“沈阳范式”为盾构机装上“中国心”
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——我国首台盾构机用3米级主轴承圆满完成示范应用纪实
我国首台盾构机用3米级主轴承圆满完成沈阳地铁一号线东延线示范应用标段施工任务。
胡小强（右二）带领科研团队推进国产盾构机大型主轴承研发。
盾构机是开挖隧道的神器，而主轴承是盾构机刀盘驱动系统的核心关键部件，被称为“盾构机的心脏”。长久以来，“盾构机的心脏”却是国产盾构机中唯一未国产化的核心部件，不仅在技术上被“卡脖子”，在产品价格、供货周期、后续服务等诸多方面，也受制于国外企业。
5月8日，中国科学院战略性先导科技专项“高端轴承自主可控制造”（以下简称先导专项）盾构机大型主轴承示范应用标段贯通仪式在中国科学院金属研究所（以下简称金属所）举行。我国首台盾构机用3米级主轴承圆满完成沈阳地铁一号线东延线示范应用标段施工任务，为科技成果本地转化应用树立了标杆，更彰显了我国重大装备关键基础零部件研发应用的“沈阳范式”。
数日来，记者与这支由金属所12个不同科研单元、200余名科研人员组成、具有钢铁意志的科研团队，以及相关参研单位面对面，了解到他们是如何冲破重重困难，突破盾构机完全国产化道路上最关键、最重要、难度最大的一环，翻开了盾构机百分之百自主化制造崭新一页的全过程。
“三线”联动 创新保障机制
作为先导专项牵头单位，金属所在行政指挥线、技术指挥线基础上，首创党委保障线，“三线”联动实现上下贯通、党政联动、多方互动，为顺利完成先导专项构筑坚实保障。
2020年，中国科学院先导专项启动，面向三类高端轴承开展自主研发，打通高端轴承自主可控制造的“最后一公里”。
先导专项意义重大，不容有失。金属所重任在肩，勇毅前行。
材料是高端轴承自主可控制造的基础、出发点。由先导专项首席科学家、金属所研究员李殿中和中国科学院院士李依依牵头的技术指挥线，从材料源头入手破解关键技术难题。
科研团队深刻意识到，开发国产高端轴承，必须要走出自己的技术路线，不能跟着别人跑。他们坚定地认为，金属所研发的稀土轴承钢有望成为我国高端轴承钢的“杀手锏”技术。
金属所有着60多年的稀土钢研究历史，历经四代科研人员。李殿中团队发现，造成稀土钢性能不稳定的原因在于材料中存在着颗粒较大的夹杂物，而这些夹杂物是稀土原料加入后形成的。科研团队跑遍全国主要稀土生产企业，深入到稀土生产车间，找到稀土材料中氧含量超标的原因。随后，科研团队开发出低氧稀土钢关键技术，制备出性能优越、稳定性好的低氧稀土钢。用低氧稀土钢制备轴承，其拉压疲劳性能提高40多倍，滚动接触疲劳性能提升40%。
作为先导专项盾构机主轴承研制技术总师，金属所研究员胡小强从立项开始，就往来奔波于科研、加工、生产、应用一线，为我国首台盾构机大型主轴承研制工作默默奉献着。他说：“面对挑战，我们发扬金属所老一辈科学家扎根一线发现问题、解决问题、引领科研的精神，持续攻坚克难。我们是材料科学研究的‘国家队’，在攻克材料领域‘卡脖子’问题上责无旁贷，必须挺身而出。”
胡小强介绍，从高端材料到高端轴承，其间要经过锻造、机加工、热处理等100多道工序，设计、评价、应用哪一个也不能少。在设计上，项目团队最初了解得不多，对于各种参数为什么是这样的，并没有一个清晰的概念。在国内轴承产业链上，科研团队、科研机构、企业能够承担哪项工作等基本情况，项目团队也并不完全掌握。面对时间紧、任务重、基础弱的现状，胡小强和团队成员从查找文献资料起步，深入全国各地开展广泛的调查研究，在3个多月的时间里，辗转16个省市。功夫不负有心人，一支特别能战斗、敢于奉献的建制化攻关团队在胡小强的努力下组建完成。
胡小强带队深入生产一线，联合骨干企业成功攻克大型主轴承高精度加工和精度保持性难题，突破大型滚子一级精密加工技术。
