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发布日期：2024-08-08 作者：开博
中国科学院金属研究所（以下简称金属所）研究员李殿中永久忘不了2020年的一天，当他走进某国内盾构机制造企业的仓库时，面前的一切让他震动不已。
“盾构机制造是一项长周期工作，本不需要贮备过量组件，但这间仓库里却放着十几套盾构机主轴承，总价值达上亿元。”李殿中说。
彼时，我国已进入轨道交通根本举措措施扶植岑岭期。作为凿山开路、过江跨海工程项目标利器，年夜型盾构机已实现年夜部门部件的国产化，但最要害的焦点部件——主轴承却持久依靠进口。
假如将年夜型盾构机比作一小我，那末主轴承的感化堪比心脏。当“心脏”被攥在他人手心时，盾构机制造企业所承受的压力和我国根本举措措施扶植面对的潜伏风险可想而知。在是，为了规避可能的“断供”，良多企业只能不吝本钱囤积年夜量主轴承。
“我们有责任给国产年夜型盾构机装上一颗‘中国心’。”李殿中暗下决心。
2022年12月15日，金属所公布，李殿中和该所研究员、中国科学院院士李依依，该所研究员胡小强率领团队，结合国内其他研究机构和企业，成功研制出超年夜型盾构机用直径8米主轴承。我国年夜型盾构机国产化和自立可控链条由此顺遂买通。
②自研超年夜型盾构机用直径8米级主轴承。
几代人接力霸占“稀土钢”
盾构机全名盾构地道掘进机，是一种地道掘进的专用工程机械，其主轴承是美金盘驱动系统的要害焦点部件。盾构机在掘进进程中，主轴承“手持”美金回旋转，切削掌子面并为美金盘供给扭转支持。
“直径8米的主轴承在运转进程中，承载的最年夜轴向力可达1亿牛顿，相当在2500头成年亚洲象的体重。”胡小强介绍，年夜型盾构机在掘进时只能进步不克不及倒退，主轴承一旦掉效，会造成严重损掉。主轴承的国产化天然而然成为必需霸占的“卡脖子”困难。
但是，这个问题呈现在李殿中和同事们视野中的时候其实不长。最少在2019年之前，他们更多存眷的是另外一个“老迈难”问题——研发“稀土钢”。
所谓稀土钢，简单地说，即是在钢材制造进程中插手必然比例的稀土元素，从而改变钢材的某些特征。这看似轻易，实则坚苦重重。
稀土被称为工业的“维生素”，年夜量研究注解，添加微量稀土就可以显著提高钢材的韧塑性、耐磨性、耐热性、耐蚀性等。正因如斯，稀土添加进程中的细小转变或搀杂杂质，城市激发良多不成测的问题。
“在稀土钢的研发进程中，有两个始终绕不外去的困难。”胡小强说，一是钢材在添加稀土后，机能常常会猛烈波动，存在不变性欠好的问题；二是良多年夜型要害零部件的材料制备不克不及在尝试室完成，很难包管稀土在年夜工业情况下不变阐扬感化。
为领会决上述问题，自20世纪50年月起，金属所几代科研人员接力攻关，就稀土元素对钢材的影响进行了深切研究。直到2007年，在进行一项针对厚年夜断面年夜型钢锭的科研攻关项目时，金属所科研团队偶尔发现稀土钢机能波动问题的本源可能在在稀土元素本身的氧杂质，而非传统认为的钢材内部杂质。
由此，科研团队顺藤摸瓜，颠末年夜量尝试、计较和表征，终究揭露了稀土在钢中的首要感化机制，并开辟出一套“双低氧稀土钢”要害手艺。采取该手艺研制出的稀土钢的拉压疲惫寿命耽误40多倍，转动接触非疲惫寿命晋升40%。
由此，稀土钢的问题被完全解决了。而彼时沉醉在喜悦中的科研人员还不知道，面前的成就不但是他们曩昔几十年尽力的硕果，更将是将来展开年夜型盾构机主轴承攻关的主要基石。
“国度队”需要站出来
彼时，正值中国科学院组织实行计谋性先导科技专项。陪伴着专项的实行，一项汗青性任务落到了金属所科研人员身上。
先导专项是中国科学院对准事关我国全局和久远成长的重年夜科技问题提出的一项计谋步履打算。自2019年最先，金属所但愿依托本身在稀土钢方面的持久堆集，凝炼、提出和承当一项与此相干的先导专项，并为此展开了普遍的实地调研。
“最初，我们并未将研发重点放在年夜型盾构机的主轴承上。”李殿中回想说，直至2019年事末年头，在调研了国内十几个省分的30余家单元后，他们才发现主轴承的国产化已经是一个不容轻忽的“卡脖子”困难。
我国引入首台盾构机是在1997年，并在本世纪初最先摸索盾构机的国产化。至2019年，盾构机的几近所有部件都可以实现自给，惟独最要害的主轴承始终依靠国外进口。由此发生的问题，国内企业的感触感染最深入。
