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國產掘進機接近世界最先進水平 主軸承全依賴進口
字號:[    ] 發布時間:2018-06-07 來源:科技日報
  主軸承,有全斷面隧道掘進機(簡稱掘進機)的“心臟”之稱,承擔著掘進機運轉過程的主要載荷,是刀盤驅動系統的關鍵部件,工作所處狀況十分惡劣。
  掘進機采用液壓、機械和電氣等諸多領域的高科技成果,運用計算機自動控制、工廠化作業、在線實時監測與導向,是集掘進、出渣、運輸、支護于一體的成套設備,長度由幾十米到200多米,總重量可達幾百噸至5000多噸,是當前地下空間施工最先進的裝備。每臺價值從數千萬元至兩三億元不等。
  據《科技日報》7日報道,中國鐵建重工集團中央研究總院梅勇兵博士告訴記者,“就整機制造能力而言,國產掘進機已接近世界最先進水平,但最關鍵的主軸承全部依賴進口。”
  掘進機主軸承工作環境非常惡劣,要承受高速旋轉、巨大載荷和強烈溫升。
  “掘進機工作的地質具有未知和突變的特點,加上刀盤滾刀破巖時的突變載荷,使得主軸承必須承受住持續、突變和各個方向的載荷。”洛陽軸承研究所有限公司李云峰博士說。
  以直徑15米掘進機為例,整機重4500噸,主軸承所在主機重2800噸,軸承連接的前部刀盤就達520噸;掘進機動力來自28組千斤頂,最大推力達22500噸,掘進速度最大每分鐘5厘米。“要傳送這樣大的推力,掘進機需配備7米大直徑的主軸承,滾動體沿圓周滾動的線速度為220米/分鐘。”李云峰說。
  在地下密閉的工作空間,主軸承還因長時間連續工作產生摩擦熱,溫度從20攝氏度最高升至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,對掘進機主軸承的可靠性指標要求十分嚴苛。
  因技術含量高,單個主軸承成本約占掘進機的1/20左右,是掘進機所有零件中最值錢的。
  “在既定施工段,若掘進機主軸承出現故障,進行現場維修或更換極為困難,甚至不可行。”梅勇兵說,這要求主軸承不能出任何故障,掘進機制造商寧愿出高價,選擇配置高可靠性的國外知名品牌主軸承。
  據介紹,我國掘進機年生產規模約為450臺,僅進口軸承一項即達近10億元。
  尺寸巨大結構最復雜,制造需要上百道工序
  與直徑僅有幾百毫米的傳統滾動軸承相比,掘進機主軸承直徑一般為幾米,是結構最復雜的一種軸承,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。
  “掘進機主軸承尺寸龐大,在安裝方式上迥異于傳統滾動軸承,必須采用螺栓與主機聯接的方式,這樣就需要安裝孔。”李云峰說,安裝傳統應用領域的軸承,一般采用通過內、外圈與主機部件配合的方式,孔的數量通常是個位數。
  以直徑6.34米掘進機配套主軸承為例,其直徑3米,有20個安裝孔、40個注油孔、20個連接孔和10個定位孔,整套軸承零件總數達到600多個。
  “這么多的孔,使設計和加工過程如趟雷區,務必時刻保持高度小心,避免相互干涉。”李云峰說,如果因設計人員有一丁點疏忽,在安裝孔的位置圓周基準上出現絲毫錯誤,依圖加工后都會造成大量廢品。
  除規模龐大的孔外,因尺寸原因,掘進機主軸承的截面與節圓的直徑比,遠小于傳統滾動軸承。“掘進機主軸承套圈屬于薄壁環構件,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響應的復雜性。”李云峰說。
  國外現代掘進機實踐已近百年,除原材料的強度遠超國產外,在設計和工藝上更具超強的實力。“無論是主軸承工作載荷的確切理論數據,還是工程實測數據,都非常完善,為其設計和建模提供了真實而豐富的依據。”李云峰說。
  當前,世界上能研制掘進機主軸承的企業僅四家,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機領域絕大部分市場份額。
  據悉,羅特艾德公司制造的主軸承技術和工藝水平最高,其生產的主軸承直徑已突破7米多,裝配于多臺14米直徑的掘進機,掘進隧道長度累計已超過50公里。
  隨著隧道建造技術的發展,隧洞設計的里程和直徑也越來越大,往往要求單個主軸承的設計壽命達20公里以上,軸承直徑6米以上,從而進一步加大了掘進機主軸承的技術研發難題。“直徑若超過8米,軸承結構就需要分塊設計了。”李云峰說。
  掌握直徑3米核心技術,實驗壽命等同國外同類產品
  除受材料因素制約外,在設計和工藝上,國產掘進機主軸承與國外產品都存在很大差距。
  “國內現有的滾動軸承理論,是基于剛性套圈假設,不適于分析掘進機主軸承的內部受力狀況。”洛陽軸承研究所有限公司董事長王景華說,我國掘進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際的工況。
  王景華還介紹說,國外知名軸承企業更注重軸承與主機結構的匹配,在設計時,將軸承視為主機的組成部分,二者協同進行。
  反觀國內,軸承與主機的設計則“各自為政”,相互獨立。“相互不熟悉,主軸承根本無法響應主機環境的力學行為。”李云峰說,要適應主機環境的力學行為,需要十分復雜的動力學模型、工程數據和數值計算平臺,國外軸承設計的合理性,是通過大量實驗驗證的,并積累了大量工程數據,這些方面在我國幾乎全是空白。
  說到掘進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展到無軟帶表面淬火,而國內還沒有這樣的工藝。”李云峰說,經無軟帶表面淬火處理,主軸承的滾道表面會全部硬化。如此,因重載造成的軟帶區域塑形、變形和過早疲勞剝落等故障隱患,都將徹底消除。
  掘進機主軸承國產化曙光正在初現。
  “我們已開始與國產掘進機領軍企業——鐵建重工緊密合作,率先開展了掘進機主軸承的研究工作。”王景華透露,作為國內唯一的滾動軸承綜合性研究機構,覆蓋基礎及應用研究,擁有盾構及掘進技術(軸承)國家重點實驗室,洛陽軸承研究所正加速實現技術研發步伐,目前已掌握直徑3米的主軸承核心技術,實驗壽命等同國外同類產品,力爭2018年裝機試用。

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責任編輯: 高玉潔 關閉窗口
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