被稱(chēng)為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)“心臟”的主軸承，承受著掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的主要載荷，是刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作狀況非常惡劣。

掘進(jìn)機(jī)采用液壓、機(jī)械、電氣等領(lǐng)域的高科技成果，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制、工廠化操作、在線實(shí)時(shí)監(jiān)控和指導(dǎo)。是集掘進(jìn)、排渣、運(yùn)輸、支護(hù)于一體的成套設(shè)備，長(zhǎng)幾十米至200米以上，總重量幾百噸至5000噸以上。是目前最先進(jìn)的地下施工設(shè)備。每套的價(jià)值從幾千萬(wàn)元到兩億元不等。

“就整機(jī)制造能力而言，國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)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?！敝袊?guó)鐵建重工集團(tuán)中央研究院梅永兵博士告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

承受巨大的負(fù)荷和強(qiáng)烈的溫升

掘進(jìn)機(jī)主軸承的工作環(huán)境非常惡劣，承受高速旋轉(zhuǎn)、巨大載荷和強(qiáng)烈溫升。

“掘進(jìn)機(jī)的地質(zhì)具有未知性和突變性的特點(diǎn)，刀盤(pán)滾刀破巖時(shí)載荷的突變使得主軸承必須承受連續(xù)、突變和全方位的載荷?！甭尻?yáng)軸承研究所有限公司李云峰博士

以直徑15米的掘進(jìn)機(jī)為例。整機(jī)重4500噸，主軸承所在主機(jī)重2800噸，與軸承連接的前刀盤(pán)達(dá)到520噸；掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力來(lái)自28套千斤頂，最大推力為22500噸，最大掘進(jìn)速度為每分鐘5厘米。“要傳遞這么大的推力，掘進(jìn)機(jī)需要配備直徑為7米的主軸承，滾動(dòng)體沿圓周滾動(dòng)的線速度為220米/分鐘。”李云風(fēng)說(shuō)道。

在地下封閉工作室空，主軸承也因長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作而產(chǎn)生摩擦熱，溫度從20℃上升到120℃。

“巨大的載荷和強(qiáng)烈的溫升不僅大大降低了軸承材料的剛度，還大大降低了其強(qiáng)度?！睋?jù)李云峰介紹，在這種工況下，掘進(jìn)機(jī)主軸承的可靠性指標(biāo)非常嚴(yán)格。

由于技術(shù)含量高，單個(gè)主軸承的成本約占掘進(jìn)機(jī)的1/20，是掘進(jìn)機(jī)所有零部件中最有價(jià)值的。

“在既定的施工路段，如果掘進(jìn)機(jī)主軸承出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)維修或更換極其困難，甚至不可能。”梅永冰說(shuō)，這就要求主軸承不能出現(xiàn)故障。掘進(jìn)機(jī)廠家寧愿付出高價(jià)，選擇配置國(guó)外知名品牌的主軸承，可靠性高。

據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)年生產(chǎn)規(guī)模約450臺(tái)，僅進(jìn)口軸承一臺(tái)就近10億元。

體積龐大，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，制造需要數(shù)百道工序

與直徑只有幾百毫米的傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承相比，掘進(jìn)機(jī)主軸承是一種結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的軸承，需要數(shù)百道工序，主要由套圈、滾子和保持架組成。

“掘進(jìn)機(jī)主軸承尺寸巨大，安裝方式與傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承不同。必須用螺栓和主機(jī)連接，所以要裝孔?！崩钤品逭f(shuō)，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的軸承一般都是通過(guò)內(nèi)外圈與主機(jī)部件配合，孔數(shù)一般是個(gè)位數(shù)。

以直徑6.34米的掘進(jìn)機(jī)主軸承為例，直徑3米，有20個(gè)安裝孔，40個(gè)注油孔，20個(gè)連接孔，10個(gè)定位孔，整套軸承零件總數(shù)達(dá)到600多個(gè)。

“這么多孔，設(shè)計(jì)和加工過(guò)程就像雷區(qū)。一定要時(shí)刻保持高度的小心，避免相互干擾。”李云峰表示，如果由于設(shè)計(jì)人員的輕微疏忽，導(dǎo)致安裝孔的周向基準(zhǔn)出現(xiàn)微小錯(cuò)誤，按圖加工后會(huì)產(chǎn)生大量廢品。

除大型孔外，由于尺寸原因，掘進(jìn)機(jī)主軸承截面與節(jié)圓的直徑比遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)滾動(dòng)軸承。“掘進(jìn)機(jī)的主軸承環(huán)是薄壁環(huán)件。在重載條件下，很難避免環(huán)的結(jié)構(gòu)變形，這增加了其機(jī)械響應(yīng)的復(fù)雜性?！崩钤骑L(fēng)說(shuō)道。

