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2022年(nian)8月(yue)，“永寧號”掘進機(ji)正式(shi)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。 以上(shang)均為中鐵裝(zhuang)備供圖

　　“一(yi)個(ge)地方、一(yi)個(ge)企業，要突破發展瓶頸、解(jie)決深(shen)層次矛盾和(he)問題，根本出路在于創新，關(guan)鍵(jian)要靠科(ke)技力量。”

　　2014年5月10日，在(zai)中(zhong)鐵工(gong)程裝備集團有限公司盾(dun)構總(zong)裝車間(jian)考察(cha)時，習近平總(zong)書記指出：“推動(dong)中(zhong)國(guo)制造向中(zhong)國(guo)創(chuang)造轉(zhuan)(zhuan)變、中(zhong)國(guo)速度向中(zhong)國(guo)質(zhi)量轉(zhuan)(zhuan)變、中(zhong)國(guo)產品向中(zhong)國(guo)品牌(pai)轉(zhuan)(zhuan)變。”

　　盾構(gou)機，即(ji)全斷面隧道掘進機，被譽為(wei)“鋼鐵穿山甲”，是開挖隧道的利器(qi)。鉆山入地，穿江(jiang)過海(hai)，近年來，國產(chan)盾構(gou)機穿梭(suo)在大江(jiang)南(nan)北的工(gong)程現場，助力一個個高難度項目順(shun)利完工(gong)。

　　近日，記(ji)(ji)者(zhe)趕赴河南鄭州市(shi)，探訪(fang)由(you)中國(guo)中鐵工業旗下中鐵裝備集團研發的(de)(de)全球首臺能(neng)爬陡坡的(de)(de)大(da)直(zhi)(zhi)徑硬巖掘進機(ji)“永寧號”。從“直(zhi)(zhi)來直(zhi)(zhi)去”到“能(neng)爬陡坡”，國(guo)產盾構機(ji)經歷了哪些升級？攻克了哪些技術難關？記(ji)(ji)者(zhe)進行了采訪(fang)。

　　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

　　千噸重的盾構機如何爬上39度(du)的斜坡？從鄭州(zhou)市區驅車3小時，記(ji)者來到河南洛(luo)寧(ning)抽水蓄能電站一探究竟(jing)。

　　抽(chou)水(shui)(shui)蓄能電(dian)站，在電(dian)力負荷低谷時(shi)，利(li)用(yong)電(dian)能抽(chou)水(shui)(shui)至(zhi)上水(shui)(shui)庫(ku)，在電(dian)力負荷高峰期，再(zai)放(fang)水(shui)(shui)至(zhi)下水(shui)(shui)庫(ku)發電(dian)。洛(luo)寧(ning)項(xiang)目中，“永寧(ning)號(hao)”要開挖的便是連接(jie)上下水(shui)(shui)庫(ku)的引(yin)水(shui)(shui)斜(xie)井，起(qi)點(dian)海(hai)拔(ba)500米，終點(dian)海(hai)拔(ba)1050米。

　　由于(yu)斜井藏于(yu)山體(ti)中間(jian)，工人們只(zhi)能(neng)從(cong)山體(ti)外側先開(kai)挖先導隧道，才能(neng)到達斜井起點(dian)。去年12月初，貨車載著“永(yong)寧號(hao)”的部件，駛(shi)入4公里長的先導隧道。到達起點(dian)、組裝(zhuang)完(wan)畢后，“永(yong)寧號(hao)”開(kai)始仰起39度角(jiao)向上掘進。6個(ge)月過去，它已掘進265米，建成一段(duan)寬7米、傾角(jiao)約36度的斜井。

　　沿著工(gong)字鋼焊(han)接而成(cheng)的臺階(jie)一(yi)步(bu)步(bu)往上爬(pa)，20多分鐘后，記者一(yi)行到(dao)達“永(yong)寧號”底部(bu)。在(zai)這里，“永(yong)寧號”總設(she)計師于(yu)慶增介紹了它(ta)爬(pa)坡(po)的關鍵訣(jue)竅——學習“爬(pa)山虎”。

　　“隧道施工時，傾(qing)角越大，盾(dun)構(gou)機越易下(xia)滑，這是個世界性難題。”于慶增說，此前國外企業(ye)只嘗(chang)試過(guo)建(jian)造直徑4米的小噸位爬坡盾(dun)構(gou)機。而“永寧號(hao)”直徑7.23米，長122米，自重1500噸，如何做到(dao)在斜坡上不往下(xia)滑？

