主軸承，有全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（簡(jiǎn)稱掘進(jìn)機(jī)）的“心臟”之稱，承擔(dān)著掘進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的主要載荷，是刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，工作所處狀況十分惡劣。

掘進(jìn)機(jī)采用液壓、機(jī)械和電氣等諸多領(lǐng)域的高科技成果，運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、工廠化作業(yè)、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與導(dǎo)向，是集掘進(jìn)、出渣、運(yùn)輸、支護(hù)于一體的成套設(shè)備，長(zhǎng)度由幾十米到200多米，總重量可達(dá)幾百噸至0多噸，是當(dāng)前地下空間施工最先進(jìn)的裝備。每臺(tái)價(jià)值從數(shù)千萬(wàn)元至兩三億元不等。

“就整機(jī)制造能力而言，國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)已接近世界最先進(jìn)水平，但最關(guān)鍵的主軸承全部依賴進(jìn)口。”中國(guó)鐵建(9.170, 0.00, 0.00%)重工集團(tuán)中央研究總院梅勇兵博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

承受巨大載荷和強(qiáng)烈溫升

掘進(jìn)機(jī)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(qiáng)烈溫升。

“掘進(jìn)機(jī)工作的地質(zhì)具有未知和突變的特點(diǎn)，加上刀盤(pán)滾刀破巖時(shí)的突變載荷，使得主軸承必須承受住持續(xù)、突變和各個(gè)方向的載荷。”洛陽(yáng)軸承研究所有限公司李云峰博士說(shuō)。

以直徑15米掘進(jìn)機(jī)為例，整機(jī)重4噸，主軸承所在主機(jī)重2800噸，軸承連接的前部刀盤(pán)就達(dá)520噸；掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力來(lái)自28組千斤頂，最大推力達(dá)22噸，掘進(jìn)速度最大每分鐘5厘米。“要傳送這樣大的推力，掘進(jìn)機(jī)需配備7米大直徑的主軸承，滾動(dòng)體沿圓周滾動(dòng)的線速度為220米/分鐘。”李云峰說(shuō)。

在地下密閉的工作空間，主軸承還因長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作產(chǎn)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(qiáng)烈的溫升，不僅極大地降低了軸承材料的剛度，也使其強(qiáng)度大幅退化。”李云峰認(rèn)為，這種工況，對(duì)掘進(jìn)機(jī)主軸承的可靠性指標(biāo)要求十分嚴(yán)苛。

因技術(shù)含量高，單個(gè)主軸承成本約占掘進(jìn)機(jī)的1/20左右，是掘進(jìn)機(jī)所有零件中最值錢(qián)的。

“在既定施工段，若掘進(jìn)機(jī)主軸承出現(xiàn)故障，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修或更換極為困難，甚至不可行。”梅勇兵說(shuō)，這要求主軸承不能出任何故障，掘進(jìn)機(jī)制造商寧愿出高價(jià)，選擇配置高可靠性的國(guó)外知名品牌主軸承。

據(jù)介紹，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)年生產(chǎn)規(guī)模約為450臺(tái)，僅進(jìn)口軸承一項(xiàng)即達(dá)近10億元。

尺寸巨大結(jié)構(gòu)最復(fù)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(dòng)軸承相比，掘進(jìn)機(jī)主軸承直徑一般為幾米，是結(jié)構(gòu)最復(fù)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(jìn)機(jī)主軸承尺寸龐大，在安裝方式上迥異于傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承，必須采用螺栓與主機(jī)聯(lián)接的方式，這樣就需要安裝孔。”李云峰說(shuō)，安裝傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的軸承，一般采用通過(guò)內(nèi)、外圈與主機(jī)部件配合的方式，孔的數(shù)量通常是個(gè)位數(shù)。

以直徑6.34米掘進(jìn)機(jī)配套主軸承為例，其直徑3米，有20個(gè)安裝孔、40個(gè)注油孔、20個(gè)連接孔和10個(gè)定位孔，整套軸承零件總數(shù)達(dá)到多個(gè)。

“這么多的孔，使設(shè)計(jì)和加工過(guò)程如趟雷區(qū)，務(wù)必時(shí)刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰說(shuō)，如果因設(shè)計(jì)人員有一丁點(diǎn)疏忽，在安裝孔的位置圓周基準(zhǔn)上出現(xiàn)絲毫錯(cuò)誤，依圖加工后都會(huì)造成大量廢品。

