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盾构机轴承研发应用现状及展望

首页 > 新闻中心 > 技术资料    发布时间:2019/8/3 9:47:30 点击量:

 盾构机是一种专用于隧道掘进施工的工程机械,能够完成掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业,是集机、电、液、光、气等系统为一体的工厂化流水线式作业的隧道施工装备。21世纪是地下空间的世纪,有效开发利用地下资源,拓展人类生存、生产环境,已成为当今世界的重要发展方向。随着我国城市地铁、铁道隧道、公路隧道、水利工程、城市市政燃气管道工程、排污管道工程、供热供冷管道工程、电缆管道工程盾构法施工的全面铺开,盾构机市场总需求呈快速增长趋势,也给盾构机轴承带来广阔的市场。

  盾构机轴承是盾构机的关键、核心部件,尤其是主轴承被视为盾构机的心脏,长期以来一直依赖进口,其生产厂家主要集中在德国、瑞典和日本等发达国家。目前,我国盾构机保有量2000余台,每年新造400余台,并且轴承需定期维护更换,对盾构机轴承的国产化需求日益迫切。国外产品由于长期垄断,价格高,交货期长,同时服务质量也无法满足盾构机制造和施工企业的要求。因此,实现盾构机轴承研发—工程化—产业化,对提升我国装备制造水平和重大装备核心竞争力,维护国民经济安全有着重大的意义。
  02 我国盾构机轴承的现状
  1.盾构机轴承的研发情况
我国从1957年开始进行盾构机的研制,1966年我国首台隧道盾构机在杭州水利部研究院研制成功,通过六十年的不断引进、消化吸收再创新和自主创新涌现出中铁装备、铁建重工、上海隧道工程、北方重工、中交天和等一批具有国际竞争力的盾构机制造企业。然而在国产盾构机占据我国市场份额近80%的今天,盾构轴承仍然为欧洲、美国、日本少数几家公司所垄断。
  盾构系列轴承中盾构主轴承和滚刀轴承主要依赖国外品牌,其中盾构主轴承主要采用ROTHEERDE、SKF、ROBALLO、KOYO、IMO几家公司产品,滚刀轴承主要采用美国TIMKEN公司产品,少量NTN产品,这两种轴承远未达到国产化的目标。相对成熟的管片拼装机轴承和螺旋输送机轴承国产轴承应用率较高,但仍存在着密封结构不合理、齿面容易磨损等问题需要进一步技术提升,且在大直径盾构的管片拼装机应用方面,国产轴承应用率还很低。
  2.盾构主轴承应用情况
  科技部从2007年起开始战略布局盾构机关键核心零部件的研发,通过“863”计划项目《土压平衡盾构主轴承的研制》的实施,在盾构主轴承设计分析技术、大模数齿圈单齿背冷感应淬火技术、表面淬火硬化层无损检测方法、盾构主轴承精密加工工艺、异种金属保持架焊接工艺技术等关键技术的研发应用上取得了重大突破,研制主轴承寿命达到7000H以上。
  2016年9月,国内首台Φ6.28米复合盾构机国产主轴承下线,经行业专家评估达到国外盾构机主轴承水平。同年11月,装有该主轴承的盾构机CT006H在中铁隧道局合肥地铁三号线正式投入施工使用;2018年3月,经过一年多的施工应用,投入合肥地铁三号线施工的主轴承连续工作累计掘进2369.65米,最高日掘进28.5米,最高月掘进397.5米,顺利完成全标段工程。经检测,该台盾构机运行平稳可靠,拆解后主轴承状态良好,标志着我国已经掌握了盾构机主轴承的核心技术,打破了少数国外公司的技术垄断,主轴承能满足(6-7)米级盾构机的使用要求。下一步可在行业内全面推广应用,该产品工程化应用取得的成果,实现了优势领域共性技术和关键技术的重大突破,为推动盾构机装备由中国制造向中国创造转变起到重要作用。
  目前,中铁隧道、中铁装备、铁建重工、中铁四局等盾构机制造企业已经陆续开始(6-7)米级盾构机国产主轴承的应用,加大了盾构机轴承的研发——工程化——产业化的力度,正在逐步形成产业化。同时,(11-12)米级盾构机国产主轴承已在研制中,尚需通过不断的技术创新,逐步实现大直径复合盾构国产主轴承的应用。
  3.盾构主轴承国内外对比
  盾构机主轴承主要供应商瑞典SKF、德国ROTHEERDE、日本ROBALLO、KOYO等,他们在理论研究、产品设计、材料及热处理、加工制造、试验检测和售后服务体系等方面都比较成熟,生产的轴承可以无故障使用10000h以上(或累计掘进10km以上)。国内目前(6-7)米级盾构机主轴承才完成工程化应用,尚未形成核心竞争能力,而由于缺乏相应的试验手段和相关的基础资料,在设计理论、制造工艺、安装及使用经验,以及承载能力、寿命和可靠性、质量的一致性等方面与国外同期同类产品相比,还存在一定的差距。对大型盾构机和TBM掘进机主轴承,国内轴承企业研究的更少,尚需进行更多的基础研究和技术创新。
