穿山过河，掘土凿岩……在大型工程的隧道施工中，盾构机已成为不可或缺的“神兵利器”。盾构机之所以能“啃”下硬石头，靠的是主轴承驱动刀盘，这也是设施安全可靠运转的“命门”所在。
直径18至20米的盾构机，可满足已知工程最大需求，与此相匹配的主轴承直径规格为8.61米。2019年7月，中国铁建重工集团股份有限公司（以下简称“铁建重工”）成立197研究设计院，矢志攻克这一难关。
四年后，直径8.61米、重62吨，全球直径最大、单体最重、承载最高的盾构机主轴承面世。日前，在接受科技日报记者正常采访时，197研究设计院院长麻成标自豪地说：“从材料到工艺再到设计验证，我们实现了超大盾构机主轴承的全过程自主生产，为中国制造再添一枚金牌！”
“在盾构机掘进过程中，8.61米主轴承必须经受住超重载、大偏载、频变载等极端恶劣工况的考验。”麻成标说，“所以，它得足够‘硬’。”
“以主轴承的内齿圈为例，它需要一个洛氏硬度大于58、厚度不低于8毫米的圈层，才能承受住超万吨的载荷。”研发团队制造工艺负责人解金东告诉科技日报记者。
这8毫米圈层，被解金东形象地比喻为内齿圈的“金钟罩”，是主轴承练就压不碎、磨不烂功夫的关键。然而，当时国内常规的中碳轴承钢淬火工艺仅能达到洛氏硬度55、表面淬深5毫米。
“硬度与厚度每提升一个单位，都‘难于上青天’。”解金东说，轴承钢材料包含20多种配方元素。这些元素互相影响，配比需要精准控制，每次调配都是千分之一量级。
研发团队联合钢铁企业，历经数十次技术讨论与测试，终于摸索出适用于大直径主轴承制造的钢材标准。
因为体积非常庞大，通用轴承的整体淬火工艺，无法照搬到8.61米主轴承上，只能采用表面淬火。如何保障淬火硬度、深度和均匀性，成为一大难题。
研发人员不断调整思路，局部淬火、多次淬火……然而，这一些方法虽然提高了淬深，却带来新问题——局部交叉区域温度相互干涉。
一次偶然的机会，解金东在翻阅有关的资料时，从“越王勾践剑”制造工艺——“覆土烧刃”中得到启示：以土为媒介，可完美解决淬火区域温度不均的问题。
“我们用古剑法练出了‘金钟罩’。”麻成标说，研发团队以此为灵感，成功开发出一种新的耐高温介质，温度相互干涉的难题迎刃而解。
浮动环是主轴承的核心零部件，主轴承的滚子会不断碾压其内壁的高点。“长此以往，局部会被压坏，造成‘千里之堤溃于蚁穴’。”麻成标解释，浮动环的内壁必须充足“平”。
与之前铁建重工研制的直径3米主轴承相比，8.61米主轴承重量增加约8倍，内壁圆域面积增大近9倍。“但平面度的控制要求却不能降低，仍要小于20微米。这相当于壁面起伏不能超过一张A4纸厚度的五分之一。”麻成标说。
“刚开始，我们研制的浮动环始终没有办法满足设计要求。”解金东介绍，由于浮动环厚度薄、面积大，长时间加工调整其平面度后，原本曲率均匀的大圆环犹如一盘“甩面”，出现了肉眼可见的扭曲。
专家们多次现场会诊，终于探明“病因”——用于修整平面度的砂轮，与浮动环长时间、大面积接触摩擦，导致后者受热过高产生变形。
说干就干！研发人员仔细研究砂轮的工作机制与运行轨迹，在调整砂轮形状上下足了功夫。“减少接触面的同时，我们要确保砂轮的运行轨迹覆盖内壁的每一处。”解金东说。
一次次修型调整、测试验证，团队终于设计出一款全新造型的砂轮，成功加工出符合平面度要求的浮动环。
砂轮改造只是诸多制造工艺的“冰山一角”。研发团队还先后攻克了冷加工、回火、残应力均衡等20余种制造工艺难题，首创“超大尺寸薄壁环件淬火后变形控制”“高精密磨削加工”“高淬硬齿面硬铣”等技术。
为适应复杂工况，每一台盾构机都须依据工程要求“量身定制”。这也代表着主轴承要按需打造。
“此前，我们能造主轴承，却不能设计。”197研究设计院设计所技术员陈浩林和记者说，每次调整主轴承相关设计，数据都需要发给国外厂商做验证，周期长达2个多月。
“时间久不说，外商每年还会按比例涨价。”麻成标说，在攻关8.61米主轴承伊始，研发团队就下定了决心，“必须实现自主设计。”
“我们边制造、边摸索。一个部件造出来了，就用试验数据反推其设计方法。”麻成标介绍。