8米直径主轴承的加工精度要求特别高，但以往国内生产企业受限于进口的设备，加工精度只能达到二级。900多粒滚子的尺寸规格不同，最大直径达到了130毫米，若无法通过精密加工，达到形性标准要求，大型主轴承研制就会功亏一篑。经过反复试验，科研团队在保持加工环境一致性的基础上，对加工过程进行高精密调控，终于实现了滚子的尺寸稳定性、精度保持性。胡小强说：“一级精密加工是一个重要突破，为其他领域重大装备、关键零部件研制提供了更多可能。”
无论是最初阶段研制3米直径主轴承时的“一穷二白”，还是瞄准8米直径主轴承时遇到的各种加工设备无法匹配等难题，都给胡小强和团队成员带来了巨大压力。胡小强时刻不忘老一辈科学家扎根一线为国奉献的精神，一扎到底、以身作则，带领团队成员攻克一道道难关，“在研制8米直径主轴承时，合作企业的设备无法达到要求，让我们的努力一次次碰壁。可每当我们看到矗立在现场的党旗，就感到力量油然而生，干劲十足。”
在近3年的时间里，项目团队用掉1467.4吨稀土轴承钢，研制出41支大型轴承圈、7996粒滚子、492段铜钢复合保持架，研制了10套盾构机大型主轴承。其中，8米级主轴承重达41吨，是目前我国制造的首台直径最大、单重最大的盾构机主轴承。
技术指挥线马力十足，离不开行政指挥线、党委保障线的坚定支持和全面服务。
金属所制定了《高端轴承自主可控制造专项管理办法》及10项管理实施细则，为高端轴承攻关任务提供了制度保障。构建了三级高效协同管理架构，设置协调组，与各单位统筹推进，制定示范应用方案和风险控制预案。
金属所党委组织协调来自所内的12支不同科研单元团队、200余名科研人员参与攻关，成立高端轴承制造临时党支部和以金属所首任所长李薰命名的“李薰大型重载轴承攻关突击队”。突击队提出“一扎到底、勇毅前行”的奋斗口号，队员们舍小家顾大家，一路攻坚克难，只为实现共同目标。突击队队员高洋负责跟进轴承圈研制，长期驻扎在洛阳的一家参研企业，差点错过妻子生产。而在孩子降生几天后，他便告别家人，重返一线，一切只为高端轴承攻关。像高洋这样的事例不胜枚举。
新型体制 探索攻关范式
对新型举国体制下科技攻关高效组织模式的有益探索，摸索出了以高端轴承为代表的关键基础零部件的技术攻关范式。
在先导专项大型主轴承研制“功劳簿”上，一份长长的名单熠熠生辉：金属所、兰化所、中交集团、洛阳新强联、罕王集团、力星股份、伊莱特重工、建龙特钢、西王特钢、北方重工集团、沈阳工业大学……
金属所所长左良介绍，先导专项汇聚了7家中科院科研单位，联合全国范围的高校、院所和企业开展协同攻关，参研单位40余家。仅用3年时间就解决了三类典型轴承严重依赖进口的“卡脖子”问题，取得了多项有显示度的重大成果。
胡小强对参研单位不计得失、甘于奉献记忆犹新。他介绍说，在研制8米级主轴承时，当时国内最大生产能力只能达到5米级，要生产8米级主轴承套圈，必须要对现有设备进行改造，包括电源系统、回转平台、控制系统等，“了解到我们的需求后，企业二话不说，与现场科研人员一起，研究如何升级，根本没有考虑设备损失和后续的投入。”
盾构机大型主轴承成功示范应用，辽宁罕王投资有限公司子公司沈阳罕王精密轴承有限公司（以下简称罕王精密）总经理梁继勇十分兴奋，“国产主轴承成功示范应用，是我国高端轴承自主可控制造领域的一件大事，将为轴承产业链企业注入更强大的发展动能。”
多年来，罕王精密与金属所在风电设备轴承研制领域保持着紧密的合作关系。罕王精密在轴承设计、加工、制造等方面的优势能力，获得了先导专项盾构机大型主轴项目团队的认可。“面对从来没有达到过的一级精密加工要求，双方科研人员在攻关过程中心往一处想劲往一处使，在淬火、回火、温度控制等工艺过程中精益求精，力争做好每个细节。”梁继勇介绍说，在一个多月的时间里，科研团队坚守在一线，反复把试验材料切开，观察材料内部组织结构，寻找工艺上的突破点。在双方的共同努力下，大型滚子一级精密加工技术在罕王精密“诞生”。
