論我國重大技術(shù)裝備軸承的自主安全可控（5）——盾構(gòu)機(jī)主軸承

5 盾構(gòu)機(jī)主軸承

5.1 軸承類型

盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓、光學(xué)、力學(xué)、氣動(dòng)、傳感、信息、導(dǎo)向為一體，能夠完成掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序并進(jìn)行連續(xù)作業(yè)的工廠化流水線式作業(yè)的隧道施工裝備，被譽(yù)為“工程機(jī)械之王”，是衡量一個(gè)國家裝備制造業(yè)水平的重大關(guān)鍵裝備。隨著我國城市地鐵、鐵路隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃?xì)夤艿拦こ?、排污管道工程、供熱供冷管道工程、電纜管道工程盾構(gòu)法施工的全面鋪開，盾構(gòu)機(jī)市場總需求呈快速增長趨勢，也給盾構(gòu)機(jī)軸承帶來廣闊的市場。

刀盤是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件，在隧道掘進(jìn)過程中發(fā)揮著重要作用。刀盤系統(tǒng)中的主軸承是傳遞掘進(jìn)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的核心零件，在工作中承受著巨大的軸向力、傾覆力矩和一定的徑向力，其性能、壽命和可靠性直接影響盾構(gòu)機(jī)的施工進(jìn)度、安全和掘進(jìn)里程。小尺寸盾構(gòu)機(jī)主軸承通常采用四點(diǎn)接觸球和交叉圓柱滾子結(jié)構(gòu)，個(gè)別有雙列圓錐滾子結(jié)構(gòu)。量大面廣的盾構(gòu)機(jī)主軸承主要有三排三列圓柱滾子組合軸承和三排四列圓柱滾子組合軸承，其中最常用的三排三列圓柱滾子組合軸承可分為內(nèi)齒式(圖13)和外齒式(圖14)。

圖13 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)內(nèi)齒式主軸承

Fig.13 Inner tooth main bearing for earth pressure balance shield machine

圖14 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)外齒式主軸承

Fig.14 Outer tooth main bearing for mud-water balanced shield machine

盾構(gòu)機(jī)主軸承的功能主要是支承及傳遞運(yùn)動(dòng)與載荷，然而由于盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)速極低，載荷極大且不可準(zhǔn)確預(yù)測，可靠性要求極高，使盾構(gòu)機(jī)主軸承承擔(dān)著極大的風(fēng)險(xiǎn)，也對其設(shè)計(jì)制造提出了苛刻的要求。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)阻力的大小、方向可能劇烈變化，盾構(gòu)機(jī)主軸承常常工作在沖擊、偏載等極端工況下，對軸承的材料和熱處理、結(jié)構(gòu)、剛度、強(qiáng)度、壽命和可靠性等技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)苛。另外，還要求盾構(gòu)機(jī)主軸承安裝部位有可靠的密封，軸承內(nèi)部有良好的潤滑，相關(guān)密封結(jié)構(gòu)和潤滑劑均需特殊設(shè)計(jì)以滿足苛刻的環(huán)境工況。

5.2 技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)主軸承的主要技術(shù)指標(biāo)為：無故障使用

10 000h（或累計(jì)掘進(jìn)10 km以上），軸向跳動(dòng)不大于0.1 mm，使用轉(zhuǎn)速1～3 r/min。

5.2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)

1）建立覆蓋典型地質(zhì)條件的工況數(shù)據(jù)庫，制定滿足靜強(qiáng)度分析、動(dòng)力學(xué)分析、可靠度預(yù)測、性能和壽命試驗(yàn)所必需的定常和非定常動(dòng)態(tài)載荷譜、特殊工況下的極限載荷譜等。

2）完成盾構(gòu)機(jī)主軸承失效數(shù)據(jù)搜集和分析，編制典型工況條件下的失效圖譜。

3）開展低速、重載、沖擊條件下盾構(gòu)機(jī)主軸承的潤滑理論及摩擦學(xué)研究，定常和非定常動(dòng)態(tài)工況下主軸承的接觸力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征研究并形成相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論。

4）進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)主軸承可靠性理論研究，建立不同地質(zhì)和掘進(jìn)工況條件下主軸承的可靠性理論與剩余壽命預(yù)估技術(shù)。

5）開展盾構(gòu)機(jī)主軸承強(qiáng)度、剛度及壽命設(shè)計(jì)理論研究，主參數(shù)、滾子和滾道的理想凸度、軸承游隙、密封結(jié)構(gòu)、保持架等零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及性能仿真與壽命預(yù)測軟件的開發(fā)。

