2022年8月,“永寧號(hào)”掘進(jìn)機(jī)正式下線。
“永寧號(hào)”掘進(jìn)機(jī)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(gè)地方、一個(gè)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?!?/p>
2014年5月10日,在中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司盾構(gòu)總裝車間考察時(shí),習(xí)近平總書記指出:“推動(dòng)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(jī),即全斷面隧道掘進(jìn)機(jī),被譽(yù)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(jī)穿梭在大江南北的工程現(xiàn)場,助力一個(gè)個(gè)高難度項(xiàng)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(tuán)研發(fā)的全球首臺(tái)能爬陡坡的大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)“永寧號(hào)”。從“直來直去”到“能爬陡坡”,國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)經(jīng)歷了哪些升級(jí)?攻克了哪些技術(shù)難關(guān)?記者進(jìn)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(jī)如何爬上39度的斜坡?從鄭州市區(qū)驅(qū)車3小時(shí),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(fù)荷低谷時(shí),利用電能抽水至上水庫,在電力負(fù)荷高峰期,再放水至下水庫發(fā)電。洛寧項(xiàng)目中,“永寧號(hào)”要開挖的便是連接上下水庫的引水斜井,起點(diǎn)海拔500米,終點(diǎn)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(dá)斜井起點(diǎn)。去年12月初,貨車載著“永寧號(hào)”的部件,駛?cè)?公里長的先導(dǎo)隧道。到達(dá)起點(diǎn)、組裝完畢后,“永寧號(hào)”開始仰起39度角向上掘進(jìn)。6個(gè)月過去,它已掘進(jìn)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(tái)階一步步往上爬,20多分鐘后,記者一行到達(dá)“永寧號(hào)”底部。在這里,“永寧號(hào)”總設(shè)計(jì)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(shí),傾角越大,盾構(gòu)機(jī)越易下滑,這是個(gè)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(jī)。而“永寧號(hào)”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(jì)團(tuán)隊(duì)得到啟發(fā)。他們?yōu)椤坝缹幪?hào)”設(shè)計(jì)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(jìn)。
光會(huì)爬坡并不夠,“永寧號(hào)”還需定制一套用于斜井隧道的渣石處理系統(tǒng)。盾構(gòu)機(jī)水平掘進(jìn)時(shí),只需用鏟斗將渣石鏟入皮帶機(jī)即可運(yùn)出隧道。但當(dāng)盾構(gòu)機(jī)斜著向上掘進(jìn)時(shí),渣石不僅會(huì)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(xiǎn)極大。
怎么辦?設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定,在盾構(gòu)機(jī)里設(shè)計(jì)一個(gè)專門通道,再配上減速裝置,將渣石安全運(yùn)到斜井底部后,再由卡車運(yùn)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(yàn),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(jìn)、能爬坡、能出渣,靠電力驅(qū)動(dòng)的“永寧號(hào)”還要應(yīng)對(duì)停電等突發(fā)情況。
一旦停電,普通盾構(gòu)機(jī)只是“趴窩”,無法正常工作,而爬坡盾構(gòu)機(jī)卻可能整體下墜、造成安全危險(xiǎn)。為此,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了雙重防溜車系統(tǒng),還為盾構(gòu)機(jī)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(jìn)場,2023年1月開挖。進(jìn)入洛寧項(xiàng)目施工以來,“永寧號(hào)”表現(xiàn)不俗:最快時(shí),一天可掘進(jìn)7米;遇到斷層破碎帶,一天可掘進(jìn)5米……“相比傳統(tǒng)的爆破施工法,‘永寧號(hào)’的效率提升了近一倍?!庇趹c增很是自豪。
確保一次成功
盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)沒有樣機(jī),只要下線就得投入施工,必須保證100%成功
盾構(gòu)機(jī)往往身形龐大、成本高昂,因此行業(yè)一直遵循一個(gè)原則:樣機(jī)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(tái)。一旦出廠,就要正式投入使用。
設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、安裝、使用……每一步都無可借鑒,“永寧號(hào)”如何做到“一次成功”?在中國中鐵裝備集團(tuán)深入采訪,記者找到了答案。
求真——沒機(jī)會(huì)進(jìn)行整機(jī)測試,就努力創(chuàng)造條件,模擬真實(shí)工況進(jìn)行核心部件實(shí)驗(yàn)。
在中鐵裝備總裝車間一側(cè),有一個(gè)直徑7米、深20米的大基坑。可別小瞧這個(gè)基坑,光改造費(fèi)用就花費(fèi)上百萬元,只為模擬出“永寧號(hào)”的運(yùn)行工況。
“一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),只靠軟件模擬、小樣測試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,必須保證100%安全?!敝需F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(jì)團(tuán)隊(duì)在基坑里進(jìn)行了一個(gè)月的測試,確保任何極限工況下“永寧號(hào)”都不會(huì)滑溜。
求細(xì)——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(jī)的“牙齒”。要想掘得快,必須“牙口好”?!坝缹幪?hào)”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(gè)刀具部件自動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié),都要追求最高品質(zhì)。”中鐵裝備質(zhì)量管理部負(fù)責(zé)人王勁松告訴記者,整個(gè)生產(chǎn)過程,材料的尺寸精確到微米,溫度控制精確到個(gè)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(yán)——每一名參與者都對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量終身負(fù)責(zé)。
一臺(tái)盾構(gòu)機(jī),設(shè)計(jì)圖紙超1萬張,零部件超2萬個(gè),工序達(dá)上百道,要想一次成功,每個(gè)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(jìn)在內(nèi)的質(zhì)量制度體系,實(shí)施質(zhì)量“一票否決制”、工序?qū)嵜坪腿?jí)檢驗(yàn)制,把質(zhì)量貫穿設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)全過程。
