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中國科學(xué)院金屬研究所（以下簡稱金屬所）研究員李殿中永遠忘不了2020年的一天，當他走進某國內(nèi)盾構(gòu)機制造企業(yè)的倉庫時，眼前的一切讓他震撼不已。

“盾構(gòu)機制造是一項長周期工作，本不需要儲備過多組件，但這間倉庫里卻放著十幾套盾構(gòu)機主軸承，總價值達上億元?！崩畹钪姓f。

彼時，我國已進入軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高峰期。作為鑿山開路、過江跨海工程項目的利器，大型盾構(gòu)機已實現(xiàn)大部分部件的國產(chǎn)化，但最關(guān)鍵的核心部件——主軸承卻長期依賴進口。

如果將大型盾構(gòu)機比作一個人，那么主軸承的作用堪比心臟。當“心臟”被攥在別人手心時，盾構(gòu)機制造企業(yè)所承受的壓力以及我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)面臨的潛在風(fēng)險可想而知。于是，為了規(guī)避可能的“斷供”，很多企業(yè)只能不惜成本囤積大量主軸承。

“我們有責任給國產(chǎn)大型盾構(gòu)機裝上一顆‘中國心’。”李殿中暗下決心。

2022年12月15日，金屬所宣布，李殿中和該所研究員、中國科學(xué)院院士李依依，該所研究員胡小強帶領(lǐng)團隊，聯(lián)合國內(nèi)其他研究機構(gòu)和企業(yè)，成功研制出超大型盾構(gòu)機用直徑8米主軸承。我國大型盾構(gòu)機國產(chǎn)化和自主可控鏈條由此順利打通。

自研超大型盾構(gòu)機用直徑8米級主軸承。

1?幾代人接力攻克“稀土鋼”

盾構(gòu)機全名盾構(gòu)隧道掘進機，是一種隧道掘進的專用工程機械，其主軸承是刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件。盾構(gòu)機在掘進過程中，主軸承“手持”刀盤旋轉(zhuǎn)，切削掌子面并為刀盤提供旋轉(zhuǎn)支撐。

“直徑8米的主軸承在運轉(zhuǎn)過程中，承載的最大軸向力可達1億牛頓，相當于2500頭成年亞洲象的體重。”胡小強介紹，大型盾構(gòu)機在掘進時只能前進不能倒退，主軸承一旦失效，會造成嚴重損失。主軸承的國產(chǎn)化自然而然成為必須攻克的“卡脖子”難題。

然而，這個問題出現(xiàn)在李殿中和同事們視野中的時間并不長。至少在2019年之前，他們更多關(guān)注的是另一個“老大難”問題——研發(fā)“稀土鋼”。

所謂稀土鋼，簡單地說，便是在鋼材制造過程中加入一定比例的稀土元素，從而改變鋼材的某些特性。這看似容易，實則困難重重。

稀土被稱為工業(yè)的“維生素”，大量研究表明，添加微量稀土就能顯著提高鋼材的韌塑性、耐磨性、耐熱性、耐蝕性等。正因如此，稀土添加過程中的微小變化或摻雜雜質(zhì)，都會引發(fā)很多不可測的問題。

“在稀土鋼的研發(fā)過程中，有兩個始終繞不過去的難題。”胡小強說，一是鋼材在添加稀土后，性能往往會劇烈波動，存在穩(wěn)定性不好的問題；二是很多大型關(guān)鍵零部件的材料制備不能在實驗室完成，很難保證稀土在大工業(yè)環(huán)境下穩(wěn)定發(fā)揮作用。

為了解決上述問題，自20世紀50年代起，金屬所幾代科研人員接力攻關(guān)，就稀土元素對鋼材的影響進行了深入研究。直到2007年，在進行一項針對厚大斷面大型鋼錠的科研攻關(guān)項目時，金屬所科研團隊偶然發(fā)現(xiàn)稀土鋼性能波動問題的根源可能在于稀土元素自身的氧雜質(zhì)，而非傳統(tǒng)認為的鋼材內(nèi)部雜質(zhì)。

由此，科研團隊順藤摸瓜，經(jīng)過大量實驗、計算和表征，最終揭示了稀土在鋼中的主要作用機制，并開發(fā)出一套“雙低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)。采用該技術(shù)研制出的稀土鋼的拉壓疲勞壽命延長40多倍，滾動接觸非疲勞壽命提升40%。