5.2.2 控形控性制造技術(shù)

1）制定盾構(gòu)機(jī)主軸承專用的鋼材質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，建立鋼材質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“四化”要求，即成份設(shè)計(jì)智能化、內(nèi)在質(zhì)量高純化、生產(chǎn)過程自動(dòng)化和冶金質(zhì)量一致化。

2）開展精密熱處理技術(shù)研究，開發(fā)3個(gè)滾道同時(shí)淬火的無軟帶熱處理工藝和齒輪淬火工藝，研制專用數(shù)控?zé)崽幚碓O(shè)備和工裝，提高淬火質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性；開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料性能模擬軟件，動(dòng)態(tài)在線控制及檢測技術(shù)和表面改性技術(shù)。

3）全面掌握盾構(gòu)機(jī)主軸承零件精密加工技術(shù)，開發(fā)滾道硬車工藝、CBN等超硬刀具制造技術(shù)。

4）全面掌握盾構(gòu)機(jī)主軸承潤滑與密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。

5）全面掌握盾構(gòu)機(jī)主軸承再制造技術(shù)，制定主軸承再制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.3 質(zhì)量控制與健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

1）制定盾構(gòu)機(jī)主軸承產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格規(guī)定基本參數(shù)、材料、熱處理、內(nèi)在和表面質(zhì)量等技術(shù)要求、試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。

2）開發(fā)盾構(gòu)機(jī)主軸承無損檢測技術(shù)，制定無損檢測技術(shù)規(guī)范。

3）研制內(nèi)嵌式超微型傳感器，開發(fā)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷軟件。

4）研制盾構(gòu)機(jī)主軸承試驗(yàn)臺(tái)，考核啟動(dòng)摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性等性能，形成盾構(gòu)機(jī)主軸承試驗(yàn)規(guī)范。

5.3 市場需求

全球已累計(jì)生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)超過10 000臺(tái)，保有量達(dá)5 000多臺(tái)，年需求量300~500臺(tái)。目前，我國已成為世界上生產(chǎn)和使用盾構(gòu)機(jī)最多的國家，每年需求量約400臺(tái)(其中國產(chǎn)約300臺(tái))。另外，國內(nèi)在役的盾構(gòu)機(jī)約1 800余臺(tái)，這些盾構(gòu)機(jī)主軸承超過設(shè)計(jì)壽命后均需要維修和更換。按上述數(shù)據(jù)粗略估計(jì)，盾構(gòu)機(jī)主軸承的年需求量達(dá)400套、約12億元。

5.4 自主化

經(jīng)過艱苦努力，我國已實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)國產(chǎn)化并向國外出口，但盾構(gòu)機(jī)主軸承仍全部依賴進(jìn)口，主要采用ROTHE ERDE，SKF，ROBALLO，KOYO，IMO等幾家公司的產(chǎn)品。國家科技部從2007年開始布局盾構(gòu)機(jī)主軸承的國產(chǎn)化研發(fā)，經(jīng)過十多年的努力，盾構(gòu)機(jī)主軸承的研發(fā)已具備一定基礎(chǔ)。洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團(tuán)聯(lián)合攻關(guān)研制的國內(nèi)首套φ6.28 m盾構(gòu)機(jī)主軸承已于2016年9月下線并應(yīng)用于合肥地鐵3號(hào)線的盾構(gòu)施工，至2018年3月，經(jīng)過一年多的施工應(yīng)用，累計(jì)掘進(jìn)里程2369.65 m，順利完成標(biāo)段工程。2019年1月14日，洛陽LYC軸承有限公司與中鐵隧道集團(tuán)合作研制的φ11 m盾構(gòu)機(jī)主軸承下線并成功應(yīng)用于舟山海底隧道的施工。2021年年初，中交天和機(jī)械設(shè)備有限公司自主研發(fā)制造的我國最大直徑(16.07 m)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)“運(yùn)河號(hào)”下線，其裝配了洛陽軸承研究所有限公司開發(fā)的特大型管片拼裝機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承。

盾構(gòu)機(jī)主軸承是可靠性、安全性要求極高的產(chǎn)品，其自主化任重而道遠(yuǎn)，需要花真功夫，下大力氣，產(chǎn)學(xué)研用緊密合作，積極慎重地推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)主軸承的研發(fā)→工程化→產(chǎn)業(yè)化，最終實(shí)現(xiàn)自主安全可控的目標(biāo)。

（參考文獻(xiàn)略）

來源：《軸承》2022年1期（節(jié)選）