近期，由中國科學院金屬研究所李殿中研究員、李依依院士團隊牽頭攻關的超大型盾構機用直徑8米主軸承研制成功。該主軸承重達41噸，是目前我國制造的首臺套直徑最大、單重最大的盾構機用主軸承。該主軸承將安裝在直徑16米級的超大型盾構機上，用于隧道工程挖掘。該主軸承的研制成功，標志著我國已掌握盾構機主軸承的自主設計、材料制備、精密加工、安裝調試和檢測評價等集成技術。經(jīng)國家軸承質量檢驗檢測中心檢測和專家組評審，認為該主軸承各項技術性能指標與進口同類主軸承相當，滿足超大型盾構機裝機應用需求。

　　盾構機是國民經(jīng)濟建設的重大裝備，承載著穿山越嶺、過江跨海的重任。我國已實現(xiàn)了盾構機的國產(chǎn)化，但其核心部件——主軸承卻依賴進口，亟需打通自主可控制造的“最后一公里”。

　　主軸承是盾構機刀盤驅動系統(tǒng)的核心關鍵部件，盾構機掘進過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉切削掌子面并為刀盤提供旋轉支撐。直徑8米的主軸承在運轉過程中承載的最大軸向力達到10⁵千牛（1千牛約等于0.1噸物體的重力，一頭成年亞洲象的體重按4噸算的話，這相當于軸向受到2500頭亞洲象重力的作用）、徑向力達10⁴千牛、傾覆力矩達10⁵千牛 米。為保證主軸承的高承載能力和高可靠性，特別要求制造主軸承的軸承鋼要高純凈、高均質、高強韌、高耐磨，同時對主軸承成套設計、加工精度、潤滑脂等都提出了很高的要求。而大型盾構機在掘進過程中，只能前進，不能倒退，主軸承一旦失效，會造成嚴重損失。

　　中國科學院于2020年啟動了“高端軸承自主可控制造”戰(zhàn)略性先導科技專項，中國科學院金屬研究所、中國科學院蘭州化學物理研究所等7家院內科研單位組成建制化團隊，聯(lián)合中國交通建設集團有限公司的中交天和機械設備制造有限公司、洛陽新強聯(lián)回轉支承股份有限公司、山東西王特鋼有限公司、黑龍江建龍北滿特鋼有限公司、山東伊萊特重工有限公司、罕王實業(yè)集團有限公司、江蘇力星通用鋼球股份公司、北方重工集團有限公司、沈陽工業(yè)大學等20余家單位進行協(xié)同攻關，先后解決了主軸承材料制備、精密加工、成套設計中的12項核心關鍵技術問題，開發(fā)出直徑從3米級到8米級的盾構機主軸承共10套。在沈陽市政府的大力推動與支持下，直徑3米的主軸承已在沈陽地鐵工程中成功應用。

　　此前，我國盾構機用超大直徑主軸承制造久而未決的主要原因在于：制造軸承的材料和大型滾子的加工精度不過關，全流程技術鏈條不貫通。攻關團隊認為，要制造高純凈、高均質、高強韌、高耐磨的軸承鋼材料，一定要從源頭解決材料制造的問題，他們將目光瞄準了稀土軸承鋼。已有大量研究表明，鋼中添加微量稀土能夠顯著提高鋼的韌塑性、耐磨性、耐熱性、耐蝕性等。然而，稀土鋼在工業(yè)化生產(chǎn)時遭遇兩大難題：一是工藝不順行，存在澆口嚴重堵塞的問題；二是稀土在鋼中添加后，鋼的性能劇烈波動，存在穩(wěn)定性不好的問題。這兩大難題一直未能有效解決，導致我國稀土鋼的研究與應用由熱變冷。

