1. シールドマシン主軸受：「首を絞められる」国家重機

シールドマシンおよび全断面トンネル掘削機（TBM）は地下空間開発の「国家重機」であり、地下鉄、鉄道、高速道路、水利などのトンネル工事に広く適用されている。主軸受はシールドマシンの「心臓」と呼ばれ、カッターヘッドのトルク伝達と掘削荷重の承受という中核的任務を担っている。直径10数メートルのカッターヘッドが生み出す驚異的な推力は、最終的に直径数メートルの主軸受1セットが一手に担う。主軸受が故障すれば、シールドマシンは廃棄リスクに直面する。

しかし、この「心臓」は長年海外ブランドの手に握られていた。輸入主軸受は国内外の工事で5,000セット超の累計適用実績があるのに対し、国産ブランドは30数セットに留まる。国内超大型シールドマシン主軸受の90％が輸入に依存している。単体調達コストは2,000万元超、納期は最大12ヶ月に及ぶ。主軸受は我が国の工業発展を制約する35の「首を絞められる」关键技术の一つに指定されている。輸入主軸受は単価が高く納期が長いだけでなく、供給断絶・停止のリスクも存在する。国産主軸受を製造しても、「一度故障すれば工事が停滞する」というリスクを誰も負えない。

主軸受が一度故障すれば、結果は極めて深刻である：

極端な衝撃荷重による軌道剥離 – シールドマシンは掘進中に起動停止、旋回、補正、ピッチングなど多様な複雑な工况に直面し、曲げ、ねじり、軸方向、振動などの多自由度連成強衝撃荷重を受ける。転がり接触疲労は主軸受の主な故障形態である。

泥漿侵入とシール失効 – シールドマシンが地下掘進中、カッターヘッドが掘削した碴土、泥漿、地下水は常に主軸受内部を脅かす。リップシールの取付品質が不良またはグリス注入量が不十分な場合、泥砂がシールキャビティに侵入しリップシールを傷つけ失効させる。

グリス劣化と流失 – シールドマシン主軸受は低速重荷重環境で運転され、グリスは極めて高い接触応力を受ける。泥漿中の水分や化学物質が侵入すると、グリスは希釈・乳化され耐荷重能力を失う。

修理が極めて困難 – 主軸受は直径8m以上、単体重量40トン超に達する。トンネル内で故障が発生すれば修理は極めて困難である。

2. NMT国産主軸受：「首を絞められる」から「世界記録」へ

「軸受を作るには、材料が根であり『遺伝子』である。遺伝子が良くなければ、後のすべての工程は空中楼閣だ」

これは中国科学院金属研究所の李殿中院士チームの共通認識である。NMTは中国科学院「高級軸受自主可控制造」戦略的先導科技特別プロジェクトの支援を受け、20以上の研究機関・企業と連携して材料配合、熱処理プロセス、精度制御などの关键技术を克服した。「設計－材料－製造－応用」の全チェーンを突破し、主軸受の全産業チェーン自主化の「最終環」を完全に開通した。

材料革命：低酸素希土類鋼 – 「遺伝子」から軸受寿命を書き換える

研究チームは軸受鋼の冶金過程における介在物の生成メカニズムと変遷法則を深く探究し、微量希土類添加、低酸素純浄化鋳造、介在物微細化分散制御などの关键技术を革新的に開発した。第三者機関の検査により、新型軸受鋼の疲労寿命は輸入某有名ブランド軸受鋼をはるかに上回り、国際先進水準に達した。希土類軸受鋼は引張圧縮疲労寿命が40倍以上向上し、転がり接触疲労寿命が40％向上した。

三つの世界記録

NMTは世界最大一体型シールドマシン主軸受の開発に成功し、三つの世界記録を樹立した：

直径8.61メートル – 世界最大

単体62トン – 世界最重量

軸方向耐荷重10万千牛 – 世界最高

18メートル級シールドマシンに適用され、10キロメートル以上の連続掘進が可能である。専門家評価グループは、各指標が同類輸入製品の先進水準に達し、一部指標は国際先端水準に達すると評価した。

フルシリーズカバレッジ

3メートル級から12メートル級まで、NMTはシールドマシン主軸受のフルシリーズカバレッジを実現した。国産初の11メートル級大口径シールド主軸受の製造に成功した。14.57メートル超大口径土圧平衡シールド「焦平一号」が自主主軸受を搭載して正式にラインオフした。主軸受価格は輸入品の3分の1に過ぎない。

