过江跨海的重任。我国已实现了盾构机的国产化，但其核心部件——主轴承却依赖进口。“我国高端轴承的市场，主要被国外品牌占据，在采购、技术、供货周期与价格等方面受制于人，亟需打通自主可控制造的‘最后一公里’。”

  据李殿中介绍，主轴承是盾构机刀盘驱动系统的核心核心部件，盾构机掘进过程中，主轴承“手持”刀盘旋转切削掌子面，并为刀盘提供旋转支撑。直径8米的主轴承相当于约50人围坐的圆桌那么大，在运转过程中承载的最大轴向力达到105千牛。“1千牛约等于0.1吨物体的重力，一头成年亚洲象的体重按4吨算的线头亚洲象重力的作用。”

  为保证主轴承的高承载能力和高可靠性，特别要求制造主轴承的轴承钢要高纯净、高均质、高强韧、高耐磨，同时对主轴承成套设计、加工精度、润滑油脂等都提出了很高的要求。而大型盾构机在掘进过程中，只能前进，不能倒退，主轴承一旦失效，会导致非常严重损失。

  中国科学院于2020年启动了“高端轴承自主可控制造”战略性先导科技专项，中国科学院金属研究所、中国科学院兰州化学物理研究所等7家院内科研单位组成建制化团队，联合中国交通建设集团有限公司的中交天和机械设备制造有限公司、洛阳新强联回转支承股份有限公司等20余家单位做协同攻关，先后解决了主轴承材料制备、精密加工、成套设计中的12项核心关键技术问题，开发出直径从3米级到8米级的盾构机主轴承共10套。

  此前，我国盾构机用超大直径主轴承制造久而未决的根本原因在于制造轴承的材料和零件的加工精度不过关，全流程技术链条不贯通。

  攻关团队认为，要制造高纯净、高均质、高强韧、高耐磨的轴承钢材料，一定要从源头解决材料制造的问题，他们将目光瞄准了稀土轴承钢。稀土并不是土，而是镧系元素和钪、钇共17种金属元素的总称，其拥有“工业维生素”的美称，已有大量研究表明，钢中添加微量稀土能够明显提高钢的韧塑性、耐磨性、耐热性、耐蚀性等。

  “稀土是我国优势资源，我们该利用好稀土资源，做好稀土钢，使我们的材料赶上甚至超越国外。”李殿中说。然而，稀土钢在工业化生产时遭遇两大难题，一是工艺不顺行，存在浇口严重堵塞的问题；二是稀土在钢中添加后，钢的性能剧烈波动，存在稳定性不好的问题。这两大难题一直未能有效解决，导致我国稀土钢的研究与应用由热变冷。

  上世纪50年代初，金属所和国内其他科研院所就慢慢的开始了稀土钢的研究，李殿中团队是金属所第四代做稀土钢的研究人员。“当时我们觉得，此前加入稀土后钢的稳定性不高是因为上世纪的钢不够纯，而稀土又太活跃，马上会和钢里的氧、硫、磷等杂质发生反应。如今我国的钢铁行业进步非常快，认为再次尝试应该能成功。”但让研究人员失望的是，钢的稳定性仍然不好。

  多年的研发过程中，研究人员一次次走到放弃的边缘。但也正是一次次的“折腾”，让他们找到了灵感——钢里的夹杂物好像来自稀土原料。“我们跑遍了稀土产地，到现场盯着看生产的全部过程，这才发现，稀土原料中的氧化物夹杂与钢水的密度接近，所以加到钢中浮不起来也沉不下去，马上会形成大的夹杂物。”就这样，研究人员发现稀土钢性能波动、浇口堵塞问题的根源在于氧含量。

  他们马不停蹄开始研究制备满足钢中需求的纯净稀土。经过大量的实验、计算和表征，他们揭示了稀土在钢中的最大的作用机制，开发出“低氧稀土钢”关键技术。

  团队经过控制氧含量，制备出性能优越、稳定性高的低氧稀土钢，研制出的稀土轴承钢拉压疲劳寿命提高40多倍，滚动接触疲劳寿命提升40%，相关基础研究成果于今年发表在国际著名期刊《自然材料》（Nature Materials）上。

  团队在攻关过程中，盾构机主轴承技术总师胡小强研究员联合骨干企业成功攻克了主轴承高精度加工和精度保持性难题。他们在研制中发现，我国进口设备由于受国外技术限制，大型滚子加工精度只能达到二级，尚不能够实现一级精度加工。团队联合企业集智攻关，研制出直径100毫米以上的一级滚子，使我国轴承行业突破了一级大型滚子精密加工技术。

  目前，3米级盾构机主轴承已经于2021年11月16日通过施工用户验收，2022年4月20日在沈阳地铁施工始发。

  2022年9月，经国家轴承质量检验检测中心检测和专家组评审，认为直径8米主轴承各项技术性能指标与进口同类主轴承相当，满足超大型盾构机装机应用需求。

  盾构机用超大直径主轴承的研制成功，为我国高端基础零部件攻关提供了良好的范式，是发挥新型制优势，开展“政、产、学、研、用”协同创新的生动体现。