由此，稀土鋼的問題被徹底解決了。而彼時沉浸在喜悅中的科研人員還不知道，眼前的成績不僅是他們過去幾十年努力的碩果，更將是未來開展大型盾構(gòu)機主軸承攻關(guān)的重要基石。

2?“國家隊”需要站出來

彼時，正值中國科學(xué)院組織實施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項。伴隨著專項的實施，一項歷史性使命落到了金屬所科研人員身上。

先導(dǎo)專項是中國科學(xué)院瞄準事關(guān)我國全局和長遠發(fā)展的重大科技問題提出的一項戰(zhàn)略行動計劃。自2019年開始，金屬所希望依托自身在稀土鋼方面的長期積累，凝練、提出和承擔一項與此相關(guān)的先導(dǎo)專項，并為此開展了廣泛的實地調(diào)研。

“最初，我們并沒有將研發(fā)重點放在大型盾構(gòu)機的主軸承上。”李殿中回憶說，直至2019年歲末年初，在調(diào)研了國內(nèi)十幾個省份的30余家單位后，他們才發(fā)現(xiàn)主軸承的國產(chǎn)化已是一個不容忽視的“卡脖子”難題。

我國引入首臺盾構(gòu)機是在1997年，并于本世紀初開始探索盾構(gòu)機的國產(chǎn)化。至2019年，盾構(gòu)機的幾乎所有部件均可以實現(xiàn)自給，唯獨最關(guān)鍵的主軸承始終依賴國外進口。由此產(chǎn)生的問題，國內(nèi)企業(yè)的感受最深刻。

在與胡小強等人交談時，某盾構(gòu)機制造企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)算過一筆賬，由于核心技術(shù)不在自己手中，從國外進口一套主軸承的價格往往超過千萬元。不但價格昂貴，而且在正常情況下，盾構(gòu)機主軸承的進口訂貨周期短則10個月，長則超過一年。但我國的很多基建項目，從立項到完工也不過三五年時間。

更重要的是，由于存在供貨隨時停止的風(fēng)險，國內(nèi)企業(yè)對依靠外國供貨總有一種“不安全感”，最終轉(zhuǎn)化為希望盾構(gòu)機主軸承國產(chǎn)化的一致呼聲。

但同時，對于使用國產(chǎn)設(shè)備，國內(nèi)企業(yè)又存在矛盾心理——盾構(gòu)機造價動輒幾千萬元，其背后的基建工程花費更以億元計，國產(chǎn)主軸承即便研制出來，使用風(fēng)險有多大，誰的心里也沒底。

胡小強總結(jié)了研發(fā)主軸承必須克服的三大困難——

其一，大型主軸承最大直徑達8米，承載幾萬噸，但加工精度要達到微米級別，其技術(shù)難度可想而知。

其二，盾構(gòu)機在施工過程中不能后退，主軸承一旦出現(xiàn)問題將無法更換，導(dǎo)致在實際應(yīng)用場景中的試驗風(fēng)險特別高。

其三，大型主軸承的攻關(guān)鏈條特別長，涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料制備、加工裝配、測試評價和應(yīng)用考核等諸多環(huán)節(jié)，關(guān)聯(lián)到20多家單位，僅制造過程就有130多道工序。

李殿中認為，要克服以上困難，必須從基礎(chǔ)理論做起，向上整合各研發(fā)生產(chǎn)鏈，才能保證最終結(jié)果萬無一失，“也正因如此，需要我們‘國家隊’站出來”。

說出這番話，金屬所的科研團隊是有底氣的。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過幾代人接力攻關(guān)所解決的稀土鋼制備問題，已經(jīng)從理論和材料層面為大型主軸承的研發(fā)打下了堅實“地基”。他們接下來要做的是，在這片“地基”上蓋起自立自強的“高樓大廈”。

2020年2月，中國科學(xué)院正式啟動先導(dǎo)專項“高端軸承自主可控制造”。金屬所整合所內(nèi)軸承鋼、熱處理、陶瓷、保持架等12個團隊，以及院內(nèi)7家研究所的力量，組建了覆蓋軸承研發(fā)、軸承材料、制造、評價與服役全生命周期的全鏈條科技團隊。

一場新的“戰(zhàn)役”就此打響。

胡小強（左）、李殿中（右）在實驗室。

3?1.5微米的“天塹”

2020年“五一”假期前一天，一架從沈陽飛往廣州的客機即將落地。胡小強和幾位同事充滿期待地看著舷窗外繁華的都市。

他們此行的目的地是廣州貝崗的一處基地。那里有一臺主軸承直徑6.3米的盾構(gòu)機，由于超出設(shè)計使用里程，需要接受專家評估。得知消息的他們馬上趕過去，全程參與了對盾構(gòu)機主軸承的測評和分析，并詳細了解主軸承的每一處細節(jié)。

