“沈陽范式”為盾構機裝上“中國心”
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——我國首臺盾構機用3米級主軸承圓滿完成示范應用紀實
我國首臺盾構機用3米級主軸承圓滿完成沈陽地鐵一號線東延線示范應用標段施工任務。
胡小強（右二）帶領科研團隊推進國產盾構機大型主軸承研發。
盾構機是開挖隧道的神器，而主軸承是盾構機刀盤驅動系統的核心關鍵部件，被稱為“盾構機的心臟”。長久以來，“盾構機的心臟”卻是國產盾構機中唯一未國產化的核心部件，不僅在技術上被“卡脖子”，在產品價格、供貨周期、后續服務等諸多方面，也受制于國外企業。
5月8日，中國科學院戰略性先導科技專項“高端軸承自主可控制造”（以下簡稱先導專項）盾構機大型主軸承示范應用標段貫通儀式在中國科學院金屬研究所（以下簡稱金屬所）舉行。我國首臺盾構機用3米級主軸承圓滿完成沈陽地鐵一號線東延線示范應用標段施工任務，為科技成果本地轉化應用樹立了標桿，更彰顯了我國重大裝備關鍵基礎零部件研發應用的“沈陽范式”。
數日來，記者與這支由金屬所12個不同科研單元、200余名科研人員組成、具有鋼鐵意志的科研團隊，以及相關參研單位面對面，了解到他們是如何沖破重重困難，突破盾構機完全國產化道路上最關鍵、最重要、難度最大的一環，翻開了盾構機百分之百自主化制造嶄新一頁的全過程。
“三線”聯動 創新保障機制
作為先導專項牽頭單位，金屬所在行政指揮線、技術指揮線基礎上，首創黨委保障線，“三線”聯動實現上下貫通、黨政聯動、多方互動，為順利完成先導專項構筑堅實保障。
2020年，中國科學院先導專項啟動，面向三類高端軸承開展自主研發，打通高端軸承自主可控制造的“最后一公里”。
先導專項意義重大，不容有失。金屬所重任在肩，勇毅前行。
材料是高端軸承自主可控制造的基礎、出發點。由先導專項首席科學家、金屬所研究員李殿中和中國科學院院士李依依牽頭的技術指揮線，從材料源頭入手破解關鍵技術難題。
科研團隊深刻意識到，開發國產高端軸承，必須要走出自己的技術路線，不能跟著別人跑。他們堅定地認為，金屬所研發的稀土軸承鋼有望成為我國高端軸承鋼的“殺手锏”技術。
金屬所有著60多年的稀土鋼研究歷史，歷經四代科研人員。李殿中團隊發現，造成稀土鋼性能不穩定的原因在于材料中存在著顆粒較大的夾雜物，而這些夾雜物是稀土原料加入后形成的。科研團隊跑遍全國主要稀土生產企業，深入到稀土生產車間，找到稀土材料中氧含量超標的原因。隨后，科研團隊開發出低氧稀土鋼關鍵技術，制備出性能優越、穩定性好的低氧稀土鋼。用低氧稀土鋼制備軸承，其拉壓疲勞性能提高40多倍，滾動接觸疲勞性能提升40%。
作為先導專項盾構機主軸承研制技術總師，金屬所研究員胡小強從立項開始，就往來奔波于科研、加工、生產、應用一線，為我國首臺盾構機大型主軸承研制工作默默奉獻著。他說：“面對挑戰，我們發揚金屬所老一輩科學家扎根一線發現問題、解決問題、引領科研的精神，持續攻堅克難。我們是材料科學研究的‘國家隊’，在攻克材料領域‘卡脖子’問題上責無旁貸，必須挺身而出。”
胡小強介紹，從高端材料到高端軸承，其間要經過鍛造、機加工、熱處理等100多道工序，設計、評價、應用哪一個也不能少。在設計上，項目團隊最初了解得不多，對于各種參數為什么是這樣的，并沒有一個清晰的概念。在國內軸承產業鏈上，科研團隊、科研機構、企業能夠承擔哪項工作等基本情況，項目團隊也并不完全掌握。面對時間緊、任務重、基礎弱的現狀，胡小強和團隊成員從查找文獻資料起步，深入全國各地開展廣泛的調查研究，在3個多月的時間里，輾轉16個省市。功夫不負有心人，一支特別能戰斗、敢于奉獻的建制化攻關團隊在胡小強的努力下組建完成。
胡小強帶隊深入生產一線，聯合骨干企業成功攻克大型主軸承高精度加工和精度保持性難題，突破大型滾子一級精密加工技術。