　　從(cong)爬(pa)山虎的(de)生長中，設計團隊得到(dao)啟(qi)發。他(ta)們為“永寧號”設計了(le)4組8條“腿”，每條“腿”配備(bei)兩只(zhi)“腳”。8條“腿”精妙配合，輪流(liu)前(qian)進。

　　光會爬坡并不夠(gou)，“永(yong)寧號”還(huan)需(xu)定制一套用(yong)于斜(xie)井隧道的渣(zha)石(shi)處理(li)系統。盾構機水平掘(jue)進時(shi)，只需(xu)用(yong)鏟(chan)斗(dou)將渣(zha)石(shi)鏟(chan)入皮帶(dai)機即可運出隧道。但當盾構機斜(xie)著(zhu)向上掘(jue)進時(shi)，渣(zha)石(shi)不僅會砸到設備，還(huan)可能在傳送帶(dai)上加速滾落，造成碎石(shi)飛濺，風險極大。

　　怎(zen)么辦？設計(ji)團隊決定，在盾(dun)構(gou)機(ji)里設計(ji)一個專門通道，再(zai)配上減速裝置，將渣(zha)石安全運到斜井底部后，再(zai)由(you)卡(ka)車運出(chu)。他們不斷(duan)優化模型，一步(bu)步(bu)摸準花崗巖渣(zha)石在40度傾角情形(xing)下的跌落規律。經過上百次試驗，終于找(zhao)到了最優的溜槽截面尺寸(cun)、高寬比例、厚度材質(zhi)。

　　能掘進、能爬(pa)坡、能出(chu)渣，靠電(dian)力驅(qu)動的“永寧號”還要(yao)應對停電(dian)等突發情(qing)況。

　　一旦停電，普(pu)通盾構(gou)機(ji)只是“趴窩”，無法正常工作，而(er)爬坡盾構(gou)機(ji)卻可能整(zheng)體下墜、造成安(an)全(quan)危險。為(wei)(wei)此，設計團隊(dui)研發了雙(shuang)重防(fang)溜(liu)車系(xi)統，還為(wei)(wei)盾構(gou)機(ji)設置了安(an)全(quan)閘(zha)門(men)，防(fang)止斷電情(qing)況下渣石掉落。

　　2022年8月(yue)正式(shi)下線，2022年9月(yue)完成測試，2022年12月(yue)進(jin)(jin)場，2023年1月(yue)開挖。進(jin)(jin)入洛寧(ning)(ning)項目施工(gong)以來，“永(yong)寧(ning)(ning)號”表(biao)現不(bu)俗：最快時，一天(tian)可(ke)(ke)掘進(jin)(jin)7米；遇(yu)到斷(duan)層破碎帶，一天(tian)可(ke)(ke)掘進(jin)(jin)5米……“相(xiang)比傳統(tong)的爆破施工(gong)法，‘永(yong)寧(ning)(ning)號’的效率提升了近一倍。”于慶增很(hen)是自豪。

　　確保一次成功

　　盾構機的研發沒有樣機，只要下線就得投入施工，必須保證100%成功

　　盾構機往(wang)往(wang)身形龐大(da)、成本高昂，因此行業(ye)一直遵循一個原則：樣機即正品(pin)，試用(yong)即施工。即使是創新產(chan)品(pin)，也(ye)只能(neng)生產(chan)一臺。一旦出廠(chang)，就要正式投入使用(yong)。

　　設計(ji)、制造、調試(shi)、安裝、使用……每(mei)一步都無可借鑒，“永寧號”如何做(zuo)到(dao)“一次成功”？在中(zhong)國中(zhong)鐵裝備集(ji)團(tuan)深(shen)入采訪，記者找到(dao)了答案。

　　求(qiu)真——沒機(ji)會(hui)進行(xing)整(zheng)機(ji)測(ce)試，就(jiu)努(nu)力(li)創造條件，模(mo)擬真實(shi)工(gong)況進行(xing)核心(xin)部件實(shi)驗(yan)。

　　在(zai)中鐵裝(zhuang)備總裝(zhuang)車間一(yi)側，有(you)一(yi)個(ge)直徑7米、深20米的(de)大基坑。可(ke)別小瞧(qiao)這(zhe)個(ge)基坑，光(guang)改(gai)造費用就(jiu)花費上(shang)百萬元，只為模擬出“永寧號”的(de)運行工況。

