给大型盾构机装上一颗“中国心” | 科技自立自强之路

中国科学院金属研究所

（以下简称金属所）

研究员李殿中

永远也忘不了2020年的一天

当他走进某国内盾构机制造企业的仓库时

眼前的一切给他的震撼

彼时

大型盾构机已实现大部分部件的国产化

但最关键的核心部件——主轴承

却长期依赖进口

如果将大型盾构机

比作一个人

主轴承的作用堪比心脏

当“心脏”被攥在别人手心

盾构机制造企业所承受的压力

以及为我国基础设施建设带来的潜在风险

可想而知

为了规避可能的“断供”

盾构机制造企业只能不惜成本

囤积上亿元的主轴承

▲自研超大型盾构机用直径8米级主轴承。

那段时间

恰逢中国科学院组织实施战略性先导科技专项

调研中

金属所团队意识到

攻克主轴承的国产化问题

给国产大型盾构机装上一颗“中国心”

已刻不容缓

但难度非比寻常

科研人员总结

研发主轴承必须克服三大困难

其一

大型主轴承最大直径达8米

承载几万吨

但加工精度却要达到微米级别

其技术难度可想而知

其二

盾构机在施工过程中不能后退

主轴承一旦出现问题

将无法更换

导致在实际应用场景中

试验风险特别高

其三

大型主轴承的攻关链条特别长

涉及结构设计、材料制备、加工装配等诸多环节

关联到20多家单位

仅制造过程就有130多道工序

要解决这一问题

必须从基础理论做起

向上整合各研发生产链

“也正因如此，就需要我们‘国家队’站出来”

李殿中说

2020年2月

先导专项“高端轴承自主可控制造”正式启动

一场新的“战役”就此打响

▲金属所研究员胡小强（左）、李殿中（右）在实验室。

在此之前

金属所科研人员对盾构机主轴承研究较少

但他们与这项事业早有渊源

自20世纪50年代起

金属所几代科研人员接力攻关

力图解决老大难问题——研发稀土钢

所谓稀土钢

即在钢材的制造过程中加入一定比例稀土元素

从而改变钢材的某些特性

这看似容易，实则困难重重

直到2007年

科研团队成功研发出“双低氧稀土钢”关键技术

采用该技术研制出的稀土钢

拉压疲劳寿命延长40多倍

滚动接触非疲劳寿命提升40%

稀土钢的问题被彻底解决

这项技术

后来成为大型盾构机主轴承攻关的重要基石

尽管有了技术支撑

但研究团队知道

他们在设计盾构机主轴承上还没有太多经验

正因如此

他们从不放弃任何学习合作的机会

当时受国外技术限制

我国大型滚子的加工精度只能达到二级

即直径误差不大于正负2.5微米

但符合盾构机要求的滚子

柱体直径误差不能大于正负1微米

两者之间1.5微米的差距

在科研团队的眼中

却无异于一条“天堑”

要跨过它

只能联合企业攻关

▲2021年11月，装有自研直径3米级主轴承的盾构机下线仪式。

与金属所合作的企业

此前从未加工过

直径这么大、精度这么高的滚子

起初，几乎每次技术升级尝试都失败

以至于合作企业的现场负责人开始怀疑

其工艺和生产线是否能实现加工要求

经过反复论证和计算

科研团队坚信其精度要求可以达到

企业最终选择相信他们的论断

最终完全符合要求的滚子

被成功加工出来

由此，我国企业彻底掌握了

大型滚子的一级精度加工技术

耗时3年

20多家科研机构和企业通力合作

12项核心关键技术问题先后被解决

使用1467.4吨稀土轴承钢

研究团队成功生产出

直径3米级到8米级

共10套4个型号国产盾构机主轴承

2021年11月

装有自研直径3米主轴承的盾构机

正式下线

并且在沈阳地铁工程成功应用

2022年9月30日

超大型盾构机用直径8米主轴承验收合格

标志着由金属所领衔的

“高端轴承自主可控制造”先导专项任务

圆满完成

▲自研的直径8.01米主轴承通过评审并被正式命名为“破壁者”。

在这一过程中

高效协同的管理架构

最大化激发了科研人员的工作热情

如今大型盾构机主轴承项目已尘埃落定

但这并不代表所有的任务都已完成

正如李殿中所言

针对“卡脖子”问题的科研

只有落实到产业

构建完整的产业生态链

才能彻底解决问题

目前，主轴承产业化基地正式落地

为打通盾构机国产化“最后一公里” 

奠定坚实基础

阅读全文请见

来源：中国科学报

责任编辑：曹旸