有一次，进程被关键计算公式卡住。“设计人员算到头晕目眩，依旧对不上试验数据。”陈浩林回忆，大家仿佛走进了一条“死胡同”。
研发人员夜以继日地研究，目光最终聚焦到公式参数上。4组参数，每组200余种组合，历经800多次计算调整……在确定一系列参数后，计算公式得以成功论证。
为了分析计算结果，团队又利用铁建重工多年积累的大量施工经验与数据，构建出仿真模型。
“通过理论计算和仿真分析研究，我们成功开发出主轴承专用设计与仿真软件，实现了‘工程理论计算+模拟仿真分析+工况模拟试验+工程应用验证’闭环设计验证体系。”陈浩林说。
在此基础上，铁建重工还搭建起全球最大的主轴承工况模拟综合试验台，解决了大型低速重载主轴承难以试验验证的世界性难题。
全球最大直径盾构机主轴承下线米主轴承成功下线，标志着铁建重工突破了材料、工艺、设计、验证四大技术难题，实现了直径3米到8.61米主轴承产品型谱设计制造全覆盖、全国产化。
“党的二十届三中全会提出，‘统筹强化关键核心技术攻关’和‘强化企业科学技术创新主体地位’。这让大家信心更足、动力更大。”麻成标说，“未来，我们将立足破解‘卡脖子’难题，继续推进高端轴承国产化、产业化，把中国制造的名片擦得更亮！”
铁建重工成立于2007年，隶属于央企中国铁建股份有限公司(2014年世界五百强名列第80位)，是集高端地下装备和轨道装备研究、设计、制造、服务于一体的专业化企业，在湖南长沙、株洲、四川隆昌和甘肃兰州等地建立了多个制造基地，在长沙、北京、兰州等地建立了11个研究院，是国家认定的重点高新技术企业和国家级两化融合示范企业。集团下设“四总部、两中心”（掘进机事业总部、特种装备事业总部、轨道设备事业总部、海外事业总部、技术中心、制造供应中心）以及两个全资控股子公司中铁隆昌铁路器材有限公司和株洲中铁电气物资有限公司。铁建重工始终瞄准“世界一流、国内领先”的目标，坚持“科学技术创新时空，服务引领未来”的理念，走创新型、哑铃型和服务型道路，积极发挥建筑施工行业优势，充分的利用中国铁建长期积累的实施工程技术与施工经验，通过“原始创新、集成创新、协同创新和持续创新”的自主创新模式，加强“产、学、研、用”的结合，掌握了多项具有世界领先水平和自主知识产权的核心技术，打造了掘进机装备、特种施工装备、轨道设备三大专业板块产品格局。近年来，中国铁建重工集团先后承担和参与国家、省部级重大科学技术计划40余项，研制出地下工程装备和轨道设备新产品300余项。组建了国家级企业技术中心、地下掘进装备工程技术研究中心、水下隧道工程实验室、博士后工作站、院士工作站等多个高端科学技术创新平台。自主研制的具有完全自主知识产权的隧道盾构/TBM，普遍的使用在长沙、北京、西安、武汉、广州、苏州、南京等城市地铁工程和铁路、煤矿工程，目前国内市场占有率排名前列；自主研制出国内首台大直径硬岩隧道掘进机（TBM）和矿山法隧道机械，填补国内地下工程装备空白；创新开拓了盾构在煤矿领域的应用，研制出煤矿斜井TBM，填补世界空白；研发出预切槽隧道施工成套装备，全方面提升传统隧道矿山法实施工程技术；研制出具备自主知识产权的链刀式连续墙设备，较好满足了深基坑支护的水泥土搅拌桩墙“深、快、强”的需要；研制出掘锚同步的护盾式连续掘锚机，实现煤巷快速掘锚；建设了国际先进的轨道系列设备生产线，道岔系列新产品占据国内市场占有率的三分之一，创造了国内高铁最高运营时速的最好舒适度水平；闸瓦和弹条扣件产品不仅在国内市场优势明显还远销海外。近年来，集团公司被中央确定为“制造业向制造服务业成功转型”的先进典型企业，先后荣获“国家重大技术装备首台（套）示范单位”、“全国建筑施工机械和掘进机械行业标准起草单位”、“国家863计划成果产业化基地”、“中国工程机械制造商50强企业”、“中国轨道交通创新力TOP50企业”、“中国工程机械最具成长力企业”、“全国企业文化建设百佳单位”、“中央企业思想政治工作先进单位”等称号，快速打造了中国地下工程和轨道交通行业最具影响力的自主创新品牌，正在向全球最好的轨道交通及隧道装备制造公司集团目标迈进。
