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被网友戏称为“基建狂魔”的中国基础建设行业,在凿山开路、过江跨海工程项目中经常使用的大型盾构机已实现国产化,但其关键核心部件主轴承,长期以来依赖进口,因此成为盾构机亟需打通自主可控制造的“最后一公里”而备受关注。


中国科学院金属研究所(中科院金属所)12月15日对外宣布,由该所李殿中研究员、李依依院士团队牵头攻关的超大型盾构机用直径8米主轴承近期已研制成功,大型盾构机全国产化和自主可控的“最后一公里”由此顺利打通。这项研究团队形象比喻为盾构机“掌心”的主轴承核心关键技术,也终于被中国牢牢握在自己手中。


研制出中国迄今最大盾构机用主轴承


李殿中研究员近日在线上媒体集体采访时介绍说,最新研制成功的直径8米主轴承重达41吨,是目前中国制造的首套直径最大、单重最大的盾构机用主轴承,它将安装在直径16米级的超大型盾构机上,用于隧道工程挖掘。

中国自主研制成功的直径8米级主轴承


盾构机掘进过程中,主轴承“手持”刀盘旋转切削掌子面并为刀盘提供旋转支撑。直径8米主轴承在运转过程中承载的最大轴向力达到10万千牛(1千牛约等于0.1吨物体的重力,一头成年亚洲象的体重按4吨算的话,这相当于轴向受到2500头亚洲象重力的作用)、径向力达1万千牛、倾覆力矩达10万千牛·米。


主轴承是盾构机刀盘驱动系统的核心关键部件,盾构机掘进过程中,主轴承“手持”刀盘旋转切削掌子面并为刀盘提供旋转支撑。直径8米的主轴承在运转过程中承载的最大轴向力达到10万千牛(1千牛约等于0.1吨物体的重力,一头成年亚洲象的体重按4吨算的话,这相当于轴向受到2500头亚洲象重力的作用)、径向力达1万千牛、倾覆力矩达10万千牛·米。为保证主轴承的高承载能力和高可靠性,特别要求制造主轴承的轴承钢要高纯净、高均质、高强韧、高耐磨,同时对主轴承成套设计、加工精度、润滑脂等都提出了很高的要求。而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,会造成严重损失。


直径8米主轴承的研制成功,标志着中国已掌握盾构机主轴承的自主设计、材料制备、精密加工、安装调试和检测评价等集成技术。经国家轴承质量检验检测中心检测和专家组评审,认为该主轴承各项技术性能指标与进口同类主轴承相当,满足超大型盾构机装机应用需求。


突破“低氧稀土钢”等12项关键技术


为助力解决大型盾构机主轴承研制“最后一公里”难题,中科院2020年启动“高端轴承自主可控制造”战略性先导科技专项(高端轴承专项),由中科院金属所、中科院兰州化学物理研究所等7家科研院所组成建制化团队,并联合中交天和机械设备制造有限公司、洛阳新强联回转支承股份有限公司等20余家行业企业进行协同攻关,先后解决主轴承材料制备、精密加工、成套设计中12项核心关键技术问题,成功开发出直径3米到8米级的盾构机主轴承共10套。此前,在沈阳市政府的大力推动与支持下,直径3米主轴承已在沈阳地铁工程中成功应用。

刘维民院士、李殿中研究员、李依依院士、胡小强研究员(左一至左四)在验收活动上交流。中科院金属所供图


俗话说“好钢用在刀刃上”,但首先要找到好钢。高端轴承专项负责人李殿中研究员认为,在12项核心关键技术问题当中,中科院金属所团队成功研究开发出“低氧稀土钢”是关键技术中的关键。

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此前,我国盾构机用超大直径主轴承制造久而未决的主要原因在于:制造轴承的材料和大型滚子的加工精度不过关,全流程技术链条不贯通。攻关团队认为,要制造高纯净、高均质、高强韧、高耐磨的轴承钢材料,一定要从源头解决材料制造的问题,他们将目光瞄准了稀土轴承钢。已有大量研究表明,钢中添加微量稀土能够显著提高钢的韧塑性、耐磨性、耐热性、耐蚀性等。然而,稀土钢在工业化生产时遭遇两大难题:一是工艺不顺行,存在浇口严重堵塞的问题;二是稀土在钢中添加后,钢的性能剧烈波动,存在稳定性不好的问题。这两大难题一直未能有效解决,导致我国稀土钢的研究与应用由热变冷。