  03 盾构机轴承的关键技术
  盾构轴承发展需要攻克的关键技术:
  1.盾构主轴承设计技术
  (1)建立覆盖典型地质条件的工况数据库,制定满足静强度分析、动力学分析、可靠度预测、性能和寿命试验所必需的定常和非定常动态载荷谱、特殊工况下的极限载荷谱等。
  (2)完成主轴承失效数据搜集和分析,编制典型工况条件下主轴承失效图谱。
  (3)开展低速、重载、冲击条件下主轴承的润滑理论及摩擦学研究,定常和非定常动态工况下主轴承的接触力学和动力学特征研究,形成相应的设计理论。
  (4)主轴承可靠性理论研究。建立不同地质和掘进工况条件下主轴承可靠性理论与剩余寿命预估技术。
  (5)主轴承强度、刚度及寿命设计理论研究,开发主轴承主参数、滚子和滚道的理想凸度、轴承游隙、密封结构、保持架等零件结构参数优化设计,以及主轴承性能仿真与寿命预测软件。
  2.盾构主轴承控形控性制造技术
  (1)制定专门的盾构主轴承的钢材质量控制标准,建立钢材质量控制系统,实现“四化”要求,即成份设计智能化、内在质量高纯化、生产过程自动化和冶金质量一致化。
  (2)开展精密热处理技术研究,开发三个滚道同时淬火、齿轮淬火工艺,研制专用数控热处理设备和工装,提高淬火质量的一致性和稳定性;开发具有自主知识产权的材料性能模拟软件;开发热处理质量的动态在线控制及检测技术;研究适用于主轴承的表面改性技术。
  (3)全面掌握盾构机主轴承零件精密加工技术,开发主轴承滚道的硬车工艺、CBN等超硬刀具制造技术。
  (4)全面掌握盾构机主轴承的润滑与密封系统设计制造技术。
  (5)全面掌握盾构主轴承再制造技术,制定主轴承再制造质量标准。
  3.主轴承质量检测与健康状态监控技术
  (1)主轴承寿命达到12000h甚至更长,可靠性更高,达到国际先进水平,全面替代进口。
  (2)制定盾构主轴承专门的产品标准,严格规定主轴承的基本系列参数、材料、热处理、内在和表面质量等技术要求、试验方法和检验规则等。
  (3)开发盾构主轴承专门的无损检测技术,制定无损检测技术规范。
  (4)研制内嵌式超微型传感器,开发数字化、网络化和智能化的状态监测与故障诊断软件。
  (5)研制盾构主轴承试验台,考核主轴承的启动摩擦力矩、最大摩擦力矩、耐久性能等,形成盾构主轴承试验规范。
  04 盾构机轴承的发展方向
  目前,盾构机向着大型高效、智能化、多功能、长寿命、高可靠性、定向准确的方向发展。盾构机最大挖掘直径达到15.43m,直径19m的盾构机也在设计制造中。盾构机寿命也有大的提高,对于岩石盾构机工作寿命已达到50km,月掘进量可超过1km,刀具的破岩强度也达到了450MPa。在智能化方面,大型盾构机中已经配备计算机、激光导向、传感器、地质超强探测仪等现代系统设备,并且在一些盾构机使用了远程监控以及地面卫星导向等技术,成为融合机、光、电、液、传感、信息等多项技术于一身的专用隧道掘进机械。随着国内外盾构机技术的迅速发展,软土盾构机技术和岩石盾构机技术正在相互渗透,盾构机正朝着适应各种地层的复合型盾构机发展,将大大降低成本,提高工作效率。
  为适应盾构机的发展要求,盾构主轴承的研发将向高端智能盾构轴承的方向发展,以“中国制造2025”提出的“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针,在高端智能轴承的设计、制造工艺、检测、试验及应用技术等方面不断的进行技术创新,通过科技成果转化、知识产权运用和协同管理等措施,推进盾构机轴承的国产化、智能化、产业化,并打造出一流的盾构轴承研发平台,形成一流的研发团队,打造具有核心竞争力的盾构轴承研发生产基地。
  05 我国盾构机轴承的发展目标
  通过对高端智能盾构轴承的优化设计技术、材料与热处理技术、冷加工技术、检测技术、试验及应用技术等方面技术升级,完成盾构系列轴承的研制,实现盾构系列轴承产品的产业化应用,提升国内盾构轴承的高承载力、长寿命和高可靠性的性能,实现智能化、绿色化、可持续发展的生产模式,引领我国盾构轴承行业科学技术整体进步。
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