在与胡小强等人扳谈时，某盾构机制造企业带领算过一笔账，因为焦点手艺不在本身手中，从国外进口一套主轴承的价钱常常跨越万万元。不单价钱昂贵，并且在正常环境下，盾构机主轴承的进口定货周期短则10个月，长则跨越一年。但我国的良多基建项目，从立项到落成也不外三五年时候。
更主要的是，因为存在供货随时住手的风险，国内企业对依托外国供货总有一种“不平安感”，终究转化为但愿盾构机主轴承国产化的一致呼声。
开博体育但同时，对利用国产装备，国内企业又存在矛盾心理——盾构机造价动辄几万万元，其背后的基建工程破费更以亿元计，国产主轴承即使研制出来，利用风险有多年夜，谁的心里也没底。
胡小强总结了研发主轴承必需降服的三年夜坚苦——
其一，年夜型主轴承最年夜直径达8米，承载几万吨，但加工精度要到达微米级别，其手艺难度可想而知。
其二，盾构机在施工进程中不克不及撤退退却，主轴承一旦呈现问题将没法改换，致使在现实利用场景中的实验风险特殊高。
其三，年夜型主轴承的攻关链条特殊长，触及布局设计、材料制备、加工装配、测试评价和利用查核等诸多环节，联系关系到20多家单元，仅制造进程就有130多道工序。
李殿中认为，要降服以上坚苦，必需从根本理论做起，向上整合各研产生产链，才能包管终究成果满有把握，“也正因如斯，需要我们‘国度队’站出来”。
说出这番话，金属所的科研团队是有底气的。他们发现，颠末几代人接力攻关所解决的稀土钢制备问题，已从理论和材料层面为年夜型主轴承的研发打下了坚实“地基”。他们接下来要做的是，在这片“地基”上盖起自立自强的“高楼年夜厦”。
2020年2月，中国科学院正式启动先导专项“高端轴承自立可节制造”。金属所整合所内轴承钢、热处置、陶瓷、连结架等12个团队，和院内7家研究所的气力，组建了笼盖轴承研发、轴承材料、制造、评价与服役全生命周期的全链条科技团队。
一场新的“战争”就此打响。
⑤胡小强(左)、李殿中（右）在尝试室。
1.5微米的“天堑”
2020年“五一”假期前一天，一架从沈阳飞往广州的客机行将落地。胡小强和几位同事布满等候地看着舷窗外富贵的都会。
他们此行的目标地是广州贝岗的一处基地。那边有一台主轴承直径6.3米的盾构机，因为超越设计利用里程，需要接管专家评估。得知动静的他们顿时赶曩昔，全程介入了对盾构机主轴承的测评和阐发，并具体领会主轴承的每处细节。
在承接先导专项使命之前，金属所的科研人员并没有设计盾构机主轴承的太多经验。“正因如斯，我们不会抛却任何一次进修和调研的机遇。”胡小强说。
即使如许，想要单打独斗完成这项工作也不实际。
凭仗前述自立开辟的“双低氧稀土钢”要害手艺，科研人员已实现了对主轴承年夜型套圈和年夜型滚子“干净、均质”的制备，并取得强韧性、抗疲惫性和耐磨性等综合机能较好的钢材，这为年夜型主轴承的研制打下了很好的根本。至在主轴承的设计问题，则可以一点点试探、进修。但李殿中坦言，他们还要面临另外一个困难——轴承加工精度不外关。这个困难不是单靠研究人员的尽力就可以解决的。
那时，我国进口装备因为受国外手艺限制，年夜型滚子的加工精度只能到达二级，即几百个滚子直径的误差不年夜在正负2.5微米，但要制造出合适盾构机要求的滚子，加工精度必需到达一级，即柱体直径误差不克不及年夜在正负1微米，二者之间1.5微米的差距，固然仅相当在一根头发丝直径的1/40，但在科研团队的眼中无异在一道“天堑”。
要跨过这道“天堑”，只能结合企业一同攻关。
直到此刻，谈和与企业的合作，胡小强言语中仍有些冲动。据他回想，意想到问题后，他们便自动结合相干企业一路会商、建模，从根基理念到方式，再到具体实践。“我们提需求，相干企业一路攻关。一边干一边解决随时呈现的问题。”
与金属所合作进行滚子加工的是辽宁省内一家首要从事风力机电滚子加工的企业。此前，该企业从未加工过直径这么年夜、精度这么高的滚子。合作之初，几近每次手艺进级测验考试都宣布掉败。
“那段时候，每一个人都承受着庞大的压力，以致在合作企业的现场负责人最先思疑，他们采取自立开辟的工艺和出产线是不是能实现如斯高精度品级的加工。”胡小强回想道。
但是，颠末频频论证和计较，科研团队深信他们的精度要求是可以到达的，企业也选择相信他们的论断，并严酷依照给定的工艺要求，一步步严酷推动。
当完全合适要求的滚子被加工出来，企业负责人经由过程德律风向胡小强报喜时，那种冲动与高傲的语气令胡小强记忆犹新。
