2022年8月，“永寧號”掘進機正式下線。

“永寧號”掘進機在河南洛寧抽水蓄能電站引水斜井工程作業(yè)。 以上均為中鐵裝備供圖

　　“一個地方、一個企業(yè)，要突破發(fā)展瓶頸、解決深層次矛盾和問題，根本出路在于創(chuàng)新，關(guān)鍵要靠科技力量。”

　　2014年5月10日，在中鐵工程裝備集團有限公司盾構(gòu)總裝車間考察時，習(xí)近平總書記指出：“推動中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國速度向中國質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉(zhuǎn)變。”

　　盾構(gòu)機，即全斷面隧道掘進機，被譽為“鋼鐵穿山甲”，是開挖隧道的利器。鉆山入地，穿江過海，近年來，國產(chǎn)盾構(gòu)機穿梭在大江南北的工程現(xiàn)場，助力一個個高難度項目順利完工。

　　近日，記者趕赴河南鄭州市，探訪由中國中鐵工業(yè)旗下中鐵裝備集團研發(fā)的全球首臺能爬陡坡的大直徑硬巖掘進機“永寧號”。從“直來直去”到“能爬陡坡”，國產(chǎn)盾構(gòu)機經(jīng)歷了哪些升級？攻克了哪些技術(shù)難關(guān)？記者進行了采訪。

　　向“爬山虎”學(xué)習(xí)

　　裝上8條“腿”，122米長、1500噸重的“大家伙”也能爬陡坡

　　千噸重的盾構(gòu)機如何爬上39度的斜坡？從鄭州市區(qū)驅(qū)車3小時，記者來到河南洛寧抽水蓄能電站一探究竟。

　　抽水蓄能電站，在電力負荷低谷時，利用電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期，再放水至下水庫發(fā)電。洛寧項目中，“永寧號”要開挖的便是連接上下水庫的引水斜井，起點海拔500米，終點海拔1050米。

　　由于斜井藏于山體中間，工人們只能從山體外側(cè)先開挖先導(dǎo)隧道，才能到達斜井起點。去年12月初，貨車載著“永寧號”的部件，駛?cè)?公里長的先導(dǎo)隧道。到達起點、組裝完畢后，“永寧號”開始仰起39度角向上掘進。6個月過去，它已掘進265米，建成一段寬7米、傾角約36度的斜井。

　　沿著工字鋼焊接而成的臺階一步步往上爬，20多分鐘后，記者一行到達“永寧號”底部。在這里，“永寧號”總設(shè)計師于慶增介紹了它爬坡的關(guān)鍵訣竅——學(xué)習(xí)“爬山虎”。

　　“隧道施工時，傾角越大，盾構(gòu)機越易下滑，這是個世界性難題。”于慶增說，此前國外企業(yè)只嘗試過建造直徑4米的小噸位爬坡盾構(gòu)機。而“永寧號”直徑7.23米，長122米，自重1500噸，如何做到在斜坡上不往下滑？

　　從爬山虎的生長中，設(shè)計團隊得到啟發(fā)。他們?yōu)?ldquo;永寧號”設(shè)計了4組8條“腿”，每條“腿”配備兩只“腳”。8條“腿”精妙配合，輪流前進。

　　光會爬坡并不夠，“永寧號”還需定制一套用于斜井隧道的渣石處理系統(tǒng)。盾構(gòu)機水平掘進時，只需用鏟斗將渣石鏟入皮帶機即可運出隧道。但當(dāng)盾構(gòu)機斜著向上掘進時，渣石不僅會砸到設(shè)備，還可能在傳送帶上加速滾落，造成碎石飛濺，風(fēng)險極大。

　　怎么辦？設(shè)計團隊決定，在盾構(gòu)機里設(shè)計一個專門通道，再配上減速裝置，將渣石安全運到斜井底部后，再由卡車運出。他們不斷優(yōu)化模型，一步步摸準(zhǔn)花崗巖渣石在40度傾角情形下的跌落規(guī)律。經(jīng)過上百次試驗，終于找到了最優(yōu)的溜槽截面尺寸、高寬比例、厚度材質(zhì)。

　　能掘進、能爬坡、能出渣，靠電力驅(qū)動的“永寧號”還要應(yīng)對停電等突發(fā)情況。

　　一旦停電，普通盾構(gòu)機只是“趴窩”，無法正常工作，而爬坡盾構(gòu)機卻可能整體下墜、造成安全危險。為此，設(shè)計團隊研發(fā)了雙重防溜車系統(tǒng)，還為盾構(gòu)機設(shè)置了安全閘門，防止斷電情況下渣石掉落。

　　2022年8月正式下線，2022年9月完成測試，2022年12月進場，2023年1月開挖。進入洛寧項目施工以來，“永寧號”表現(xiàn)不俗：最快時，一天可掘進7米；遇到斷層破碎帶，一天可掘進5米……“相比傳統(tǒng)的爆破施工法，‘永寧號’的效率提升了近一倍。”于慶增很是自豪。