“每道工序都可追溯,每次操作都實(shí)名記錄,每名參與者都終身負(fù)責(zé)?!辟Z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(gè)個(gè)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(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)——“中鐵1號(hào)”下線。“生產(chǎn)一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品和盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)業(yè)化是兩個(gè)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?!敝需F裝備總經(jīng)理張志國說,這次研發(fā)“永寧號(hào)”,從啟動(dòng)立項(xiàng)到設(shè)備下線只花了兩年時(shí)間。
15年攻堅(jiān)克難,中鐵裝備攜手上下游800家合作伙伴,將整機(jī)零部件國產(chǎn)化率一步步提高到90%以上,形成22項(xiàng)國際領(lǐng)先技術(shù)。一項(xiàng)項(xiàng)新技術(shù)新工藝新設(shè)備,令人備受鼓舞——
先看動(dòng)力源。
電機(jī),驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)的力量?!坝缹幪?hào)”能“啃”下花崗巖,靠的是刀盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾刀對(duì)硬巖進(jìn)行擠壓,使巖石破碎剝落,實(shí)現(xiàn)向前掘進(jìn)。
“‘永寧號(hào)’的主驅(qū)動(dòng)電機(jī),正是8組國產(chǎn)350千瓦電機(jī)?!睆堉緡f。早在2015年,中鐵裝備就開始聯(lián)合國內(nèi)電機(jī)廠家共同開發(fā)國產(chǎn)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)。經(jīng)過一輪輪技術(shù)交流、修改方案、樣機(jī)研制,成功生產(chǎn)出首臺(tái)110千瓦主驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
此后,中鐵裝備積極尋找合適項(xiàng)目進(jìn)行搭載試用,推動(dòng)國產(chǎn)電機(jī)在常規(guī)地鐵盾構(gòu)機(jī)、大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)、礦用硬巖掘進(jìn)機(jī)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(jí),國內(nèi)電機(jī)廠家技術(shù)越發(fā)成熟,電機(jī)功率不斷升級(jí),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(jī)上的電機(jī)轉(zhuǎn)速極快,每分鐘2000多轉(zhuǎn),不過,盾構(gòu)機(jī)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(shí)現(xiàn)。
在中國機(jī)械科學(xué)研究總院鄭州機(jī)械研究所有限公司,記者見到了為盾構(gòu)機(jī)配套的減速器?!皽p速器原理很簡單,就是靠齒輪改變扭矩,實(shí)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(gè)難題?!编嵵輽C(jī)械研究所有限公司高級(jí)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(jī)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(jī)可以正常工作1萬個(gè)小時(shí)無故障,與國外同工況減速器持平?!睆埾槿逭f,國產(chǎn)減速器最初只能給直徑9米級(jí)以下的小口徑盾構(gòu)機(jī)配套,如今已可以給12米級(jí)以上的超大直徑盾構(gòu)機(jī)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(jí),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(jìn)口刀圈。為了補(bǔ)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?!白鳛檎麢C(jī)廠商,我們經(jīng)驗(yàn)豐富,能提供掘進(jìn)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(shí)踐才能跟上?!睆堉緡f。
攻克一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān),中鐵裝備對(duì)盾構(gòu)技術(shù)的認(rèn)識(shí)持續(xù)深化,盾構(gòu)機(jī)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(jī),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(jìn),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(qiáng)。
在海拔4700米的青藏高原上,硬巖掘進(jìn)機(jī)“雪域先鋒號(hào)”,已經(jīng)工作了一年多;在被譽(yù)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(jìn)機(jī)“彩云號(hào)”鏗鏘突進(jìn);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(jìn)機(jī)“高加索號(hào)”已掘進(jìn)突破6000米……2008年以來,中鐵裝備隧道掘進(jìn)機(jī)訂單超過1600臺(tái),安全掘進(jìn)里程超4000公里,產(chǎn)品遠(yuǎn)銷德國、法國、意大利、新加坡等30多個(gè)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(jìn)直徑、更快掘進(jìn)速度、更深掘進(jìn)深度和更復(fù)雜工況上持續(xù)發(fā)力,不斷攀登掘進(jìn)機(jī)技術(shù)制高點(diǎn),推動(dòng)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(duì)又一臺(tái)全球首創(chuàng)掘進(jìn)機(jī)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(jī)構(gòu),一步步攻克滾刀、軸承、電機(jī)、液壓泵等核心部件,不斷夯實(shí)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(tái)全斷面硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)、全球首臺(tái)馬蹄形盾構(gòu)機(jī)、全球首創(chuàng)超小轉(zhuǎn)彎半徑硬巖掘進(jìn)機(jī)……一系列具有標(biāo)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(tái)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(fù)雜,為盾構(gòu)機(jī)提供了十分理想的“練兵場”。盾構(gòu)機(jī)工程師們攻堅(jiān)克難,身經(jīng)百戰(zhàn),成功戰(zhàn)勝高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度等復(fù)雜地質(zhì)考驗(yàn)。被譽(yù)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(jī)做出許多新花樣:原本只能水平前進(jìn),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(jìn)機(jī)技術(shù),研發(fā)無人值守盾構(gòu)機(jī)及新型破巖方式,為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)“無人值守、智能掘進(jìn)”而不懈努力。
有底氣、有積累,堅(jiān)持創(chuàng)新,頑強(qiáng)拼搏,我國盾構(gòu)機(jī)行業(yè)還將不斷收獲新成績、開啟新未來。
《 人民日?qǐng)?bào) 》( 2023年06月28日 19 版)
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