國(guó)外現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)已有近百年的歷史，除了原材料強(qiáng)度遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)外，在設(shè)計(jì)和技術(shù)上也有著優(yōu)越的實(shí)力?！盁o(wú)論是主軸承工作載荷的精確理論數(shù)據(jù)，還是工程的實(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)。”李云風(fēng)說(shuō)道。

目前，世界上能夠開(kāi)發(fā)全斷面掘進(jìn)機(jī)主軸承的企業(yè)只有4家，分別是德國(guó)的Roteder、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中Roteder在全斷面掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域占據(jù)了全球市場(chǎng)的大部分份額。

據(jù)悉，rotide公司生產(chǎn)的主軸承技術(shù)和工藝水平最高，rotide公司生產(chǎn)的主軸承直徑已超過(guò)7米，在幾臺(tái)直徑14米的鏜床上組裝，掘進(jìn)隧道長(zhǎng)度累計(jì)超過(guò)50公里。

隨著隧道施工技術(shù)的發(fā)展，隧道設(shè)計(jì)的里程和直徑越來(lái)越大，往往要求單個(gè)主軸承的設(shè)計(jì)壽命大于20公里，軸承直徑大于6米，從而進(jìn)一步增加了掘進(jìn)機(jī)主軸承的技術(shù)研發(fā)問(wèn)題。"如果直徑超過(guò)8米，軸承結(jié)構(gòu)需要分段設(shè)計(jì)."李云風(fēng)說(shuō)道。

掌握直徑3米的核心技術(shù)，實(shí)驗(yàn)壽命相當(dāng)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品

國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)主軸承除了受材料因素制約外，在設(shè)計(jì)和技術(shù)上與國(guó)外產(chǎn)品差距較大。

“我國(guó)現(xiàn)有的滾動(dòng)軸承理論是基于剛性環(huán)的假設(shè)，不適合分析掘進(jìn)機(jī)主軸承的內(nèi)應(yīng)力。”洛陽(yáng)軸承研究所有限公司董事長(zhǎng)王京花表示，國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的制造歷史只有十幾年，所有數(shù)據(jù)都非常匱乏。設(shè)計(jì)計(jì)算只能輸入預(yù)估載荷，這樣設(shè)計(jì)的軸承很難與實(shí)際工況相匹配。

王京花還表示，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)將軸承作為主機(jī)的一個(gè)組成部分，相互配合。

相比之下，在中國(guó)，軸承和主機(jī)的設(shè)計(jì)是“獨(dú)立”的，相互獨(dú)立的。“彼此不熟悉，主軸承根本無(wú)法響應(yīng)宿主環(huán)境的機(jī)械行為?！崩钤品逭f(shuō)，為了適應(yīng)宿主環(huán)境的力學(xué)行為，需要非常復(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)的合理性已經(jīng)通過(guò)大量試驗(yàn)得到驗(yàn)證，積累了大量的工程數(shù)據(jù)。這些方面在國(guó)內(nèi)幾乎都是空白。

談到掘進(jìn)機(jī)主軸承的制造工藝，李云峰列舉了加工工藝、熱處理工藝、焊接工藝等因素?！皣?guó)外熱處理工藝已發(fā)展到無(wú)軟帶表面淬火，而我國(guó)沒(méi)有這種工藝?！崩钤品逭f(shuō)，主軸承滾道表面在沒(méi)有軟帶的情況下，表面淬火后會(huì)完全硬化。這樣就徹底消除了重載引起的軟帶區(qū)域整形、變形、過(guò)早疲勞剝落等隱患。

掘進(jìn)機(jī)主軸承國(guó)產(chǎn)化的曙光開(kāi)始顯現(xiàn)。

“我們已經(jīng)開(kāi)始與國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的掘進(jìn)機(jī)制造商鐵建重工緊密合作，并率先開(kāi)展掘進(jìn)機(jī)主軸承的研究工作?！蓖蹙┗ㄍ嘎?，洛陽(yáng)軸承研究所作為國(guó)內(nèi)唯一的滾動(dòng)軸承綜合研究所，涵蓋基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，擁有盾構(gòu)與隧道施工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，正在加快技術(shù)研發(fā)步伐，已掌握直徑3米的主軸承核心技術(shù)，試驗(yàn)壽命與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)，爭(zhēng)取在2018年安裝試運(yùn)行。