精密製造

NMT主軸受は20Cr2Ni4A浸炭鋼を使用し、等温変態制御により傾斜組織を実現する。軌道真円度は≤2μmに制御され、誤差は0.001ミリメートル以内に抑えられている。国際先端の生産ラインと世界最大の主軸受工况模擬試験台を活用し、フルシリーズ主軸受の量産能力を確立した。

3. 3列円筒ころ構造 – 超重荷重承受の精密設計

TBM主軸受は主に3列円筒ころ軸受の形式を採用し、内輪、外輪、主スラストころ、補助スラストころ、ラジアルころで構成される。各列が役割を分担する——主スラストころと補助スラストころは巨大な軸方向力を承受し、ラジアルころは半径方向荷重とモーメント荷重を承受する。この構造配置により単一軸受で軸方向、半径方向、モーメント荷重の複合荷重を同時に承受し、極限られた空間内で最大の耐荷重能力を実現する。最も一般的に使用される3列3列円筒ころ組合せ軸受は内歯式と外歯式に分類される。

シールドマシン掘進中、主軸受は巨大軸方向力とモーメント荷重を含む複雑な集中荷重を受ける。NMTは軸受内部構造設計を最適化し、非線形ばね等価円筒ころのモデリング手法を用いて有限要素解析を実施し、最大接触荷重を低減する。偏荷重下では主スラスト軌道と主スラストころの安全係数が比較的小さい – NMTの精密クラウニングはエッジ応力集中による早期剥離を効果的に低減する。

保持器は主軸受の重要構成部品の一つである。NMTシールドマシン用旋回軸受保持器は一体型構造を採用し、主材料は合金鋼鍛造品を使用する。保持器案内面および軌道との接触部位にはアルミ青銅または鉛黄銅を減摩材として使用し、強度と減摩性能を両立する。小径シールドマシン主軸受は通常、四点接触玉と交差円筒ころ構造を採用し、一部には複列円錐ころ構造もある。

4. 三重シール＋集中潤滑 – 泥漿と地下水を遮断

シールドマシンが地下掘進中、カッターヘッドが掘削した碴土、泥漿、地下水は常に主軸受内部を脅かす。シールシステムは碴土が主軸受内部に侵入するのを阻止するため、回転部と固定部の間に設置された一連の密封装置である。主駆動シールシステムは土槽内の碴土がギアボックスに侵入するのを密封阻止するだけでなく、主軸受旋回摺動機構、シール部位、泥土接触部位のシールと潤滑も行う。NMTシールドマシン主軸受はトンネル掘削環境向けに設計された多重シールと集中潤滑システムを採用する：

▷ 第一層：外輪ラビリンスシール – 多段曲折経路が回転遠心力で泥漿、碴土粒子、水分を排出、第一の非接触防護バリアを形成。

▷ 第二層：HBWグリスキャビティ（A腔） – グリスポンプでHBWグリスを供給し、高粘度HBWでラビリンスキャビティを充填し、土槽内泥水と主駆動内部シールキャビティを隔離する。HBWグリスは土圧よりやや高い圧力に加圧され、グリスが土槽方向に流れて泥水の逆流を防止する。

▷ 第三層：EP2グリスキャビティ（B腔）＋FKM副シール – B腔は多点グリスポンプで一定量のEP2グリスを供給し、注入圧力はA腔よりやや高く設定する。EP2グリスは第一シールリップから押し出され、リップの潤滑とシールの支持に使用される。

▷ D腔検出キャビティ – D腔は空腔であり、ギアオイルまたはグリスが現れた場合、キャビティ内の対応媒体の有無でシールシステムの状態を判断し、シール状態のリアルタイム監視を実現する。

シールドマシン主軸受専用シールグリスは優れた付着性、防水性、耐摩耗潤滑性、耐食性、ポンプ送り性を備える。

5. 製品シリーズ – フルシリーズシールドマシン主軸受

NMTは多様なシールドマシン・TBM環境に対応する主軸受製品体系を提供する：

▸ 8メートル級超大型主軸受

直径8.61メートル、単体62トン、軸方向耐荷重10万千牛 – 三つの世界記録を樹立。18メートル級シールドマシンに適用され、10キロメートル以上の連続掘進が可能。3列円筒ころ構造、深層浸炭熱処理、20Cr2Ni4A浸炭鋼。外歯車式、内歯車式、フランジレス式の三種構造に適合。

▸ 11メートル級大口径主軸受

国産初の11メートル級大口径シールド主軸受の製造に成功した。専門家グループ団長の中国工程院院士楊華勇氏は「シールド機核心部品の国産化をさらに推進し、大口径主軸受の技術的障壁を打破し、シールド機の完全国産化促進に重要な意義がある」と評価した。