　　為發(fā)揮我國稀土資源優(yōu)勢，解決軸承領域的重大需求，中國科學院金屬研究所團隊歷經(jīng)十多年的研究，發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動、澆口堵塞問題的根源在于氧含量。經(jīng)過大量的實驗、計算和表征，他們揭示了稀土在鋼中的主要作用機制，開發(fā)出“低氧稀土鋼”關鍵技術。該團隊通過控制氧含量，制備出性能優(yōu)越、穩(wěn)定性好的低氧稀土鋼，研制出的稀土軸承鋼拉壓疲勞壽命提高40多倍，滾動接觸疲勞壽命提升40%，相關基礎研究成果于今年發(fā)表在國際著名期刊《自然材料》（Nature Materials）上。同時，有效解決了稀土軸承鋼工業(yè)生產(chǎn)時遭遇的澆口嚴重堵塞的問題及加入稀土性能不穩(wěn)定的問題，牽頭制訂了多項稀土鋼標準。目前由相關合作企業(yè)生產(chǎn)的稀土軸承鋼綜合力學性能優(yōu)異，好于進口產(chǎn)品。

　　該團隊在攻關過程中，盾構機主軸承技術總師胡小強研究員帶隊深入生產(chǎn)一線，聯(lián)合骨干企業(yè)成功攻克了主軸承高精度加工和精度保持性難題。研制中發(fā)現(xiàn)，我國進口設備由于受國外技術限制，大型滾子加工精度只能達到二級（如：直徑規(guī)值≤2.5微米，表面粗糙度：滾動表面≤0.16微米、端面≤0.25微米、圓角≤2.5微米），尚不能實現(xiàn)一級精度加工（如：直徑規(guī)值≤1.0微米，表面粗糙度：滾動表面≤0.1微米、端面≤0.125微米、圓角≤1.25微米）。該團隊聯(lián)合企業(yè)集智攻關，研制出直徑100毫米以上的一級滾子，使我國軸承行業(yè)突破了一級大型滾子精密加工技術。與洛陽新強聯(lián)股份有限公司密切合作，實現(xiàn)了盾構機主軸承加工制造、裝配調試、檢測評價等全流程自主可控，同時帶動了相關國產(chǎn)裝備的研制。

　　按照中科院先導專項管理的有關要求，“高端軸承自主可控制造”先導專項實行“行政指揮線”“技術指揮線”雙線并行的做法。軸承專項的“行政指揮線”負責統(tǒng)籌配套支撐條件和行政管理協(xié)調等，全力保障專項實施。除強化制度保障，構建高效協(xié)同的管理架構外?！靶姓笓]線”在軸承應用過程中，積極主動與中科院機關、中國交建集團、沈陽市委市政府、北方重工集團、沈陽地鐵集團、中國中鐵一局等政府和企事業(yè)單位溝通協(xié)調，制定示范應用方案和風險控制預案。此外，“行政指揮線”持續(xù)深入探索成果轉化新機制，實踐解決制度保障、轉化模式、激勵機制、體系完善等成果轉化過程中的重點和難點問題，進一步釋放了成果轉化的新動能。

　　在“雙線”指揮的同時，為保障和促進重大攻關任務的順利開展，金屬所黨政班子經(jīng)研究提出了在“雙線”的基礎上建立“黨委保障線”?！包h委保障線”在組織協(xié)調方面成立“高端軸承制造臨時黨支部”，牽頭引線促進所內各參研團隊協(xié)力集智攻關。在困難時刻成立“李薰大型重載軸承攻關突擊隊”，給攻關團隊打氣鼓勁，傳承和發(fā)揚科學家精神。通過三線并行，充分發(fā)揮黨組織在國家重大任務攻關中的思想引領、組織協(xié)調、后勤保障作用，讓黨旗在科研一線高高飄揚。

　　盾構機用超大直徑主軸承的研制成功，為我國高端基礎零部件攻關提供了良好的范式，是“貫通技術鏈、打造創(chuàng)新鏈、對接產(chǎn)業(yè)鏈”的積極實踐，是發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，開展“政、產(chǎn)、學、研、用”協(xié)同創(chuàng)新的生動體現(xiàn)。

自研超大型盾構機用直徑8米主軸承

成功應用于沈陽地鐵工程的自研直徑3米盾構機主軸承

　　2022年9月30日召開的自研直徑8米主軸承驗收會

2021年11月裝有自研3米主軸承的盾構機下線儀式

2022年9月30日參加驗收儀式的專家領導合影