国产轴承 国产掘进机主轴承全部依赖进口，是什么卡了我们的脖子？

被称为全断面隧道掘进机“心脏”的主轴承，承受着掘进机运行过程中的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件，其工作状况非常恶劣。

掘进机采用液压、机械、电气等领域的高科技成果，采用计算机自动控制、工厂化操作、在线实时监控和指导。是集掘进、排渣、运输、支护于一体的成套设备，长几十米至200米以上，总重量几百吨至5000吨以上。是目前最先进的地下施工设备。每套的价值从几千万元到两亿元不等。

“就整机制造能力而言，国产掘进机接近世界最先进水平，但最关键的主轴承全部依赖进口。”中国铁建重工集团中央研究院梅永兵博士告诉科技日报记者。

承受巨大的负荷和强烈的温升

掘进机主轴承的工作环境非常恶劣，承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。

“掘进机的地质具有未知性和突变性的特点，刀盘滚刀破岩时载荷的突变使得主轴承必须承受连续、突变和全方位的载荷。”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博士

以直径15米的掘进机为例。整机重4500吨，主轴承所在主机重2800吨，与轴承连接的前刀盘达到520吨；掘进机的动力来自28套千斤顶，最大推力为22500吨，最大掘进速度为每分钟5厘米。“要传递这么大的推力，掘进机需要配备直径为7米的主轴承，滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟。”李云风说道。

在地下封闭工作室空，主轴承也因长时间连续工作而产生摩擦热，温度从20℃上升到120℃。

“巨大的载荷和强烈的温升不仅大大降低了轴承材料的刚度，还大大降低了其强度。”据李云峰介绍，在这种工况下，掘进机主轴承的可靠性指标非常严格。

由于技术含量高，单个主轴承的成本约占掘进机的1/20，是掘进机所有零部件中最有价值的。

“在既定的施工路段，如果掘进机主轴承出现故障，现场维修或更换极其困难，甚至不可能。”梅永冰说，这就要求主轴承不能出现故障。掘进机厂家宁愿付出高价，选择配置国外知名品牌的主轴承，可靠性高。

据报道，国内掘进机年生产规模约450台，仅进口轴承一台就近10亿元。

体积庞大，结构最复杂，制造需要数百道工序

与直径只有几百毫米的传统滚动轴承相比，掘进机主轴承是一种结构最复杂的轴承，需要数百道工序，主要由套圈、滚子和保持架组成。

“掘进机主轴承尺寸巨大，安装方式与传统滚动轴承不同。必须用螺栓和主机连接，所以要装孔。”李云峰说，传统应用领域的轴承一般都是通过内外圈与主机部件配合，孔数一般是个位数。

以直径6.34米的掘进机主轴承为例，直径3米，有20个安装孔，40个注油孔，20个连接孔，10个定位孔，整套轴承零件总数达到600多个。

“这么多孔，设计和加工过程就像雷区。一定要时刻保持高度的小心，避免相互干扰。”李云峰表示，如果由于设计人员的轻微疏忽，导致安装孔的周向基准出现微小错误，按图加工后会产生大量废品。

除大型孔外，由于尺寸原因，掘进机主轴承截面与节圆的直径比远小于传统滚动轴承。“掘进机的主轴承环是薄壁环件。在重载条件下，很难避免环的结构变形，这增加了其机械响应的复杂性。”李云风说道。

国外现代掘进机已有近百年的历史，除了原材料强度远超国内外，在设计和技术上也有着优越的实力。“无论是主轴承工作载荷的精确理论数据，还是工程的实测数据，都非常完善，为其设计和建模提供了真实而丰富的依据。”李云风说道。

目前，世界上能够开发全断面掘进机主轴承的企业只有4家，分别是德国的Roteder、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中Roteder在全断面掘进机领域占据了全球市场的大部分份额。

据悉，rotide公司生产的主轴承技术和工艺水平最高，rotide公司生产的主轴承直径已超过7米，在几台直径14米的镗床上组装，掘进隧道长度累计超过50公里。

随着隧道施工技术的发展，隧道设计的里程和直径越来越大，往往要求单个主轴承的设计寿命大于20公里，轴承直径大于6米，从而进一步增加了掘进机主轴承的技术研发问题。"如果直径超过8米，轴承结构需要分段设计."李云风说道。

掌握直径3米的核心技术，实验寿命相当于国外同类产品

国内掘进机主轴承除了受材料因素制约外，在设计和技术上与国外产品差距较大。

“我国现有的滚动轴承理论是基于刚性环的假设，不适合分析掘进机主轴承的内应力。”洛阳轴承研究所有限公司董事长王京花表示，国内掘进机的制造历史只有十几年，所有数据都非常匮乏。设计计算只能输入预估载荷，这样设计的轴承很难与实际工况相匹配。

王京花还表示，国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配，在设计时将轴承作为主机的一个组成部分，相互配合。

相比之下，在中国，轴承和主机的设计是“独立”的，相互独立的。“彼此不熟悉，主轴承根本无法响应宿主环境的机械行为。”李云峰说，为了适应宿主环境的力学行为，需要非常复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平台。国外轴承设计的合理性已经通过大量试验得到验证，积累了大量的工程数据。这些方面在国内几乎都是空白。

谈到掘进机主轴承的制造工艺，李云峰列举了加工工艺、热处理工艺、焊接工艺等因素。“国外热处理工艺已发展到无软带表面淬火，而我国没有这种工艺。”李云峰说，主轴承滚道表面在没有软带的情况下，表面淬火后会完全硬化。这样就彻底消除了重载引起的软带区域整形、变形、过早疲劳剥落等隐患。

掘进机主轴承国产化的曙光开始显现。

“我们已经开始与国内领先的掘进机制造商铁建重工紧密合作，并率先开展掘进机主轴承的研究工作。”王京花透露，洛阳轴承研究所作为国内唯一的滚动轴承综合研究所，涵盖基础和应用研究，拥有盾构与隧道施工技术国家重点实验室，正在加快技术研发步伐，已掌握直径3米的主轴承核心技术，试验寿命与国外同类产品相当，争取在2018年安装试运行。