近日，我国首套盾构机用超大直径主轴承研制成功，该主轴承直径8米、重达41吨，是目前我国制造的直径最大、单重最大的盾构机用主轴承，将安装在直径16米级的超大型盾构机上，用于隧道工程挖掘。标志着我国已掌握盾构机主轴承的自主设计、材料制备、精密加工、安装调试和检测评价等集成技术。

自研超大型盾构机用直径8米主轴承。图片来源：中国科学院金属研究所

自主可控 打通制造的“最后一公里”

盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械。这件“大国重器”是基础设施建设的重大装备，承载着穿山越岭、过江跨海的重任。“虽然我国已实现了盾构机的国产化，但其核心部件——主轴承却依赖进口，亟须打通自主可控制造的‘最后一公里’。”中国科学院金属研究所研究员坦言。

主轴承有盾构机“心脏”之称，是盾构机刀盘驱动系统的关键核心部件。盾构机掘进过程中，主轴承“手持”刀盘旋转切削掌子面并为刀盘提供旋转支撑。中国科学院金属研究所研究员表示，为保证主轴承的高承载能力和高可靠性，制造主轴承的轴承钢必须要高纯净、高均质、高强韧、高耐磨。这对主轴承成套设计、加工精度、润滑油脂等提出了很高的要求。此前，我国盾构机用超大直径主轴承一直未能攻克的主要原因在于：制造轴承的材料和大型滚子的加工精度不过关，全流程技术链条不贯通。

用于沈阳地铁一号线东延线中的3米轴承。图片来源：中国科学院金属研究所

控制氧含量 稀土钢应用不再“卡脖子”

中国科学院金属所研究团队认为，要制造高纯净、高均质、高强韧、高耐磨的轴承钢材料，一定要从源头解决材料制造的问题，他们将目光瞄准了稀土轴承钢。然而，稀土钢在工业化生产时遭遇两大难题：一是工艺不顺行，浇铸时经常出现浇口堵塞的问题；二是稀土在钢中添加后，钢的性能剧烈波动，存在稳定性不好的问题。

通过十余年的机理研究和工业实验，中国科学院金属所研究团队发现，稀土钢性能波动、铸造时浇口堵塞问题的根源在于氧含量。“我们发现，不仅钢液中的氧含量影响稀土钢的性能，更为重要的是，长期被学界和产业界忽视的稀土金属中的氧含量，对稀土钢的性能也具有十分重要的影响。”中国科学院金属研究所研究员解释道。

“通过控制氧含量，我们制备出性能优越、稳定性好的低氧稀土钢。”团队负责人说，与不加稀土的轴承钢相比，该稀土轴承钢拉压疲劳寿命提高40多倍，滚动接触疲劳寿命提升40%，有效解决了稀土钢工业应用中“卡脖子”的问题。

精度达一级 大型滚子迈过“一道坎”

除了轴承钢，要想制造超大直径主轴承，大型滚子加工技术也是一道迈不过去的坎。

滚子是轴承运转时承受负荷的元件，是滚子轴承中最薄弱的零件，它的制造质量对轴承工作性能有很大的影响，是影响轴承使用寿命的主要因素。“在主轴承研制过程中，我们发现，由于受到国外的技术限制，我国大型滚子加工精度只能达到二级，还不能实现一级精度加工。”中国科学院金属所团队另一位研究员直言。

为此，研究团队深入生产一线，联合企业集智攻关，最终研制出直径100毫米以上的一级滚子，使我国轴承行业突破了一级大型滚子精密加工技术。