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盾構(gòu)機軸承研發(fā)應用現(xiàn)狀及展望

2019-01-30

洛陽LYC軸承有限公司總工程師
航空精密軸承國家重點實驗室主任
龐碧濤

　　01　概述

　　盾構(gòu)機是一種專用于隧道掘進施工的工程機械，能夠完成掘進、支護、出渣等施工工序并進行連續(xù)作業(yè)，是集機、電、液、光、氣等系統(tǒng)為一體的工廠化流水線式作業(yè)的隧道施工裝備。21世紀是地下空間的世紀，有效開發(fā)利用地下資源，拓展人類生存、生產(chǎn)環(huán)境，已成為當今世界的重要發(fā)展方向。隨著我國城市地鐵、鐵道隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃氣管道工程、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)機市場總需求呈快速增長趨勢，也給盾構(gòu)機軸承帶來廣闊的市場。

　　盾構(gòu)機軸承是盾構(gòu)機的關(guān)鍵、核心部件，尤其是主軸承被視為盾構(gòu)機的心臟，長期以來一直依賴進口，其生產(chǎn)廠家主要集中在德國、瑞典和日本等發(fā)達國家。目前，我國盾構(gòu)機保有量2000余臺，每年新造400余臺，并且軸承需定期維護更換，對盾構(gòu)機軸承的國產(chǎn)化需求日益迫切。國外產(chǎn)品由于長期壟斷，價格高，交貨期長，同時服務質(zhì)量也無法滿足盾構(gòu)機制造和施工企業(yè)的要求。因此，實現(xiàn)盾構(gòu)機軸承研發(fā)—工程化—產(chǎn)業(yè)化，對提升我國裝備制造水平和重大裝備核心競爭力，維護國民經(jīng)濟安全有著重大的意義。

　　02　我國盾構(gòu)機軸承的現(xiàn)狀

　　1.盾構(gòu)機軸承的研發(fā)情況
　　我國從1957年開始進行盾構(gòu)機的研制，1966年我國首臺隧道盾構(gòu)機在杭州水利部研究院研制成功，通過六十年的不斷引進、消化吸收再創(chuàng)新和自主創(chuàng)新涌現(xiàn)出中鐵裝備、鐵建重工、上海隧道工程、北方重工、中交天和等一批具有競爭力的盾構(gòu)機制造企業(yè)。然而在國產(chǎn)盾構(gòu)機占據(jù)我國市場份額近80%的今天，盾構(gòu)軸承仍然為歐洲、美國、日本少數(shù)幾家公司所壟斷。

　　盾構(gòu)系列軸承中盾構(gòu)主軸承和滾刀軸承主要依賴國外品牌，其中盾構(gòu)主軸承主要采用ROTHEERDE、SKF、ROBALLO、KOYO、IMO幾家公司產(chǎn)品，滾刀軸承主要采用美國TIMKEN公司產(chǎn)品，少量NTN產(chǎn)品，這兩種軸承遠未達到國產(chǎn)化的目標。相對成熟的管片拼裝機軸承和螺旋輸送機軸承國產(chǎn)軸承應用率較高，但仍存在著密封結(jié)構(gòu)不合理、齒面容易磨損等問題需要進一步技術(shù)提升，且在大直徑盾構(gòu)的管片拼裝機應用方面，國產(chǎn)軸承應用率還很低。

　　2.盾構(gòu)主軸承應用情況

　　科技部從2007年起開始戰(zhàn)略布局盾構(gòu)機關(guān)鍵核心零部件的研發(fā)，通過“863”計劃項目《土壓平衡盾構(gòu)主軸承的研制》的實施，在盾構(gòu)主軸承設計分析技術(shù)、大模數(shù)齒圈單齒背冷感應淬火技術(shù)、表面淬火硬化層無損檢測方法、盾構(gòu)主軸承精密加工工藝、異種金屬保持架焊接工藝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)應用上取得了重大突破，研制主軸承壽命達到7000H以上。