除規(guī)模龐大的孔外，因尺寸原因，掘進(jìn)機(jī)主軸承的截面與節(jié)圓的直徑比，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承。“掘進(jìn)機(jī)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(xué)響應(yīng)的復(fù)雜性。”李云峰說(shuō)。

國(guó)外現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)實(shí)踐已近百年，除原材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)超國(guó)產(chǎn)外，在設(shè)計(jì)和工藝上更具超強(qiáng)的實(shí)力。“無(wú)論是主軸承工作載荷的確切理論數(shù)據(jù)，還是工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，都非常完善，為其設(shè)計(jì)和建模提供了真實(shí)而豐富的依據(jù)。”李云峰說(shuō)。

當(dāng)前，世界上能研制掘進(jìn)機(jī)主軸承的企業(yè)僅四家，分別是德國(guó)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(jìn)機(jī)領(lǐng)域絕大部分市場(chǎng)份額。

據(jù)悉，羅特艾德公司制造的主軸承技術(shù)和工藝水平最高，其生產(chǎn)的主軸承直徑已突破7米多，裝配于多臺(tái)14米直徑的掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)隧道長(zhǎng)度累計(jì)已超過(guò)50公里。

隨著隧道建造技術(shù)的發(fā)展，隧洞設(shè)計(jì)的里程和直徑也越來(lái)越大，往往要求單個(gè)主軸承的設(shè)計(jì)壽命達(dá)20公里以上，軸承直徑6米以上，從而進(jìn)一步加大了掘進(jìn)機(jī)主軸承的技術(shù)研發(fā)難題。“直徑若超過(guò)8米，軸承結(jié)構(gòu)就需要分塊設(shè)計(jì)了。”李云峰說(shuō)。

掌握直徑3米核心技術(shù)，實(shí)驗(yàn)壽命等同國(guó)外同類產(chǎn)品

除受材料因素制約外，在設(shè)計(jì)和工藝上，國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)主軸承與國(guó)外產(chǎn)品都存在很大差距。

“國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的滾動(dòng)軸承理論，是基于剛性套圈假設(shè)，不適于分析掘進(jìn)機(jī)主軸承的內(nèi)部受力狀況。”洛陽(yáng)軸承研究所有限公司董事長(zhǎng)王景華說(shuō)，我國(guó)掘進(jìn)機(jī)制造歷史僅十余年，所有數(shù)據(jù)都非常匱乏，設(shè)計(jì)計(jì)算只能輸入估算的載荷，如此設(shè)計(jì)的軸承難以匹配實(shí)際的工況。

王景華還介紹說(shuō)，國(guó)外知名軸承企業(yè)更注重軸承與主機(jī)結(jié)構(gòu)的匹配，在設(shè)計(jì)時(shí)，將軸承視為主機(jī)的組成部分，二者協(xié)同進(jìn)行。

反觀國(guó)內(nèi)，軸承與主機(jī)的設(shè)計(jì)則“各自為政”，相互獨(dú)立。“相互不熟悉，主軸承根本無(wú)法響應(yīng)主機(jī)環(huán)境的力學(xué)行為。”李云峰說(shuō)，要適應(yīng)主機(jī)環(huán)境的力學(xué)行為，需要十分復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型、工程數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，國(guó)外軸承設(shè)計(jì)的合理性，是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，并積累了大量工程數(shù)據(jù)，這些方面在我國(guó)幾乎全是空白。

說(shuō)到掘進(jìn)機(jī)主軸承的制造工藝，李云峰羅列出包括機(jī)加工工藝、熱處理工藝和焊接工藝等因素。“國(guó)外的熱處理工藝已發(fā)展到無(wú)軟帶表面淬火，而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這樣的工藝。”李云峰說(shuō)，經(jīng)無(wú)軟帶表面淬火處理，主軸承的滾道表面會(huì)全部硬化。如此，因重載造成的軟帶區(qū)域塑形、變形和過(guò)早疲勞剝落等故障隱患，都將徹底消除。

掘進(jìn)機(jī)主軸承國(guó)產(chǎn)化曙光正在初現(xiàn)。

“我們已開(kāi)始與國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)軍企業(yè)——鐵建重工緊密合作，率先開(kāi)展了掘進(jìn)機(jī)主軸承的研究工作。”王景華透露，作為國(guó)內(nèi)唯一的滾動(dòng)軸承綜合性研究機(jī)構(gòu)，覆蓋基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，擁有盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)（軸承）國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng)軸承研究所正加速實(shí)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(shí)驗(yàn)壽命等同國(guó)外同類產(chǎn)品，力爭(zhēng)2018年裝機(jī)試用。

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