为发挥我国稀土资源优势,解决轴承领域的重大需求,中国科学院金属研究所团队历经十多年的研究,发现稀土钢性能波动、浇口堵塞问题的根源在于氧含量。经过大量的实验、计算和表征,他们揭示了稀土在钢中的主要作用机制,开发出“低氧稀土钢”关键技术。该团队通过控制氧含量,制备出性能优越、稳定性好的低氧稀土钢,研制出的稀土轴承钢拉压疲劳寿命提高40多倍,滚动接触疲劳寿命提升40%,相关基础研究成果于今年发表在国际著名期刊《自然材料》(Nature Materials)上。同时,有效解决了稀土轴承钢工业生产时遭遇的浇口严重堵塞的问题及加入稀土性能不稳定的问题,牵头制订了多项稀土钢标准。目前由相关合作企业生产的稀土轴承钢综合力学性能优异,好于进口产品。


同时,“低氧稀土钢”相关基础研究成果今年也在国际专业学术期刊《自然-材料》(Nature Materials)发表。该基础研究成果不仅有效解决了稀土轴承钢工业生产时遭遇的堵塞、性能不稳定等问题,还推动中科院金属所牵头制订多项稀土钢标准。


在高端轴承专项顾问李依依院士看来,“低氧稀土钢”关键技术研发成功,是中科院金属所团队秉持“祖国需要什么就做什么”理念,并通过“政产学研用”有效合作完成的一项重要基础研究突破。她希望未来有更多经费支持这种“任务带学科”模式,持续促进基础研究发展。


科技自立自强持久支撑保障行业发展


中科院金属所团队在直径8米主轴承研制攻关过程中,高端轴承专项盾构机主轴承技术总师胡小强研究员带队深入合作企业生产一线,联合骨干企业成功攻克主轴承高精度加工和精度保持性难题。研制中发现,我国进口设备由于受国外技术限制,大型滚子加工精度只能达到二级(如:直径规值≤2.5微米,表面粗糙度:滚动表面≤0.16微米、端面≤0.25微米、圆角≤2.5微米),尚不能实现一级精度加工(如:直径规值≤1.0微米,表面粗糙度:滚动表面≤0.1微米、端面≤0.125微米、圆角≤1.25微米)。该团队联合企业集智攻关,研制出直径100毫米以上的一级滚子,使我国轴承行业突破了一级大型滚子精密加工技术。与洛阳新强联股份有限公司密切合作,实现了盾构机主轴承加工制造、装配调试、检测评价等全流程自主可控,同时带动了相关国产装备的研制。


有了稀土轴承钢的性能卓越材料,加工精度不达标依然是主轴承研制的“拦路虎”。胡小强称,为此,研究团队联合相关企业集智攻关,研制出直径100毫米以上的一级滚子,使中国轴承行业突破了一级大型滚子精密加工技术。他们还与相关企业密切合作,实现盾构机主轴承加工制造、装配调试、检测评价等全流程自主可控,同时带动相关国产加工装备的研制。

李依依院士(左五)、刘维民院士(左六)和李殿中(左七)、胡小强研究员(左四)与攻关团队代表合影。中科院金属所供图


李殿中总结表示,研究团队另辟蹊径从材料源头出发,发挥稀土轴承钢与精密加工优势,打破行业壁垒,贯通技术链、打造创新链、对接产业链,实现大型盾构机主轴承的自主研制与应用,这是中国科技自立自强、持久支撑保障行业全生命周期发展的成功实践,也为中国高端基础零部件攻关、项目融合行业协同创新提供了良好的范式。


他透露,这次研制成功的超大型盾构机用直径8米主轴承使用寿命超过1万小时,持续挖掘长度将超过10公里,研究团队的下一步目标,就是要实现寿命超过3万小时、长度超过30公里,并根据基建市场需求研制不同直径的盾构机主轴承。


来源:中国新闻网、中国科学院金属研究所

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