　　2016年9月，國內(nèi)首臺Φ6.28米復合盾構(gòu)機國產(chǎn)主軸承下線，經(jīng)行業(yè)專家評估達到國外盾構(gòu)機主軸承水平。同年11月，裝有該主軸承的盾構(gòu)機CT006H在中鐵隧道局合肥地鐵三號線正式投入施工使用；2018年3月，經(jīng)過一年多的施工應用，投入合肥地鐵三號線施工的主軸承連續(xù)工作累計掘進2369.65米，Z高日掘進28.5米，Z高月掘進397.5米，順利完成全標段工程。經(jīng)檢測，該臺盾構(gòu)機運行平穩(wěn)可靠，拆解后主軸承狀態(tài)良好，標志著我國已經(jīng)掌握了盾構(gòu)機主軸承的核心技術(shù)，打破了少數(shù)國外公司的技術(shù)壟斷，主軸承能滿足(6-7)米級盾構(gòu)機的使用要求。下一步可在行業(yè)內(nèi)全面推廣應用，該產(chǎn)品工程化應用取得的成果，實現(xiàn)了優(yōu)勢領(lǐng)域共性技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，為推動盾構(gòu)機裝備由中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變起到重要作用。

　　目前，中鐵隧道、中鐵裝備、鐵建重工、中鐵四局等盾構(gòu)機制造企業(yè)已經(jīng)陸續(xù)開始(6-7)米級盾構(gòu)機國產(chǎn)主軸承的應用，加大了盾構(gòu)機軸承的研發(fā)——工程化——產(chǎn)業(yè)化的力度，正在逐步形成產(chǎn)業(yè)化。同時，(11-12)米級盾構(gòu)機國產(chǎn)主軸承已在研制中，尚需通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，逐步實現(xiàn)大直徑復合盾構(gòu)國產(chǎn)主軸承的應用。

　　3.盾構(gòu)主軸承國內(nèi)外對比

　　盾構(gòu)機主軸承主要供應商瑞典SKF、德國ROTHEERDE、日本ROBALLO、KOYO等，他們在理論研究、產(chǎn)品設計、材料及熱處理、加工制造、試驗檢測和售后服務體系等方面都比較成熟，生產(chǎn)的軸承可以無故障使用10000h以上（或累計掘進10km以上）。國內(nèi)目前(6-7)米級盾構(gòu)機主軸承才完成工程化應用，尚未形成核心競爭能力，而由于缺乏相應的試驗手段和相關(guān)的基礎(chǔ)資料，在設計理論、制造工藝、安裝及使用經(jīng)驗，以及承載能力、壽命和可靠性、質(zhì)量的一致性等方面與國外同期同類產(chǎn)品相比，還存在一定的差距。對大型盾構(gòu)機和TBM掘進機主軸承，國內(nèi)軸承企業(yè)研究的更少，尚需進行更多的基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新。

　　03　盾構(gòu)機軸承的關(guān)鍵技術(shù)

　　盾構(gòu)軸承發(fā)展需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)：

　　1.盾構(gòu)主軸承設計技術(shù)

　?。?）建立覆蓋典型地質(zhì)條件的工況數(shù)據(jù)庫，制定滿足靜強度分析、動力學分析、可靠度預測、性能和壽命試驗所必需的定常和非定常動態(tài)載荷譜、特殊工況下的極限載荷譜等。

　?。?）完成主軸承失效數(shù)據(jù)搜集和分析，編制典型工況條件下主軸承失效圖譜。

　?。?）開展低速、重載、沖擊條件下主軸承的潤滑理論及摩擦學研究，定常和非定常動態(tài)工況下主軸承的接觸力學和動力學特征研究，形成相應的設計理論。

　?。?）主軸承可靠性理論研究。建立不同地質(zhì)和掘進工況條件下主軸承可靠性理論與剩余壽命預估技術(shù)。

　　（5）主軸承強度、剛度及壽命設計理論研究，開發(fā)主軸承主參數(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)優(yōu)化設計，以及主軸承性能仿真與壽命預測軟件。

　　2.盾構(gòu)主軸承控形控性制造技術(shù)

　?。?）制定專門的盾構(gòu)主軸承的鋼材質(zhì)量控制標準，建立鋼材質(zhì)量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)“四化”要求，即成份設計智能化、內(nèi)在質(zhì)量高純化、生產(chǎn)過程自動化和冶金質(zhì)量一致化。