在承接先導(dǎo)專項任務(wù)之前，金屬所的科研人員并沒有設(shè)計盾構(gòu)機主軸承的太多經(jīng)驗?！罢蛉绱?，我們不會放棄任何一次學(xué)習(xí)和調(diào)研的機會?！焙娬f。

即便這樣，想要單打獨斗完成這項工作也不現(xiàn)實。

憑借前述自主開發(fā)的“雙低氧稀土鋼”關(guān)鍵技術(shù)，科研人員已經(jīng)實現(xiàn)了對主軸承大型套圈和大型滾子“潔凈、均質(zhì)”的制備，并獲得強韌性、抗疲勞性和耐磨性等綜合性能較好的鋼材，這為大型主軸承的研制打下了很好的基礎(chǔ)。至于主軸承的設(shè)計問題，則可以一點點摸索、學(xué)習(xí)。但李殿中坦言，他們還要面對另一個難題——軸承加工精度不過關(guān)。這個難題不是單靠研究人員的努力就能解決的。

當時，我國進口設(shè)備由于受國外技術(shù)限制，大型滾子的加工精度只能達到二級，即幾百個滾子直徑的誤差不大于正負2.5微米，但要制造出符合盾構(gòu)機要求的滾子，加工精度必須達到一級，即柱體直徑誤差不能大于正負1微米，兩者之間1.5微米的差距，雖然僅相當于一根頭發(fā)絲直徑的1/40，但在科研團隊的眼中無異于一道“天塹”。

要跨過這道“天塹”，只能聯(lián)合企業(yè)一同攻關(guān)。

直到現(xiàn)在，談及與企業(yè)的合作，胡小強言語中仍有些激動。據(jù)他回憶，意識到問題后，他們便主動聯(lián)合相關(guān)企業(yè)一起討論、建模，從基本理念到方法，再到具體實踐。“我們提需求，相關(guān)企業(yè)一起攻關(guān)。一邊干一邊解決隨時出現(xiàn)的問題。”

與金屬所合作進行滾子加工的是遼寧省內(nèi)一家主要從事風(fēng)力電機滾子加工的企業(yè)。此前，該企業(yè)從未加工過直徑這么大、精度這么高的滾子。合作之初，幾乎每次技術(shù)升級嘗試都宣告失敗。

“那段時間，每個人都承受著巨大的壓力，以至于合作企業(yè)的現(xiàn)場負責人開始懷疑，他們采用自主開發(fā)的工藝和生產(chǎn)線是否能實現(xiàn)如此高精度等級的加工。”胡小強回憶道。

然而，經(jīng)過反復(fù)論證和計算，科研團隊堅信他們的精度要求是可以達到的，企業(yè)也選擇相信他們的論斷，并嚴格按照給定的工藝要求，一步步嚴格推進。

當完全符合要求的滾子被加工出來，企業(yè)負責人通過電話向胡小強報喜時，那種激動與自豪的語氣令胡小強記憶猶新。

由此，我國企業(yè)徹底掌握了大型滾子的一級精度加工技術(shù)，并一舉達到國際先進水平。

4?未完成的挑戰(zhàn)

耗時3年，經(jīng)20多家科研機構(gòu)和企業(yè)通力合作，主軸承材料制備、精密加工、成套設(shè)計中的12項核心關(guān)鍵技術(shù)問題先后被解決。最終，科研團隊成功用1467.4噸稀土軸承鋼研制出41支大型套圈、7996粒滾子、492段銅鋼復(fù)合保持架……陸續(xù)生產(chǎn)出直徑3米級到8米級共10套4個型號的國產(chǎn)盾構(gòu)機主軸承。

2021年11月，在沈陽市政府的支持下，裝有自研直徑3米主軸承的盾構(gòu)機正式下線，并在沈陽地鐵工程中成功應(yīng)用。

2021年11月，裝有自研直徑3米級主軸承的盾構(gòu)機下線儀式舉行。

2022年9月30日，超大型盾構(gòu)機用直徑8米級主軸承驗收合格，標志著由金屬所領(lǐng)銜的“高端軸承自主可控制造”先導(dǎo)專項任務(wù)圓滿完成。

