“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?！?/P>
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”學習
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——學習“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?！庇趹c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)椤坝缹幪枴痹O(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。可別小瞧這個基坑，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”?！坝缹幪枴钡侗P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。
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。”賈連輝說，質(zhì)量標準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)的復合式土壓平衡盾構(gòu)機——“中鐵1號”下線?！吧a(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?！坝缹幪枴蹦堋翱小毕禄◢弾r，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?！睆堉緡f。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?！编嵵輽C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?！艾F(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、東北大學等高校組建產(chǎn)學研攻關(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?！睆堉緡f。
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。
記者手記
自信從容向未來
采訪過程中，記者發(fā)現(xiàn)，面對又一臺全球首創(chuàng)掘進機的成功研制，中鐵裝備人有著令人欽佩的自信與從容。
自信源于底氣。15年產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，中鐵裝備依托我國完備的產(chǎn)業(yè)體系及配套優(yōu)勢，攜手上下游企業(yè)和相關(guān)研發(fā)機構(gòu)，一步步攻克滾刀、軸承、電機、液壓泵等核心部件，不斷夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。地基打得牢，工程師們在創(chuàng)新上愈發(fā)得心應(yīng)手：全球首臺全斷面硬巖豎井掘進機、全球首臺馬蹄形盾構(gòu)機、全球首創(chuàng)超小轉(zhuǎn)彎半徑硬巖掘進機……一系列具有標志性意義的新產(chǎn)品接連下線。中鐵裝備在創(chuàng)新之路上自信前行，近年來平均每年下線兩臺首創(chuàng)產(chǎn)品。
從容源于積累。我國國土遼闊、地形地貌多樣、地質(zhì)條件復雜，為盾構(gòu)機提供了十分理想的“練兵場”。盾構(gòu)機工程師們攻堅克難，身經(jīng)百戰(zhàn)，成功戰(zhàn)勝高地熱、高地應(yīng)力、高地震烈度等復雜地質(zhì)考驗。被譽為“地質(zhì)博物館”的大瑞鐵路高黎貢山隧道也被工程師們“征服”。他們自豪地說：“今后，無論遇到什么樣的隧道地質(zhì)都不怕了?！?/P>
懷揣自信與從容，工程師們把盾構(gòu)機做出許多新花樣：原本只能水平前進，如今能上坡、能下坡、能拐彎，還能垂直作業(yè)，綜合水平躍居世界前列。眼下，中鐵裝備正努力攻克第五代掘進機技術(shù)，研發(fā)無人值守盾構(gòu)機及新型破巖方式，為實現(xiàn)盾構(gòu)機“無人值守、智能掘進”而不懈努力。
有底氣、有積累，堅持創(chuàng)新，頑強拼搏，我國盾構(gòu)機行業(yè)還將不斷收獲新成績、開啟新未來。