　?。?）開展精密熱處理技術(shù)研究，開發(fā)三個滾道同時淬火、齒輪淬火工藝，研制專用數(shù)控熱處理設備和工裝，提高淬火質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性；開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料性能模擬軟件；開發(fā)熱處理質(zhì)量的動態(tài)在線控制及檢測技術(shù)；研究適用于主軸承的表面改性技術(shù)。

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

　?。?）全面掌握盾構(gòu)機主軸承的潤滑與密封系統(tǒng)設計制造技術(shù)。

　?。?）全面掌握盾構(gòu)主軸承再制造技術(shù)，制定主軸承再制造質(zhì)量標準。

　　3.主軸承質(zhì)量檢測與健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

　　（1）主軸承壽命達到12000ｈ甚至更長，可靠性更高，達到先進水平，全面替代進口。

　　（2）制定盾構(gòu)主軸承專門的產(chǎn)品標準，嚴格規(guī)定主軸承的基本系列參數(shù)、材料、熱處理、內(nèi)在和表面質(zhì)量等技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)則等。

　?。?）開發(fā)盾構(gòu)主軸承專門的無損檢測技術(shù)，制定無損檢測技術(shù)規(guī)范。

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

　?。?）研制盾構(gòu)主軸承試驗臺，考核主軸承的啟動摩擦力矩、Z大摩擦力矩、耐久性能等，形成盾構(gòu)主軸承試驗規(guī)范。

　　04　盾構(gòu)機軸承的發(fā)展方向

　　目前，盾構(gòu)機向著大型高效、智能化、多功能、長壽命、高可靠性、定向準確的方向發(fā)展。盾構(gòu)機Z大挖掘直徑達到15.43m，直徑19m的盾構(gòu)機也在設計制造中。盾構(gòu)機壽命也有大的提高，對于巖石盾構(gòu)機工作壽命已達到50km，月掘進量可超過1km，刀具的破巖強度也達到了450MPa。在智能化方面，大型盾構(gòu)機中已經(jīng)配備計算機、激光導向、傳感器、地質(zhì)超強探測儀等現(xiàn)代系統(tǒng)設備，并且在一些盾構(gòu)機使用了遠程監(jiān)控以及地面衛(wèi)星導向等技術(shù)，成為融合機、光、電、液、傳感、信息等多項技術(shù)于一身的專用隧道掘進機械。隨著國內(nèi)外盾構(gòu)機技術(shù)的迅速發(fā)展，軟土盾構(gòu)機技術(shù)和巖石盾構(gòu)機技術(shù)正在相互滲透，盾構(gòu)機正朝著適應各種地層的復合型盾構(gòu)機發(fā)展，將大大降低成本，提高工作效率。

　　為適應盾構(gòu)機的發(fā)展要求，盾構(gòu)主軸承的研發(fā)將向高端智能盾構(gòu)軸承的方向發(fā)展，以“中國制造2025”提出的“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，在高端智能軸承的設計、制造工藝、檢測、試驗及應用技術(shù)等方面不斷的進行技術(shù)創(chuàng)新，通過科技成果轉(zhuǎn)化、知識產(chǎn)權(quán)運用和協(xié)同管理等措施，推進盾構(gòu)機軸承的國產(chǎn)化、智能化、產(chǎn)業(yè)化，并打造出一流的盾構(gòu)軸承研發(fā)平臺，形成一流的研發(fā)團隊，打造具有核心競爭力的盾構(gòu)軸承研發(fā)生產(chǎn)基地。

　　05　我國盾構(gòu)機軸承的發(fā)展目標

　　通過對高端智能盾構(gòu)軸承的優(yōu)化設計技術(shù)、材料與熱處理技術(shù)、冷加工技術(shù)、檢測技術(shù)、試驗及應用技術(shù)等方面技術(shù)升級，完成盾構(gòu)系列軸承的研制，實現(xiàn)盾構(gòu)系列軸承產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應用，提升國內(nèi)盾構(gòu)軸承的高承載力、長壽命和高可靠性的性能，實現(xiàn)智能化、綠色化、可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)模式，引領(lǐng)我國盾構(gòu)軸承行業(yè)科學技術(shù)整體進步。

（來源：軸承工業(yè)雜志）