　　確保一次成功

　　盾構(gòu)機的研發(fā)沒有樣機，只要下線就得投入施工，必須保證100%成功

　　盾構(gòu)機往往身形龐大、成本高昂，因此行業(yè)一直遵循一個原則：樣機即正品，試用即施工。即使是創(chuàng)新產(chǎn)品，也只能生產(chǎn)一臺。一旦出廠，就要正式投入使用。

　　設(shè)計、制造、調(diào)試、安裝、使用……每一步都無可借鑒，“永寧號”如何做到“一次成功”？在中國中鐵裝備集團深入采訪，記者找到了答案。

　　求真——沒機會進行整機測試，就努力創(chuàng)造條件，模擬真實工況進行核心部件實驗。

　　在中鐵裝備總裝車間一側(cè)，有一個直徑7米、深20米的大基坑?？蓜e小瞧這個基坑，光改造費用就花費上百萬元，只為模擬出“永寧號”的運行工況。

　　“一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，只靠軟件模擬、小樣測試遠遠不夠，必須保證100%安全。”中鐵裝備總工程師賈連輝說，防溜結(jié)構(gòu)核心部件制作完成后，設(shè)計團隊在基坑里進行了一個月的測試，確保任何極限工況下“永寧號”都不會滑溜。

　　求細——千噸重、百米長的“大家伙”，身上不少設(shè)備的尺寸卻精確到微米。

　　滾刀，盾構(gòu)機的“牙齒”。要想掘得快，必須“牙口好”。“永寧號”刀盤上共配備了49把滾刀，有200公斤重的大刀，也有155公斤的小刀。

　　中鐵裝備新鄉(xiāng)生產(chǎn)基地，擁有全球唯一一條盾構(gòu)滾刀裝配檢測生產(chǎn)線，可將12個刀具部件自動組裝成一把完整的滾刀，并且確保高精度。此后，熔鑄、打磨、淬火、回火、冷卻……歷經(jīng)10多道工序，滾刀才能正式下線。

　　“每一個環(huán)節(jié)，都要追求最高品質(zhì)。”中鐵裝備質(zhì)量管理部負責(zé)人王勁松告訴記者，整個生產(chǎn)過程，材料的尺寸精確到微米，溫度控制精確到個位數(shù)，就連熱處理后的滾刀微觀金屬結(jié)構(gòu)，也要用顯微鏡觀察。

　　求嚴——每一名參與者都對產(chǎn)品質(zhì)量終身負責(zé)。

　　一臺盾構(gòu)機，設(shè)計圖紙超1萬張，零部件超2萬個，工序達上百道，要想一次成功，每個環(huán)節(jié)都不能“掉鏈子”。

　　為此，中鐵裝備建立了包括質(zhì)量預(yù)防、過程管理、質(zhì)量約束、質(zhì)量改進在內(nèi)的質(zhì)量制度體系，實施質(zhì)量“一票否決制”、工序?qū)嵜坪腿墮z驗制，把質(zhì)量貫穿設(shè)計、制造、服務(wù)全過程。

　　“每道工序都可追溯，每次操作都實名記錄，每名參與者都終身負責(zé)。”賈連輝說，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已成為中鐵裝備人心中的“硬杠杠”。

　　從量變到質(zhì)變

　　20多年的成長積淀，啃下一個個零部件“硬骨頭”，開發(fā)新功能更加得心應(yīng)手

　　2008年，我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機——“中鐵1號”下線。“生產(chǎn)一臺盾構(gòu)機產(chǎn)品和盾構(gòu)機產(chǎn)業(yè)化是兩個概念。產(chǎn)業(yè)鏈上下游精誠合作、共同成長，讓我們迎來從量變到質(zhì)變的飛躍。”中鐵裝備總經(jīng)理張志國說，這次研發(fā)“永寧號”，從啟動立項到設(shè)備下線只花了兩年時間。

　　15年攻堅克難，中鐵裝備攜手上下游800家合作伙伴，將整機零部件國產(chǎn)化率一步步提高到90%以上，形成22項國際領(lǐng)先技術(shù)。一項項新技術(shù)新工藝新設(shè)備，令人備受鼓舞——

　　先看動力源。

　　電機，驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)的力量。“永寧號”能“啃”下花崗巖，靠的是刀盤旋轉(zhuǎn)帶動滾刀對硬巖進行擠壓，使巖石破碎剝落，實現(xiàn)向前掘進。

　　“‘永寧號’的主驅(qū)動電機，正是8組國產(chǎn)350千瓦電機。”張志國說。早在2015年，中鐵裝備就開始聯(lián)合國內(nèi)電機廠家共同開發(fā)國產(chǎn)主驅(qū)動電機。經(jīng)過一輪輪技術(shù)交流、修改方案、樣機研制，成功生產(chǎn)出首臺110千瓦主驅(qū)動電機。