由此，我国企业完全把握了年夜型滚子的一级精度加工手艺，并一举到达国际进步前辈程度。
未完成的挑战
耗时3年，经20多家科研机构和企业共同努力，主轴承材料制备、周详加工、成套设计中的12项焦点要害手艺问题前后被解决。终究，科研团队成功用1467.4吨稀土轴承钢研制出41支年夜型套圈、7996粒滚子、492段铜钢复合连结架……陆续出产出直径3米级到8米级共10套4个型号的国产盾构机主轴承。
2021年11月，在沈阳市当局的撑持下，装有自研直径3米主轴承的盾构机正式下线，并在沈阳地铁工程中成功利用。
①2021年11月，装有自研直径3米级主轴承的盾构机下线典礼进行。
2022年9月30日，超年夜型盾构机用直径8米级主轴承验收及格，标记着由金属所领衔的“高端轴承自立可节制造”先导专项使命美满完成。
③自研直径8米级主轴承验收会。
一天后的国庆假期，几近3年没休过节沐日的科研人员终究可以歇息了。而胡小强回抵家后的第二天，双眼便肿胀到完全看不见工具。
“把使命卸下来后，身体里积攒的‘火气’就涌出来了。”李殿中对胡小强“病因”的诊断并不是完全戏谑之言。
李殿中总结，在霸占盾构机主轴承手艺的进程中，金属所走通了一条从根本研究动身、组织建制化攻关，到霸占“卡脖子”困难的科技立异之路。
他介绍说，中国科学院对利用性强的计谋性先导专项治理一般采纳“行政批示线”“手艺批示线”双线并行的模式。金属所带领班子颠末深入思虑，从强化“高端轴承自立可节制造”专项治理的角度动身，在“双线”的根本长进一步成立“党委保障线”的三线并行机制。
“我们构建了‘院带领—营业局—研究所’三级高效协同的治理架构，上下贯通，党政联动，多方互动。”受访时，金属所所长刘岗暗示，恰是在如许的有组织科研系统下，科研人员的工作热忱被最年夜化激起出来。
胡小强清楚记得，2022年7月，项目已进入“会战”阶段，从全国各地制造完成的零件陆续运抵河南洛阳，预备组装。就在这一要害节点，人们发现今朝的机床装备呈现了问题——用在给装备进行概况淬火的机床完全没法知足如斯年夜直径轴承的利用要求，一样不具有利用要求的还高精度磨床。
“事实上，那时国内出产的高精度磨床都没法知足要求，要进口的话，直径5米的磨床不单要价高达8000万元，并且制造周期要两年；至在直径8米的磨床，国外对我们完全禁售。”胡小强说。
这是一个几近没法解决的困难，严重的挫败感覆盖在大师心头。金属所党委敏捷作出决议，组建以首任所长李薰名字定名的“李薰年夜型重载轴承攻关突击队”。在突击队成立年夜会上，李依依密意讲述了李薰昔时舍弃国外奋斗多年所得，打破重重阻碍回到故国，带领团队展开“两弹一星”要害材料攻关的动人业绩……
⑥李依依（右四）主持钻研工作。
这份回想传染、鼓励了突击队的每名成员。在其感化下，所有攻关人员集思广益、频频摸索。现有机床不克不及知足要求，就结合各单元在现场一点点革新；买不到适合的磨床，就试着将年夜直径车床革新成磨床，获得必然参数后，结合磨床企业配合研发……
终究，问题被一点点解决，项目得以顺遂推动。
现在，年夜型盾构机主轴承项目已尘埃落定，昔时的高昂斗志已沉淀为科研人员脑中一段沉甸甸的回想。但这其实不代表所有使命都已完成，正如李殿中所言，“针对‘卡脖子’问题的科研只有落实到财产、只有构建完全的财产生态链，才能完全解决问题”。
他暗示，在年夜型盾构机主轴承项目上，手艺层面的问题已获得解决，但在财产层面还需要和业界配合合作，延续发力。“今朝，主轴承财产化基地正式落地，为买通盾构机国产化‘最后一千米’奠基了坚实根本。”
④自研的直径8.01米主轴承经由过程评审并被正式定名为“破壁者”。金属所供图
李殿中畅想着高端主轴承相干手艺的进一步利用。他说：“我们可以把它利用到风电等新能源范畴，固然还疏通、塔吊、港机，甚至在一些高端周详医疗器械中。”
他们时刻预备着，迎接下一场要害手艺的挑战。
《中国科学报》(2024-07-10第4版专题) 特殊声明：本文转载仅仅是出在传布信息的需要，其实不意味着代表本网站不雅点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或小我从本网站转载利用，须保存本网站注明的“来历”，并自大版权等法令责任；作者假如不但愿被转载或联系转载稿费等事宜，请与我们联系。