主轴承，有全断面隧道掘进机（简称掘进机）的“心脏”之称，承担着掘进机运转过程的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件，工作所处状况十分恶劣。
掘进机采用液压、机械和电气等诸多领域的高科技成果，运用计算机自动控制、工厂化作业、在线实时监测与导向，是集掘进、出渣、运输、支护于一体的成套设备，长度由几十米到200多米，总重量可达几百吨至5000多吨，是当前地下空间施工最先进的装备。每台价值从数千万元至两三亿元不等。
“就整机制造能力而言，国产掘进机已接近世界最先进水平，但最关键的主轴承全部依赖进口。”中国铁建重工集团中央研究总院梅勇兵博士告诉科技日报记者。
承受巨大载荷和强烈温升
掘进机主轴承工作环境非常恶劣，要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。
“掘进机工作的地质具有未知和突变的特点，加上刀盘滚刀破岩时的突变载荷，使得主轴承必须承受住持续、突变和各个方向的载荷。”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博士说。
以直径15米掘进机为例，整机重4500吨，主轴承所在主机重2800吨，轴承连接的前部刀盘就达520吨；掘进机动力来自28组千斤顶，最大推力达22500吨，掘进速度最大每分钟5厘米。“要传送这样大的推力，掘进机需配备7米大直径的主轴承，滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟。”李云峰说。
在地下密闭的工作空间，主轴承还因长时间连续工作产生摩擦热，温度从20摄氏度最高升至120摄氏度。
“巨大载荷和强烈的温升，不仅极大地降低了轴承材料的刚度，也使其强度大幅退化。”李云峰认为，这种工况，对掘进机主轴承的可靠性指标要求十分严苛。
因技术含量高，单个主轴承成本约占掘进机的1/20左右，是掘进机所有零件中最值钱的。
“在既定施工段，若掘进机主轴承出现故障，进行现场维修或更换极为困难，甚至不可行。”梅勇兵说，这要求主轴承不能出任何故障，掘进机制造商宁愿出高价，选择配置高可靠性的国外知名品牌主轴承。
据介绍，我国掘进机年生产规模约为450台，仅进口轴承一项即达近10亿元。
尺寸巨大结构最复杂，制造需要上百道工序
与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比，掘进机主轴承直径一般为几米，是结构最复杂的一种轴承，制造需要上百道工序，主要由套圈、滚子和保持架3部分组成。
“掘进机主轴承尺寸庞大，在安装方式上迥异于传统滚动轴承，必须采用螺栓与主机联接的方式，这样就需要安装孔。”李云峰说，安装传统应用领域的轴承，一般采用通过内、外圈与主机部件配合的方式，孔的数量通常是个位数。
以直径6.34米掘进机配套主轴承为例，其直径3米，有20个安装孔、40个注油孔、20个连接孔和10个定位孔，整套轴承零件总数达到600多个。
“这么多的孔，使设计和加工过程如趟雷区，务必时刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰说，如果因设计人员有一丁点疏忽，在安装孔的位置圆周基准上出现丝毫错误，依图加工后都会造成大量废品。
除规模庞大的孔外，因尺寸原因，掘进机主轴承的截面与节圆的直径比，远小于传统滚动轴承。“掘进机主轴承套圈属于薄壁环构件，在重载条件下，难以避免套圈的结构变形，这些都增加了其力学响应的复杂性。”李云峰说。