　　此后，中鐵裝備積極尋找合適項目進行搭載試用，推動國產(chǎn)電機在常規(guī)地鐵盾構(gòu)機、大直徑泥水盾構(gòu)機、礦用硬巖掘進機等設(shè)備上先后落地。以用代測，不斷反饋數(shù)據(jù)，多次優(yōu)化升級，國內(nèi)電機廠家技術(shù)越發(fā)成熟，電機功率不斷升級，相繼開發(fā)出200千瓦、250千瓦、300千瓦等不同功率產(chǎn)品。

　　再看減速器。

　　盾構(gòu)機上的電機轉(zhuǎn)速極快，每分鐘2000多轉(zhuǎn)，不過，盾構(gòu)機刀盤卻要轉(zhuǎn)得“夠慢”，每分鐘低至1.5轉(zhuǎn)。巨大的轉(zhuǎn)速落差，得靠減速器來實現(xiàn)。

　　在中國機械科學(xué)研究總院鄭州機械研究所有限公司，記者見到了為盾構(gòu)機配套的減速器。“減速器原理很簡單，就是靠齒輪改變扭矩，實現(xiàn)降速增扭。不過，如何把齒輪做得更小、更精、更耐用卻是個難題。”鄭州機械研究所有限公司高級工程師張祥儒說。

　　首要的是找到合適的合金鋼。經(jīng)過多年不懈努力，中國寶武成功研制出符合要求的新型合金鋼，為高功率高密度減速器的誕生奠定了基礎(chǔ)。

　　此后，鄭州機械研究所有限公司利用60余年的研究積淀，在滲碳、離子滲氮、感應(yīng)淬火等方面不斷創(chuàng)新工藝，有效提高了高功率密度減速器齒輪的承載能力和可靠度。“現(xiàn)在，我們的減速機可以正常工作1萬個小時無故障，與國外同工況減速器持平。”張祥儒說，國產(chǎn)減速器最初只能給直徑9米級以下的小口徑盾構(gòu)機配套，如今已可以給12米級以上的超大直徑盾構(gòu)機配套。

　　最后看刀盤。

　　刀盤，分為滾刀、刀圈、軸承和密封。經(jīng)過多年研發(fā)升級，中鐵裝備的滾刀系列產(chǎn)品市場占有率國內(nèi)第一，還成功出口海外。刀圈，卻一度讓企業(yè)感到頭疼。早期，國產(chǎn)刀圈韌性較差、硬度偏高，異常失效的概率高于進口刀圈。為了補足短板，中鐵裝備決定從基礎(chǔ)研究開始投入。2013年，他們與清華大學(xué)、東北大學(xué)等高校組建產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)聯(lián)合體，一道鉆研高純凈耐磨鋼的生產(chǎn)工藝。“作為整機廠商，我們經(jīng)驗豐富，能提供掘進參數(shù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息。與高校合作，把理論搞透了，實踐才能跟上。”張志國說。

　　攻克一個個技術(shù)難關(guān)，中鐵裝備對盾構(gòu)技術(shù)的認識持續(xù)深化，盾構(gòu)機產(chǎn)品譜系日益壯大：

　　看形狀，不僅能挖圓形隧道，矩形、馬蹄形也不在話下。特別是矩形盾構(gòu)機，開創(chuàng)了過街隧道開挖新模式。

　　看場景，從最初只能挖地鐵，到能挖大埋深、長距離的硬巖隧道，再到礦山、水電站，應(yīng)用場景更加豐富。

　　看施工，從只能水平前進，到能豎向挖掘，再到能水平S形連續(xù)轉(zhuǎn)彎、大傾角斜坡向上，本領(lǐng)越發(fā)高強。

　　在海拔4700米的青藏高原上，硬巖掘進機“雪域先鋒號”，已經(jīng)工作了一年多；在被譽為“地質(zhì)博物館”的大瑞鐵路高黎貢山隧道，敞開式硬巖掘進機“彩云號”鏗鏘突進；在格魯吉亞一條公路隧道施工現(xiàn)場，世界最大直徑全斷面硬巖掘進機“高加索號”已掘進突破6000米……2008年以來，中鐵裝備隧道掘進機訂單超過1600臺，安全掘進里程超4000公里，產(chǎn)品遠銷德國、法國、意大利、新加坡等30多個國家和地區(qū)。

　　“中國中鐵將瞄準(zhǔn)世界科技前沿，在更大掘進直徑、更快掘進速度、更深掘進深度和更復(fù)雜工況上持續(xù)發(fā)力，不斷攀登掘進機技術(shù)制高點，推動中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變。”中國中鐵黨委書記、董事長陳云表示。

版權(quán)聲明：呼倫貝爾擔(dān)保網(wǎng)為開放性信息平臺，為非營利性站點，所有信息及資源均是網(wǎng)上搜集或作交流學(xué)習(xí)之用，任何涉及商業(yè)盈利目的均不得使用，否則產(chǎn)生一切后果將由您自己承擔(dān)！本站僅提供一個參考學(xué)習(xí)的環(huán)境，將不對任何信息負法律責(zé)任。除部分原創(chuàng)作品外，本站不享有版權(quán)，如果您發(fā)現(xiàn)有部分信息侵害了您的版權(quán)，請速與我們聯(lián)系，我們將在48小時內(nèi)刪除。