盾構機是地下工程智能成套裝備的“王者”，而主軸承是盾構機的“心臟”。

這顆“心臟”直面盾構機超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況的考驗，其材料、設計、制造與試驗難度極大，處于大型高端精密軸承產業鏈最頂端。

2019年7月，中國鐵建重工集團股份有限公司（以下簡稱“鐵建重工”）成立197研究設計院，矢志攻克盾構機主軸承關鍵技術。

四年后，直徑8.61米、重62噸，全球直徑最大、單體最重、承載最高的盾構機主軸承面世。這是迄今全球最大直徑整體式盾構機主軸承，突破了當前盾構機主軸承研制能力的“天花板”，國產高端地下掘進裝備從此有了全系列具備自主知識產權的“中國心”。日前，在接受科技日報記者采訪時，197研究設計院院長麻成標自豪地說：“從材料到工藝再到設計驗證，我們實現了超大盾構機主軸承的全過程自主生產，為中國制造再添一枚金牌！”

“古劍法練出‘金鐘罩’”

在盾構機掘進過程中，8.61米主軸承必須經受住超重載、大偏載、頻變載等極端惡劣工況的考驗。

材料與工藝，是制造“硬”軸承第一道關卡。

“以主軸承的內齒圈為例，它需要一個洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈層，才能承受住超萬噸的載荷。”研發團隊制造工藝負責人解金東告訴科技日報記者。

這8毫米圈層，被解金東形象地比喻為內齒圈的“金鐘罩”，是主軸承練就壓不碎、磨不爛功夫的關鍵。

軸承鋼材料包含20多種配方元素。這些元素互相影響，配比需要精準控制，每次調配都是千分之一量級，解金東說。

研發團隊聯合鋼鐵企業，歷經數十次技術討論與測試，終于摸索出適用于大直徑主軸承制造的鋼材標準。

材料有了，還須突破淬火工藝。

因為體積龐大，通用軸承的整體淬火工藝，無法照搬到8.61米主軸承上，只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均勻性，成為一大難題。

一次偶然的機會，解金東在翻閱相關資料時，從“越王勾踐劍”制造工藝——“覆土燒刃”中得到啟示：以土為媒介，可完美解決淬火區域溫度不均的問題。

“我們用古劍法練出了‘金鐘罩’。”麻成標說，研發團隊以此為靈感，成功開發出一種新的耐高溫介質，溫度相互干涉的難題迎刃而解。

“何不對砂輪‘動手腳’”

硬度達標了，下一關是精準控制平面度。

“浮動環是主軸承的核心零部件，主軸承的滾子會不斷碾壓其內壁的高點。”麻成標解釋，浮動環的內壁必須足夠“平”。

與之前鐵建重工研制的直徑3米主軸承相比，8.61米主軸承重量增加約8倍，內壁圓域面積增大近9倍。“但平面度的控制要求卻不能降低，仍要小于20微米。這相當于壁面起伏不能超過一張A4紙厚度的五分之一。”麻成標說。

專家們多次現場會診，終于探明“病因”——用于修整平面度的砂輪，與浮動環長時間、大面積接觸摩擦，導致后者受熱過高產生變形。

“既然與砂輪接觸面大，何不對砂輪‘動手腳’？”有人突發奇想。

研發人員仔細研究砂輪的工作機制與運行軌跡，在調整砂輪形狀上下足了功夫。“減少接觸面的同時，我們要確保砂輪的運行軌跡覆蓋內壁的每一處。”解金東說。

一次次修型調整、測試驗證，團隊終于設計出一款全新造型的砂輪，成功加工出符合平面度要求的浮動環。

“用數據反推設計方法”

為適應復雜工況，每一臺盾構機都須根據工程要求“量身定制”。這也意味著主軸承要按需打造。

研發人員夜以繼日地研究，目光最終聚焦到公式參數上。

“通過理論計算和仿真分析研究，我們成功開發出主軸承專用設計與仿真軟件，實現了‘工程理論計算+模擬仿真分析+工況模擬試驗+工程應用驗證’閉環設計驗證體系。”陳浩林說。

在此基礎上，鐵建重工還搭建起全球最大的主軸承工況模擬綜合試驗臺，解決了大型低速重載主軸承難以試驗驗證的世界性難題。

麻成標說，“未來，我們將立足破解‘卡脖子’難題，繼續推進高端軸承國產化、產業化，把中國制造的名片擦得更亮！”