穿山过河,掘土凿岩……在大型工程的隧道施工中,盾构机已成为不可或缺的“神兵利器”。盾构机之所以能“啃”下硬石头,靠的是主轴承驱动刀盘,这也是设备安全可靠运转的“命门”所在。
直径18至20米的盾构机,可满足已知工程最大需求,与此相匹配的主轴承直径规格为8.61米。2019年7月,中国铁建重工集团股份有限公司(以下简称“铁建重工”)成立197研究设计院,矢志攻克这一难关。
四年后,直径8.61米、重62吨,全球直径最大、单体最重、承载最高的盾构机主轴承面世。日前,在接受科技日报记者采访时,197研究设计院院长麻成标自豪地说:“从材料到工艺再到设计验证,我们实现了超大盾构机主轴承的全过程自主生产,为中国制造再添一枚金牌!”
“在盾构机掘进过程中,8.61米主轴承必须经受住超重载、大偏载、频变载等极端恶劣工况的考验。”麻成标说,“所以,它得足够‘硬’。”
材料与工艺,是制造够“硬”轴承的第一道关卡。
“以主轴承的内齿圈为例,它需要一个洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈层,才能承受住超万吨的载荷。”研发团队制造工艺负责人解金东告诉科技日报记者。
这8毫米圈层,被解金东形象地比喻为内齿圈的“金钟罩”,是主轴承练就压不碎、磨不烂功夫的关键。然而,当时国内常规的中碳轴承钢淬火工艺仅能达到洛氏硬度55、表面淬深5毫米。
“硬度与厚度每提升一个单位,都‘难于上青天’。”解金东说,轴承钢材料包含20多种配方元素。这些元素互相影响,配比需要精准控制,每次调配都是千分之一量级。
研发团队联合钢铁企业,历经数十次技术讨论与测试,终于摸索出适用于大直径主轴承制造的钢材标准。
因为体积庞大,通用轴承的整体淬火工艺,无法照搬到8.61米主轴承上,只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均匀性,成为一大难题。
研发人员不断调整思路,局部淬火、多次淬火……然而,这些方法虽然提高了淬深,却带来新问题——局部交叉区域温度相互干涉。
反复讨论、多轮试验无果。
一次偶然的机会,解金东在翻阅相关资料时,从“越王勾践剑”制造工艺——“覆土烧刃”中得到启示:以土为媒介,可完美解决淬火区域温度不均的问题。
“我们用古剑法练出了‘金钟罩’。”麻成标说,研发团队以此为灵感,成功开发出一种新的耐高温介质,温度相互干涉的难题迎刃而解。