　　“一(yi)種全(quan)新的(de)結(jie)構設計(ji)(ji)，只靠軟件(jian)模(mo)擬、小樣(yang)測試(shi)遠(yuan)遠(yuan)不夠，必須保證100%安全(quan)。”中鐵裝備總工程師賈(jia)連輝說，防(fang)溜(liu)結(jie)構核心(xin)部件(jian)制(zhi)作(zuo)完成(cheng)后，設計(ji)(ji)團隊在基坑(keng)里(li)進行了一(yi)個(ge)月的(de)測試(shi)，確保任何(he)極限工況下“永寧(ning)號”都(dou)不會滑溜(liu)。

　　求細——千噸(dun)重、百(bai)米長的(de)“大(da)家(jia)伙”，身上不少設備的(de)尺(chi)寸(cun)卻精確到微米。

　　滾刀(dao)，盾構機(ji)的(de)(de)“牙齒”。要想(xiang)掘得快，必須“牙口(kou)好”。“永寧號”刀(dao)盤上共配備了(le)49把滾刀(dao)，有200公斤重的(de)(de)大刀(dao)，也有155公斤的(de)(de)小刀(dao)。

　　中鐵裝(zhuang)備新鄉(xiang)生(sheng)(sheng)產基地，擁有(you)全球(qiu)唯一一條盾構(gou)滾刀裝(zhuang)配(pei)檢(jian)測生(sheng)(sheng)產線(xian)，可將12個刀具部件(jian)自動組裝(zhuang)成一把(ba)完整的滾刀，并且確保高精度。此后，熔鑄(zhu)、打磨(mo)、淬火(huo)、回(hui)火(huo)、冷(leng)卻……歷經10多道工序，滾刀才能正(zheng)式下線(xian)。

　　“每一個環節，都要追求最高品(pin)質。”中鐵裝備(bei)質量管理部負責人王勁(jing)松告訴記者，整個生(sheng)產(chan)過程，材料(liao)的尺寸(cun)精(jing)確(que)到微(wei)米，溫度控制精(jing)確(que)到個位(wei)數，就連熱處理后的滾(gun)刀(dao)微(wei)觀金(jin)屬(shu)結構，也要用顯微(wei)鏡觀察。

　　求嚴——每一名參與者都對(dui)產品質量終(zhong)身負責。

　　一(yi)臺(tai)盾構(gou)機，設計圖紙超1萬張，零部件超2萬個(ge)，工序達上百道，要(yao)想一(yi)次(ci)成功，每(mei)個(ge)環節都不能“掉(diao)鏈子”。

　　為此(ci)，中(zhong)鐵裝備建立(li)了(le)包括質(zhi)(zhi)量(liang)預(yu)防、過程管理、質(zhi)(zhi)量(liang)約(yue)束(shu)、質(zhi)(zhi)量(liang)改(gai)進在內的(de)質(zhi)(zhi)量(liang)制度體(ti)系，實施質(zhi)(zhi)量(liang)“一(yi)票否決(jue)制”、工序實名制和三級檢驗制，把質(zhi)(zhi)量(liang)貫(guan)穿設計、制造、服務(wu)全過程。

　　“每(mei)道工序都(dou)可(ke)追溯(su)，每(mei)次操作(zuo)都(dou)實名(ming)記(ji)錄，每(mei)名(ming)參與(yu)者(zhe)都(dou)終身負(fu)責。”賈連輝說(shuo)，質量標準已(yi)成為中(zhong)鐵(tie)裝(zhuang)備人心中(zhong)的“硬(ying)杠杠”。

　　從量變到質變

　　20多年的成長積淀，啃下一個個零部件“硬骨頭”，開發新功能更加得心應手

　　2008年，我國第一臺(tai)擁有自主知識產(chan)權的(de)復合式土壓平衡盾構(gou)機(ji)——“中(zhong)鐵1號(hao)(hao)”下線。“生產(chan)一臺(tai)盾構(gou)機(ji)產(chan)品和盾構(gou)機(ji)產(chan)業化是兩個概(gai)念(nian)。產(chan)業鏈上(shang)下游(you)精(jing)誠(cheng)合作(zuo)、共同成長，讓我們迎來從量變到(dao)質變的(de)飛(fei)躍。”中(zhong)鐵裝備總經理張(zhang)志國說，這次(ci)研發“永寧號(hao)(hao)”，從啟動立項(xiang)到(dao)設(she)備下線只花了兩年時間。

