国产盾构机核心技术迎来大发展

2018/08/31 17:34工程机械周刊

终于,北京时间2018年7月16日凌晨,在两国球员为全世界球迷贡献了一场精彩的对决之后,法国4:2战胜克罗地亚,高卢雄鸡时隔20年,再次捧得大力神杯。不过,谁能想到在赛场上各国球队和世界各地球迷为这个火热的夏季欢呼的时候,在莫斯科的地下有五台中国的盾构机也在热火朝天的施工中。

这是莫斯科地铁第三换乘线的西南段工程,也是中国在欧洲的首个地铁工程。盾构机“波丽娜”号已经在当地时间2018年6月11日从维尔纳斯站始发,正式进入盾构施工阶段。波丽娜、玛利亚、达利亚、耶甫盖宁、加利娜,除了本土化的名字,项目中应用的五台盾构机还可以满足莫斯科极端严寒天气的施工要求,是中国铁建为工程量身打造的“定制”产品。

城市发展深入地下

地铁的建设源于英国,世界上的第一条地铁是英国伦敦建于1863年的大都会地铁。当时,伦敦作为庞大帝国的中心,发展速度比以往任何城市都快,地面建筑增多和人口涌入使城市变得拥挤,狭窄的街道成为当时伦敦交通的问题。一位工程师创举性的做出了修建地下交通设施的提议,世界上第一条地铁也就应运而生。而后巴黎、旧金山等众多城市也纷纷效仿伦敦修建了地下交通网络。

其实当时伦敦面临的问题今天依然考验着我们,如何建设更宜居的城市?在城市发展扩张时期,人们必然竭力寻找可利用空间,在地面建筑的高度不断刷新纪录的同时,城市建设也在不断的向地下发展。这时候建设地铁成为缓解交通问题的不二选择,目前在全世界已经有55个国家的170个城市建设了地铁。

不仅仅是交通设施,城市地下管道综合走廊也成为未来城市发展的建设重点。如果能够在地下建造一条隧道,将通信、电力、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体,不仅便于敷设、维修和日常管理,还将节省大量的地面空间。为此,中国借鉴西班牙、日本等国家先进经验,开展了地下管廊建设规划,早在2015年,住房城乡建设部就在全国36个大中城市启动了地下综合管廊试点工程。

与当时伦敦相似的是,今天中国快速崛起的多个城市,必须依靠地下交通网络、地下管廊以及海绵城市建设等手段解决诸如交通拥堵、管线盘结等大城市通病,其中北京的地下交通网络建设就是最典型的例子。

北京现有的22条地铁线路每天可以满足近千万人次的出行需求,为这个拥堵是城市分担着一大部分交通压力。同时,由于这个巨型城市依然在向四面八方扩张,北京目前仍有多达17条线路处于规划过施工阶段,北京在将来必定会当之无愧地成为中国地铁线路最多的城市。

不能想象的是中国的第一条地铁,每天客运量接近百万人次的北京地铁一号线居然是采用人工开挖的方式建设的。不过这也解释了为什么当时短短几公里的线路,前后共耗时接近四年才完成。现在,距离北京地铁一号线开通已经过去了接近40年时间,中国地铁的修建早已经抛弃了开膛明挖的方式,而是依赖集掘进与支撑性管片铺设功能于一体的盾构机。

风水轮流转的盾构机市场

和地铁建设一样,盾构机也是由英国人发明,不过盾构机技术发展成就最好的国家却是德国和日本。由于盾构机本身的技术复杂性,中国早期的地下施工不得不依靠国外的盾构设备,其中大部分即是德日设备。

受益于中国基础设施建设投资、PPP项目的拉动以及国家振兴实体经济的诸多利好政策,铁路建设以及城市地下管线建设数量增加,隧道施工量也大量增加,中国的盾构机市场随之水涨船高,中国逐渐成为世界上最大的盾构机市场。但是由于国外设备价格高昂,企业价格承受能力吃重,在一大批的建设工程中,中国的盾构机制造企业渐渐发展成熟,在不断的研究改进中具备了整机生产能力。

自2011年以后,中国盾构机市场发生了反转性的变化。其中最直观的就是中国盾构机市场保有量和占有率的变化。

北方工业大学教授朱宏兵在三年前创立了专门以盾构设备为主要内容的刊物《盾构工程》,并亲自担任主编。在接受《工程机械周刊》采访时做出了概括性的介绍:“中国的盾构机市场在2011年之前,基本上由以德国和日本品牌为主的外资品牌主导。在2010年,中国的盾构机保有量只有300台,而大概80%的设备是德国和日本的产品。到2017年为止,中国在造的和在施工的盾构机保有量已经接近2000台,其中接近80%是国产设备。德国和日本产品的总份额已经不到20%了。”