“我们收获了经验和成熟的加工团队，形成了一级精密加工工艺，极大地提升了企业的技术能力，对企业发展来说是极大助力。未来，我们可以承接更多其他领域的高精度精密加工业务。”梁继勇说，盾构机大型主轴承研制和示范应用，解决了高端轴承“卡脖子”问题，实现了进口替代。同时，项目的推进和落地，也让产业链相关参研单位获益匪浅。罕王精密就在国产主轴承研制过程中，进行了技术、设备升级，使得企业发展的动力更加强劲，“作为轴承产业链企业，我们十分看好国产大型主轴承产业化并希望能够参与其中，为轴承产业做大做强贡献力量。”
勇于担当 率先示范应用
在沈阳，国产主轴承示范应用得到顺利推进，政府的引领推动是关键。国产主轴承的技术体系已经完备，完全具备落地产业化的条件。
重大装备关键基础零部件研制，全链条中最难的是首次应用，其中蕴藏的风险不言而喻。但如果没有第一次实际应用，新技术、新产品、新装备就是空中楼阁，还会造成巨大的科研浪费。
大型盾构机在掘进过程中只能前进不能倒退，主轴承一旦失效，损失难以计量。国产大型主轴承的首次应用，风险之大、难度之大可想而知。
沈阳地铁集团是3米级主轴承的项目业主单位，中铁一局是施工单位，北方重工集团是盾构机生产企业，面对大型主轴承首次示范应用，他们都担负着巨大的压力和风险。
全方位科学研判，突破既有条框，勇于为国产主轴承应用提供用武之地，为国产主轴承产业化奠定基础，沈阳地铁集团等单位感到既是压力也是动力。
在示范应用标段招标文件中，沈阳地铁集团将“支持大型主轴承国产化创新应用”写入其中，全力支持国产化主轴承示范应用。
中铁一局在接收盾构机时，向北方重工集团和金属所详细了解使用时的注意事项。施工过程中，在遇到岩石层时，按照要求，适当调整刀盘扭矩；全程监控主轴承工作状态，做好国产主轴承应用的“保姆”。
由于安装使用全新的主轴承，盾构机改买为租，但北方重工集团毫无怨言。他们配合金属所，在盾构机上预留接口，安装传感器，采集主轴承运行数据。
北方重工隧道工程技术公司总经理许成发说，此次沈阳地铁施工示范应用国产主轴承，起点比较高，主要原因在于项目地层条件相对复杂，存在一段岩石层。在这种工况下成功完成施工任务，说明国产大型主轴承可以在一些工况相对复杂的情况下使用。
许成发告诉记者，国产主轴承在价格和后续服务上具有后发优势，但赢得市场口碑顺利实现产业化，还需要更多场景应用的成功案例，从而获得更多施工单位的认可。
胡小强认为，盾构机大型主轴承加工制造、装配调试、检测评价等全流程自主可控是一项具有共性的研发体系，不但实现了盾构机大型主轴承的自主研发能力，而且可以带动其他国产重大装备关键基础零部件的自主研发。同时，通过贯通各个链条，形成了盾构机大型主轴承产业化能力，为重大装备关键基础零部件的产业化提供了样本。国产大型主轴承顺利应用，全面体现了政府引领下产学研用深度融合的魅力和张力。3米级主轴承的示范应用，为我国国产大型主轴承乃至其他重大装备关键基础零部件研制推广提供了非常宝贵的应用经验，打造了“沈阳范式”，极具推广价值。“一个很好的示范应用，就可能形成从研制到产业化的良性循环。正是有了政府组织引领、体制机制创新、多要素协同攻关、高效能示范应用，我们相信，国产大型主轴承的明天会更灿烂。”
在盾构机大型主轴承示范应用标段贯通仪式上，李依依院士深有感触地说，正是有了沈阳市委、市政府的大力支持，有了众多参研单位拧成一股绳，才最终成功实现了国产主轴承的示范应用。金属所牵头研制的国内最大、完全自主研制的8米级主轴承，目前已经确定示范应用标段，计划用在过湖隧道挖掘工程中。
（沈阳日报记者 岳 雨本版图片由沈阳日报、沈报全媒体主任记者李浩摄）