　　15年攻堅克難(nan)，中(zhong)鐵裝備攜手上下(xia)游800家合作(zuo)伙伴，將(jiang)整機(ji)零部件國產化率一步步提高到90%以上，形成22項國際領(ling)先(xian)技術。一項項新技術新工藝新設備，令人備受鼓舞——

　　先看動力源。

　　電機，驅動刀盤旋轉(zhuan)的力量。“永寧號”能“啃”下花崗巖(yan)，靠的是刀盤旋轉(zhuan)帶(dai)動滾刀對(dui)硬(ying)巖(yan)進行(xing)擠壓，使巖(yan)石破碎剝落(luo)，實(shi)現向(xiang)前掘進。

　　“‘永(yong)寧號’的主驅動電(dian)機(ji)(ji)，正是8組國(guo)產(chan)350千瓦(wa)電(dian)機(ji)(ji)。”張志(zhi)國(guo)說。早在2015年，中鐵裝備就(jiu)開始聯合(he)國(guo)內電(dian)機(ji)(ji)廠家共同開發(fa)國(guo)產(chan)主驅動電(dian)機(ji)(ji)。經(jing)過一輪輪技術交流、修改(gai)方案、樣機(ji)(ji)研制，成功生產(chan)出(chu)首(shou)臺110千瓦(wa)主驅動電(dian)機(ji)(ji)。

　　此后，中鐵裝備積極尋(xun)找合適項目進行搭載(zai)試用，推動國產(chan)電(dian)機(ji)(ji)在常規地鐵盾構機(ji)(ji)、大直(zhi)徑泥(ni)水盾構機(ji)(ji)、礦用硬巖掘進機(ji)(ji)等設備上先后落地。以用代(dai)測，不(bu)(bu)斷反饋數據，多次(ci)優化(hua)升(sheng)級(ji)，國內(nei)電(dian)機(ji)(ji)廠家(jia)技術越(yue)發成熟，電(dian)機(ji)(ji)功率不(bu)(bu)斷升(sheng)級(ji)，相繼開發出200千瓦(wa)、250千瓦(wa)、300千瓦(wa)等不(bu)(bu)同功率產(chan)品。

　　再看減速器。

　　盾構機上的電機轉速(su)極快，每分鐘(zhong)2000多轉，不過，盾構機刀盤(pan)卻要(yao)轉得“夠慢”，每分鐘(zhong)低至1.5轉。巨大(da)的轉速(su)落差，得靠減速(su)器來實現。

　　在中國機(ji)械(xie)科學研(yan)究總院鄭州機(ji)械(xie)研(yan)究所(suo)有(you)限(xian)公司，記者(zhe)見到了為盾構機(ji)配套(tao)的減(jian)速器。“減(jian)速器原理很(hen)簡單，就是靠齒輪改(gai)變扭(niu)矩，實現降(jiang)速增扭(niu)。不過(guo)，如何把齒輪做(zuo)得更(geng)小、更(geng)精、更(geng)耐用(yong)卻是個(ge)難題。”鄭州機(ji)械(xie)研(yan)究所(suo)有(you)限(xian)公司高(gao)級(ji)工(gong)程師張祥儒(ru)說(shuo)。

　　首(shou)要(yao)的是找(zhao)到合適(shi)的合金(jin)(jin)鋼。經過(guo)多(duo)年不(bu)懈努力(li)，中國寶武(wu)成功研制出符合要(yao)求的新型合金(jin)(jin)鋼，為(wei)高(gao)功率高(gao)密度(du)減速器的誕生奠定了基礎。

　　此后，鄭州機(ji)械研(yan)究所有限公司利用(yong)60余年的(de)研(yan)究積淀，在滲碳(tan)、離子滲氮、感(gan)應淬火等方面不斷創新工(gong)藝(yi)，有效提高了高功率(lv)密度減(jian)(jian)(jian)速(su)器(qi)齒輪的(de)承載能力(li)和可靠度。“現在，我們的(de)減(jian)(jian)(jian)速(su)機(ji)可以(yi)正(zheng)常工(gong)作1萬個小時無故障，與(yu)國(guo)外同工(gong)況減(jian)(jian)(jian)速(su)器(qi)持平。”張祥儒說，國(guo)產(chan)減(jian)(jian)(jian)速(su)器(qi)最初只能給直徑9米級以(yi)下的(de)小口徑盾構(gou)機(ji)配套(tao)，如今已可以(yi)給12米級以(yi)上(shang)的(de)超大(da)直徑盾構(gou)機(ji)配套(tao)。