从朱宏兵教授介绍的数据中不仅可以看出中国盾构机市场的增长,还可以看到中国的盾构机企业在整机生产方面的变化。在施工实践中研究探索继而取得突破性进展的例子不胜枚举。

2018年1月26日,蒙华铁路白城隧道贯通,世界上首台马蹄形盾构机“蒙华号”随之完成掘进任务。

白城隧道处于软质地带,若采用矿山法施工,不仅效率低还容易塌方塌陷,而盾构机掘出的正圆形隧道又和最佳的马蹄形隧道断面设计不符。情况看似两难,不过盾构机研制团队通过九个小刀盘的组合,创造性的将传统的圆形刀盘变成了马蹄形刀盘,掘进面和白城隧道断面吻合的“蒙华号”也因此诞生。

而世界盾构机市场也因为中国企业的加入发生着变化。其实很多领域的市场都是如此,中国企业的发展正在改变着行业格局。柳工海外要职员工黄兆华在记述柳工海外发展的专门著作《柳工出海》中提到,“国家竞争的背后是企业的竞争,中国崛起的背后一定是中国企业的崛起。”

2018年7月11日,两台开挖直径11.05m,总长约85m,整机重量约2000T的大直径土压平衡盾构机在中铁装备华隧基地下线。它们将跟随欧洲建筑企业到阿联酋,修建迪拜的DS233/2-深埋雨水隧洞,为2020年的世界博览会服务。全长10269m的主隧道穿越砂岩、泥岩地层,中铁装备针对环境对设备进行了改进,中铁工程装备集团副总经理张志国介绍,“创新刀盘、模块设计、配套设备等设计配置都提升了产品的稳定性和施工效率,增强了设备的环境适应能力。”

2010年上海举办世界博览会期间,上海市的地铁建设还需要依靠进口盾构设备。八年后,中国不仅成为世界上最大的盾构机市场,还成长起来一批具有研发、生产能力的盾构机制造企业。

喜忧参半的盾构机零部件

不论是中国国内市场的反转性变化,还是中国的盾构设备频频出口海外,走向世界各地的工程,都说明了中国盾构机制造能力的变化,毫无疑问,市场的增长是这一变化中最重要的推动因素。同样的,在盾构机整机市场发生巨大变化的同时,近几年盾构机相关的零部件生产企业数量和生产水平也都有了很大改变。

比如早在2000年就涉足盾构机专用高压油缸的江苏恒立液压,到2010年就具备了全套盾构机油缸的生产能力,现在已经成为全世界盾构机高压油缸领域的佼佼者;LYC轴承有限公司和中铁隧道局合作,利用航空精密轴承国家重点实验室平台组建大直径复合盾构主轴承科研团队,成功研制出直径2.6米,可应用于6-7米盾构机的主轴承,成为在盾构机主轴承领域打破国外垄断的开端;以及中国企业在盾构机专用刀具近100%的国产化、在主机传动设备等领域取得的可喜的进步。

相比整机制造,零部件的生产能力更考验一个国家的工业生产水平。中国盾构机领域现有的成绩说明我们已经顺利结束了从无到有的过程,而在“从有到优”的过程中,核心零部件的国产化率不高是中国盾构机行业面临的更大的难题。

中铁装备从2008年开始试制第一台盾构机样机,对于零部件的选型成了需要谨慎考虑的问题,尤其是诸如液压系统的关键零部件,必须能够承受盾构机地下施工时高频、震动、污染等不利工况的考验,这直接关系着盾构机样机试制的成败。出于这一考虑,中铁装备选用了以产品耐高压、结构紧凑等特点著称的德国哈威,并一直保持合作至今。

谈及国产液压件与国际水平之间的差距,中铁装备流体研究所所长周小磊颇为无奈的说道:“就液压领域而言,中国面临的最大问题并不是技术的难度,因为再尖端的技术其实都只是一张图纸,真正困难的是中国怎么解决好制造水平和制造理念的问题。”确实,转变制造水平和制造理念并非朝夕之功,解决这一问题需要更多企业的参与、更多的时间和资金投入。

而已经取得突破的领域,产品的可靠性、使用性能和使用寿命是下一个需要解决的问题。铁建重工科研管理院的院长梅勇兵也表示了担忧:“当前部分国产配套核心基础件可靠性不足,性能指标不能满足设计要求。已实现国产化的部分元器件和系统在产品可靠性、稳定性方面仍需须进一步提高,产品智能化水平和数字化研发能力须进一步提升。”

为提高盾构机中的国产零部件应用比例,解决国产件可靠性和寿命的问题,中铁装备采取了实验仿真的方法。中铁装备联合国内零部件厂家,用1:1的盾构测试台模拟实际工况,同时测验包括减速机、主轴承在内的多个关键零部件的使用性能和寿命等关键指标。

其实中国企业在零部件制造方面不仅仅是技术问题,对于中国来说,突破一项或者某项有难度的技术并不是难以克服的困难。真正考验我们的是如何通过合理有效的方法解决这些需要花费大量时间和资金、人力的问题,企业如何在这个过程中承担责任?政府怎么给出最佳支持?核心技术是花钱买不来的,突破核心零部件技术是中国企业走向高质量发展的必由之路。

责任编辑:Jason

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