8米直徑主軸承的加工精度要求特別高，但以往國內生產企業受限于進口的設備，加工精度只能達到二級。900多粒滾子的尺寸規格不同，最大直徑達到了130毫米，若無法通過精密加工，達到形性標準要求，大型主軸承研制就會功虧一簣。經過反復試驗，科研團隊在保持加工環境一致性的基礎上，對加工過程進行高精密調控，終于實現了滾子的尺寸穩定性、精度保持性。胡小強說：“一級精密加工是一個重要突破，為其他領域重大裝備、關鍵零部件研制提供了更多可能。”
無論是最初階段研制3米直徑主軸承時的“一窮二白”，還是瞄準8米直徑主軸承時遇到的各種加工設備無法匹配等難題，都給胡小強和團隊成員帶來了巨大壓力。胡小強時刻不忘老一輩科學家扎根一線為國奉獻的精神，一扎到底、以身作則，帶領團隊成員攻克一道道難關，“在研制8米直徑主軸承時，合作企業的設備無法達到要求，讓我們的努力一次次碰壁。可每當我們看到矗立在現場的黨旗，就感到力量油然而生，干勁十足。”
在近3年的時間里，項目團隊用掉1467.4噸稀土軸承鋼，研制出41支大型軸承圈、7996粒滾子、492段銅鋼復合保持架，研制了10套盾構機大型主軸承。其中，8米級主軸承重達41噸，是目前我國制造的首臺直徑最大、單重最大的盾構機主軸承。
技術指揮線馬力十足，離不開行政指揮線、黨委保障線的堅定支持和全面服務。
金屬所制定了《高端軸承自主可控制造專項管理辦法》及10項管理實施細則，為高端軸承攻關任務提供了制度保障。構建了三級高效協同管理架構，設置協調組，與各單位統籌推進，制定示范應用方案和風險控制預案。
金屬所黨委組織協調來自所內的12支不同科研單元團隊、200余名科研人員參與攻關，成立高端軸承制造臨時黨支部和以金屬所首任所長李薰命名的“李薰大型重載軸承攻關突擊隊”。突擊隊提出“一扎到底、勇毅前行”的奮斗口號，隊員們舍小家顧大家，一路攻堅克難，只為實現共同目標。突擊隊隊員高洋負責跟進軸承圈研制，長期駐扎在洛陽的一家參研企業，差點錯過妻子生產。而在孩子降生幾天后，他便告別家人，重返一線，一切只為高端軸承攻關。像高洋這樣的事例不勝枚舉。
新型體制 探索攻關范式
對新型舉國體制下科技攻關高效組織模式的有益探索，摸索出了以高端軸承為代表的關鍵基礎零部件的技術攻關范式。
在先導專項大型主軸承研制“功勞簿”上，一份長長的名單熠熠生輝：金屬所、蘭化所、中交集團、洛陽新強聯、罕王集團、力星股份、伊萊特重工、建龍特鋼、西王特鋼、北方重工集團、沈陽工業大學……
金屬所所長左良介紹，先導專項匯聚了7家中科院科研單位，聯合全國范圍的高校、院所和企業開展協同攻關，參研單位40余家。僅用3年時間就解決了三類典型軸承嚴重依賴進口的“卡脖子”問題，取得了多項有顯示度的重大成果。
胡小強對參研單位不計得失、甘于奉獻記憶猶新。他介紹說，在研制8米級主軸承時，當時國內最大生產能力只能達到5米級，要生產8米級主軸承套圈，必須要對現有設備進行改造，包括電源系統、回轉平臺、控制系統等，“了解到我們的需求后，企業二話不說，與現場科研人員一起，研究如何升級，根本沒有考慮設備損失和后續的投入。”
盾構機大型主軸承成功示范應用，遼寧罕王投資有限公司子公司沈陽罕王精密軸承有限公司（以下簡稱罕王精密）總經理梁繼勇十分興奮，“國產主軸承成功示范應用，是我國高端軸承自主可控制造領域的一件大事，將為軸承產業鏈企業注入更強大的發展動能。”
多年來，罕王精密與金屬所在風電設備軸承研制領域保持著緊密的合作關系。罕王精密在軸承設計、加工、制造等方面的優勢能力，獲得了先導專項盾構機大型主軸項目團隊的認可。“面對從來沒有達到過的一級精密加工要求，雙方科研人員在攻關過程中心往一處想勁往一處使，在淬火、回火、溫度控制等工藝過程中精益求精，力爭做好每個細節。”梁繼勇介紹說，在一個多月的時間里，科研團隊堅守在一線，反復把試驗材料切開，觀察材料內部組織結構，尋找工藝上的突破點。在雙方的共同努力下，大型滾子一級精密加工技術在罕王精密“誕生”。