　　最后看刀盤。

　　刀(dao)盤(pan)，分為滾刀(dao)、刀(dao)圈、軸(zhou)承和密封。經過多年研發升級(ji)，中鐵裝(zhuang)備的(de)滾刀(dao)系列產(chan)(chan)(chan)品市場占有(you)率國內第一，還(huan)成功出口海(hai)外。刀(dao)圈，卻一度讓(rang)企業(ye)感到頭疼。早期(qi)，國產(chan)(chan)(chan)刀(dao)圈韌(ren)性較差、硬度偏高，異常失效的(de)概率高于進口刀(dao)圈。為了補足短板，中鐵裝(zhuang)備決定從基(ji)(ji)礎研究開(kai)始投入(ru)。2013年，他們與清華大學、東北大學等高校(xiao)組(zu)建(jian)產(chan)(chan)(chan)學研攻關(guan)聯合(he)體(ti)，一道鉆研高純凈耐磨鋼(gang)的(de)生產(chan)(chan)(chan)工藝(yi)。“作為整機廠商，我(wo)們經驗豐富，能提供掘進參數、地質數據等基(ji)(ji)礎信息。與高校(xiao)合(he)作，把理論搞透了，實踐才(cai)能跟上。”張志國說。

　　攻克一(yi)個(ge)個(ge)技術難關，中鐵裝備對盾構技術的認識持續深化，盾構機產品譜系(xi)日益壯大：

　　看(kan)形(xing)狀，不僅能挖圓形(xing)隧道，矩(ju)形(xing)、馬蹄(ti)形(xing)也不在(zai)話下。特(te)別(bie)是矩(ju)形(xing)盾(dun)構機，開創(chuang)了過街隧道開挖新模式。

　　看(kan)場景，從最初只(zhi)能(neng)挖地鐵，到能(neng)挖大埋(mai)深、長距離的硬巖隧道(dao)，再到礦山、水電站，應用場景更(geng)加豐富。

　　看(kan)施工，從(cong)只能水(shui)平(ping)前進，到(dao)能豎向(xiang)挖掘，再到(dao)能水(shui)平(ping)S形(xing)連(lian)續轉彎、大傾角斜坡向(xiang)上，本(ben)領越發高強。

　　在海拔4700米的青藏高(gao)原上，硬(ying)巖掘進(jin)(jin)機“雪域先鋒號(hao)(hao)”，已經工作了一年(nian)多；在被譽為“地質博物館”的大瑞鐵路高(gao)黎(li)貢山隧(sui)(sui)道(dao)(dao)，敞開式(shi)硬(ying)巖掘進(jin)(jin)機“彩云(yun)號(hao)(hao)”鏗鏘突(tu)(tu)進(jin)(jin)；在格魯吉亞一條公(gong)路隧(sui)(sui)道(dao)(dao)施工現場，世界最大直徑全(quan)斷(duan)面硬(ying)巖掘進(jin)(jin)機“高(gao)加索號(hao)(hao)”已掘進(jin)(jin)突(tu)(tu)破6000米……2008年(nian)以來(lai)，中鐵裝備隧(sui)(sui)道(dao)(dao)掘進(jin)(jin)機訂單超(chao)過1600臺(tai)，安全(quan)掘進(jin)(jin)里(li)程超(chao)4000公(gong)里(li)，產品遠銷德國(guo)、法國(guo)、意大利(li)、新加坡等(deng)30多個國(guo)家和地區。

　　“中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)中(zhong)(zhong)(zhong)鐵將瞄準(zhun)世界科技前沿(yan)，在更(geng)大掘進(jin)直(zhi)徑、更(geng)快掘進(jin)速度(du)(du)、更(geng)深掘進(jin)深度(du)(du)和更(geng)復(fu)雜工況上持續(xu)發力(li)，不斷攀登掘進(jin)機(ji)技術(shu)制高點(dian)，推動中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)制造向中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)創造轉變。”中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)(guo)中(zhong)(zhong)(zhong)鐵黨委書記、董事長陳云表(biao)示。