▸ 3メートルから12メートル級フルシリーズ主軸受

3メートル級から12メートル級までのフルシリーズカバレッジ。信頼性などの指標は国際同類水準に達し、価格は輸入品の3分の1に過ぎない。14.57メートル超大口径土圧平衡シールド「焦平一号」が自主主軸受を搭載して正式にラインオフした。

▸ 中小口径主軸受

中小口径主軸受の実証応用が完了した。小径シールドマシン主軸受は通常、四点接触玉と交差円筒ころ構造を採用し、一部には複列円錐ころ構造もある。

6. 品質管理 – 素材から完成品までの全チェーン保証

NMTはシールドマシン主軸受に対して厳格な品質管理体制を実施する：

材料自主可控 – 国産特殊鋼を使用し、「材料から出発する」研究開発アプローチを堅持。純化製造、均質化制御、低応力調整、大焼入れ深さ処理、異種材料複合などの关键技术を突破。大型主軸受重要部品の自主材料規格の策定に成功。

精密加工 – 高精度加工技術により軌道真円度≤2μmを実現、誤差は0.001ミリメートル以内に制御。国際先端の生産ラインと世界最大の主軸受工况模擬試験台を活用。

全チェーン技術体系 – 構造設計、材料製造から加工組立、試験評価までの完全な技術体系を構築。

信頼性検証 – 製品は信頼性負荷試験検証を通過し、主機使用要件を満たし搭載適用条件を備える。主軸受の受力解析、構造最適化、寿命評価などを実施し、国産主軸受適用検証技術方案を確立。

7. 適用事例 – 研究室からトンネル施工現場へ

▸ 8メートル級国産主軸受が搭載適用評価を通過

銭七虎院士を団長とする専門家グループの評価では、国産8メートル級大口径主軸受の各指標が同類輸入製品の先進水準に達し、一部指標は国際先端水準に達した。製品は信頼性負荷試験検証を通過し、主機使用要件を満たし搭載適用条件を備える。

▸ 11メートル級主軸受の製造に成功

国産初の11メートル級大口径シールド主軸受が洛陽LYC軸受で製造に成功し、浙江省舟山市魯家峙海底トンネルプロジェクトの掘進任務を担う。

▸ 「焦平一号」14.57メートルシールドが自主主軸受を搭載

自主国産主軸受を搭載した14.57メートル超大口径土圧平衡シールド「焦平一号」が長沙で正式にラインオフし、シールド重要部品の自主可控を実現した。焦平鉄道邙山トンネル建設に使用され、掘削直径は14.57メートルである。

▸ フルシリーズ主軸受の量産

3メートル級から12メートル級までのフルシリーズ主軸受、材料配合、熱処理プロセス、精度制御などの关键技术を克服し、全産業チェーン自主化の「最終環」を完全に開通した。洛軸のシールドマシン主軸受は3メートル級から12メートル級までの施工応用を完了し、信頼性などの指標は国際同類水準に達している。鉄建重工はフルシリーズ主軸受の量産能力を確立した。

8. ライフサイクルコスト最適化 – 「他律」から「自律」へ

シールドマシン主軸受の国産化突破は、技術的な自主可控だけでなく、ライフサイクルコストの大幅な最適化をもたらす：

輸入主軸受の隠れたコスト：

単体調達コスト2,000万元超

納期最大12ヶ月

輸入依存度90％

供給断絶リスクが継続

国内外工事で5,000セット超適用、国産ブランドは30数セット

NMT国産主軸受の核心的優位性：

調達コスト67％削減 – 価格は輸入品の3分の1

納期を大幅短縮 – 12ヶ月から数週間に圧縮

フルシリーズカバレッジ – 3メートル級から12メートル級以上まで、異なる口径シールド機のニーズに対応

技術指標国際先端 – 一部指標は国際先端水準に到達

自主可控 – 輸入依存と供給断絶リスクを完全に排除

全チェーン技術保証 – 設計、材料、製造、実験の全チェーンが自主

周辺設備の長寿命化 – 設備全体のオーバーホール周期延長

シールド施工企業、トンネル工事会社、地下空間開発事業者にとって、NMT国産シールドマシン主軸受の総所有コストは輸入主軸受の調達・保守コストよりはるかに低い――節約するのは数千万の調達差額だけでなく、トンネル工事「1つの軸受交換でトンネルライン全体が停止する」という巨大な工期リスクと自主可控という経営の確実性そのものである。