“我們收獲了經驗和成熟的加工團隊，形成了一級精密加工工藝，極大地提升了企業的技術能力，對企業發展來說是極大助力。未來，我們可以承接更多其他領域的高精度精密加工業務。”梁繼勇說，盾構機大型主軸承研制和示范應用，解決了高端軸承“卡脖子”問題，實現了進口替代。同時，項目的推進和落地，也讓產業鏈相關參研單位獲益匪淺。罕王精密就在國產主軸承研制過程中，進行了技術、設備升級，使得企業發展的動力更加強勁，“作為軸承產業鏈企業，我們十分看好國產大型主軸承產業化并希望能夠參與其中，為軸承產業做大做強貢獻力量。”
勇于擔當 率先示范應用
在沈陽，國產主軸承示范應用得到順利推進，政府的引領推動是關鍵。國產主軸承的技術體系已經完備，完全具備落地產業化的條件。
重大裝備關鍵基礎零部件研制，全鏈條中最難的是首次應用，其中蘊藏的風險不言而喻。但如果沒有第一次實際應用，新技術、新產品、新裝備就是空中樓閣，還會造成巨大的科研浪費。
大型盾構機在掘進過程中只能前進不能倒退，主軸承一旦失效，損失難以計量。國產大型主軸承的首次應用，風險之大、難度之大可想而知。
沈陽地鐵集團是3米級主軸承的項目業主單位，中鐵一局是施工單位，北方重工集團是盾構機生產企業，面對大型主軸承首次示范應用，他們都擔負著巨大的壓力和風險。
全方位科學研判，突破既有條框，勇于為國產主軸承應用提供用武之地，為國產主軸承產業化奠定基礎，沈陽地鐵集團等單位感到既是壓力也是動力。
在示范應用標段招標文件中，沈陽地鐵集團將“支持大型主軸承國產化創新應用”寫入其中，全力支持國產化主軸承示范應用。
中鐵一局在接收盾構機時，向北方重工集團和金屬所詳細了解使用時的注意事項。施工過程中，在遇到巖石層時，按照要求，適當調整刀盤扭矩；全程監控主軸承工作狀態，做好國產主軸承應用的“保姆”。
由于安裝使用全新的主軸承，盾構機改買為租，但北方重工集團毫無怨言。他們配合金屬所，在盾構機上預留接口，安裝傳感器，采集主軸承運行數據。
北方重工隧道工程技術公司總經理許成發說，此次沈陽地鐵施工示范應用國產主軸承，起點比較高，主要原因在于項目地層條件相對復雜，存在一段巖石層。在這種工況下成功完成施工任務，說明國產大型主軸承可以在一些工況相對復雜的情況下使用。
許成發告訴記者，國產主軸承在價格和后續服務上具有后發優勢，但贏得市場口碑順利實現產業化，還需要更多場景應用的成功案例，從而獲得更多施工單位的認可。
胡小強認為，盾構機大型主軸承加工制造、裝配調試、檢測評價等全流程自主可控是一項具有共性的研發體系，不但實現了盾構機大型主軸承的自主研發能力，而且可以帶動其他國產重大裝備關鍵基礎零部件的自主研發。同時，通過貫通各個鏈條，形成了盾構機大型主軸承產業化能力，為重大裝備關鍵基礎零部件的產業化提供了樣本。國產大型主軸承順利應用，全面體現了政府引領下產學研用深度融合的魅力和張力。3米級主軸承的示范應用，為我國國產大型主軸承乃至其他重大裝備關鍵基礎零部件研制推廣提供了非常寶貴的應用經驗，打造了“沈陽范式”，極具推廣價值。“一個很好的示范應用，就可能形成從研制到產業化的良性循環。正是有了政府組織引領、體制機制創新、多要素協同攻關、高效能示范應用，我們相信，國產大型主軸承的明天會更燦爛。”
在盾構機大型主軸承示范應用標段貫通儀式上，李依依院士深有感觸地說，正是有了沈陽市委、市政府的大力支持，有了眾多參研單位擰成一股繩，才最終成功實現了國產主軸承的示范應用。金屬所牽頭研制的國內最大、完全自主研制的8米級主軸承，目前已經確定示范應用標段，計劃用在過湖隧道挖掘工程中。
（沈陽日報記者 岳 雨本版圖片由沈陽日報、沈報全媒體主任記者李浩攝）
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責任編輯：Rex_29