自研直徑8米級主軸承驗收會。

一天后的國慶假期，幾乎3年沒休過節(jié)假日的科研人員終于可以休息了。而胡小強回到家后的第二天，雙眼便腫脹到完全看不見東西。

“把任務(wù)卸下來后，身體里積攢的‘火氣’就涌出來了?！崩畹钪袑姟安∫颉钡脑\斷并非完全戲謔之言。

李殿中總結(jié)，在攻克盾構(gòu)機主軸承技術(shù)的過程中，金屬所走通了一條從基礎(chǔ)研究出發(fā)、組織建制化攻關(guān)，到攻克“卡脖子”難題的科技創(chuàng)新之路。

他介紹說，中國科學(xué)院對應(yīng)用性強的戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項管理一般采取“行政指揮線”“技術(shù)指揮線”雙線并行的模式。金屬所領(lǐng)導(dǎo)班子經(jīng)過深刻思考，從強化“高端軸承自主可控制造”專項管理的角度出發(fā)，在“雙線”的基礎(chǔ)上進一步建立“黨委保障線”的三線并行機制。

“我們構(gòu)建了‘院領(lǐng)導(dǎo)—業(yè)務(wù)局—研究所’三級高效協(xié)同的管理架構(gòu)，上下貫通，黨政聯(lián)動，多方互動。”受訪時，金屬所所長劉崗表示，正是在這樣的有組織科研體系下，科研人員的工作熱情被最大化激發(fā)出來。

胡小強清晰記得，2022年7月，項目已經(jīng)進入“會戰(zhàn)”階段，從全國各地制造完成的零件陸續(xù)運抵河南洛陽，準備組裝。就在這一關(guān)鍵節(jié)點，人們發(fā)現(xiàn)目前的機床設(shè)備出現(xiàn)了問題——用于給設(shè)備進行表面淬火的機床完全無法滿足如此大直徑軸承的使用要求，同樣不具備使用要求的還有高精度磨床。

“事實上，當時國內(nèi)生產(chǎn)的高精度磨床都無法滿足要求，要進口的話，直徑5米的磨床不但要價高達8000萬元，而且制造周期要兩年；至于直徑8米的磨床，國外對我們完全禁售?！焙娬f。

這是一個幾乎無法解決的難題，嚴重的挫敗感籠罩在大家心頭。金屬所黨委迅速作出決定，組建以首任所長李薰名字命名的“李薰大型重載軸承攻關(guān)突擊隊”。在突擊隊成立大會上，李依依深情講述了李薰當年舍棄國外奮斗多年所得，沖破重重阻礙回到祖國，率領(lǐng)團隊開展“兩彈一星”關(guān)鍵材料攻關(guān)的感人事跡……

李依依（右四）主持研討工作。

這份回憶感染、激勵了突擊隊的每名成員。在其感召下，所有攻關(guān)人員群策群力、反復(fù)探索?，F(xiàn)有機床不能滿足要求，就聯(lián)合各單位在現(xiàn)場一點點改造；買不到合適的磨床，就試著將大直徑車床改造成磨床，取得一定參數(shù)后，聯(lián)合磨床企業(yè)共同研發(fā)……

最終，問題被一點點解決，項目得以順利推進。

如今，大型盾構(gòu)機主軸承項目已經(jīng)塵埃落定，當年的昂揚斗志已沉淀為科研人員腦中一段沉甸甸的回憶。但這并不代表所有任務(wù)都已完成，正如李殿中所言，“針對‘卡脖子’問題的科研只有落實到產(chǎn)業(yè)、只有構(gòu)建完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，才能徹底解決問題”。

他表示，在大型盾構(gòu)機主軸承項目上，技術(shù)層面的問題已經(jīng)得到解決，但在產(chǎn)業(yè)層面還需要和業(yè)界共同合作，持續(xù)發(fā)力?！澳壳?，主軸承產(chǎn)業(yè)化基地正式落地，為打通盾構(gòu)機國產(chǎn)化‘最后一公里’奠定了堅實基礎(chǔ)?！?/p>

自研的直徑8.01米主軸承通過評審并被正式命名為“破壁者”。金屬所供圖

李殿中暢想著高端主軸承相關(guān)技術(shù)的進一步應(yīng)用。他說：“我們可以把它應(yīng)用到風(fēng)電等新能源領(lǐng)域，當然還有疏浚、塔吊、港機，乃至于一些高端精密醫(yī)療器械中?！?/p>

他們時刻準備著，迎接下一場關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。

（原載于《中國科學(xué)報》?2024-07-10?第4版?專題）