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國產(chǎn)掘進(jìn)機主軸承全部依賴(lài)進(jìn)口，是什么卡了我們的脖子？
2015年10月，工人調試生產(chǎn)大型掘進(jìn)機。
主軸承，有全斷面隧道掘進(jìn)機（簡(jiǎn)稱(chēng)掘進(jìn)機）的“心臟”之稱(chēng)，承擔著(zhù)掘進(jìn)機運轉過(guò)程的主要載荷，是刀盤(pán)驅動(dòng)系統的關(guān)鍵部件，工作所處狀況十分惡劣。
掘進(jìn)機采用液壓、機械和電氣等諸多領(lǐng)域的高科技成果，運用計算機自動(dòng)控制、工廠(chǎng)化作業(yè)、在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測與導向，是集掘進(jìn)、出渣、運輸、支護于一體的成套設備，長(cháng)度由幾十米到200多米，總重量可達幾百?lài)嵵?000多噸，是當前地下空間施工Z先進(jìn)的裝備。每臺價(jià)值從數千萬(wàn)元至兩三億元不等。
“就整機制造能力而言，國產(chǎn)掘進(jìn)機已接近世界Z先進(jìn)水平，但Z關(guān)鍵的主軸承全部依賴(lài)進(jìn)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(jìn)機主軸承工作環(huán)境非常惡劣，要承受高速旋轉、巨大載荷和強烈溫升。
“掘進(jìn)機工作的地質(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、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(pán)就達520噸；掘進(jìn)機動(dòng)力來(lái)自28組千斤頂，Z大推力達22500噸，掘進(jìn)速度Z大每分鐘5厘米。“要傳送這樣大的推力，掘進(jìn)機需配備7米大直徑的主軸承，滾動(dòng)體沿圓周滾動(dòng)的線(xiàn)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(cháng)時(shí)間連續工作產(chǎn)生摩擦熱，溫度從20攝氏度Z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。”李云峰認為，這種工況，對掘進(jìn)機主軸承的可靠性指標要求十分嚴苛。
因技術(shù)含量高，單個(gè)主軸承成本約占掘進(jìn)機的1/20左右，是掘進(jìn)機所有零件中Z值錢(qián)的。
“在既定施工段，若掘進(jìn)機主軸承出現故障，進(jìn)行現場(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)機制造商寧愿出高價(jià)，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(jìn)機年生產(chǎn)規模約為450臺，僅進(jìn)口軸承一項即達近10億元。
尺寸巨大結構Z復雜，制造需要上百道工序
與直徑僅有幾百毫米的傳統滾動(dòng)軸承相比，掘進(jìn)機主軸承直徑一般為幾米，是結構Z復雜的一種軸承，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)機主軸承尺寸龐大，在安裝方式上迥異于傳統滾動(dòng)軸承，必須采用螺栓與主機聯(lián)接的方式，這樣就需要安裝孔。”李云峰說(shuō)，安裝傳統應用領(lǐng)域的軸承，一般采用通過(guò)內、外圈與主機部件配合的方式，孔的數量通常是個(gè)位數。
以直徑6.34米掘進(jìn)機配套主軸承為例，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，整套軸承零件總數達到600多個(gè)。
“這么多的孔，使設計和加工過(guò)程如趟雷區，務(wù)必時(shí)刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰說(shuō)，如果因設計人員有一丁點(diǎn)疏忽，在安裝孔的位置圓周基準上出現絲毫錯誤，依圖加工后都會(huì )造成大量廢品。
除規模龐大的孔外，因尺寸原因，掘進(jìn)機主軸承的截面與節圓的直徑比，遠小于傳統滾動(dòng)軸承。“掘進(jìn)機主軸承套圈屬于薄壁環(huán)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(xué)響應的復雜性。”李云峰說(shuō)。
國外現代掘進(jìn)機實(shí)踐已近百年，除原材料的強度遠超國產(chǎn)外，在設計和工藝上更具超強的實(shí)力。“無(wú)論是主軸承工作載荷的確切理論數據，還是工程實(shí)測數據，都非常完善，為其設計和建模提供了真實(shí)而豐富的依據。”李云峰說(shuō)。
當前，世界上能研制掘進(jìn)機主軸承的企業(yè)僅四家，分別是德國的羅特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中，羅特艾德占有全球全斷面隧道掘進(jìn)機領(lǐng)域絕大部分市場(chǎng)份額。
據悉，羅特艾德公司制造的主軸承技術(shù)和工藝水平Z高，其生產(chǎn)的主軸承直徑已突破7米多，裝配于多臺14米直徑的掘進(jìn)機，掘進(jìn)隧道長(cháng)度累計已超過(guò)50公里。
隨著(zhù)隧道建造技術(shù)的發(fā)展，隧洞設計的里程和直徑也越來(lái)越大，往往要求單個(gè)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(jìn)一步加大了掘進(jìn)機主軸承的技術(shù)研發(fā)難題。“直徑若超過(guò)8米，軸承結構就需要分塊設計了。”李云峰說(shuō)。
掌握直徑3米核心技術(shù)，實(shí)驗壽命等同國外同類(lèi)產(chǎn)品
除受材料因素制約外，在設計和工藝上，國產(chǎn)掘進(jìn)機主軸承與國外產(chǎn)品都存在很大差距。
“國內現有的滾動(dòng)軸承理論，是基于剛性套圈假設，不適于分析掘進(jìn)機主軸承的內部受力狀況。”洛陽(yáng)軸承研究所有限公司董事長(cháng)王景華說(shuō)，我國掘進(jìn)機制造歷史僅十余年，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(shí)際的工況。
王景華還介紹說(shuō)，國外知名軸承企業(yè)更注重軸承與主機結構的匹配，在設計時(shí)，將軸承視為主機的組成部分，二者協(xié)同進(jìn)行。
反觀(guān)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(wú)法響應主機環(huán)境的力學(xué)行為。”李云峰說(shuō)，要適應主機環(huán)境的力學(xué)行為，需要十分復雜的動(dòng)力學(xué)模型、工程數據和數值計算平臺，國外軸承設計的合理性，是通過(guò)大量實(shí)驗驗證的，并積累了大量工程數據，這些方面在我國幾乎全是空白。
說(shuō)到掘進(jìn)機主軸承的制造工藝，李云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(fā)展到無(wú)軟帶表面淬火，而國內還沒(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)機主軸承國產(chǎn)化曙光正在初現。
“我們已開(kāi)始與國產(chǎn)掘進(jìn)機領(lǐng)軍企業(yè)——鐵建重工緊密合作，率先開(kāi)展了掘進(jìn)機主軸承的研究工作。”王景華透露，作為國內的滾動(dòng)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(jìn)技術(shù)（軸承）國家重點(diǎn)實(shí)驗室，洛陽(yáng)軸承研究所正加速實(shí)現技術(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)驗壽命等同國外同類(lèi)產(chǎn)品，力爭2018年裝機試用。
發(fā)布時(shí)間：2018-06-07 10:10:19