工匠精神鍛造“鋼鐵蛟龍”的“利齒”

文/ 本刊記者 鄭茂典

城市地下交通線路工程大直徑盾構(gòu)隧道

盾構(gòu)機(jī)，它的正式名稱叫做全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，平時(shí)大家可能很少見到它，因?yàn)樗话愣荚诘叵禄蚴巧蕉蠢锕ぷ?，是建造地鐵、鐵路、公路、隧道等的利器。因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜、集成度高，也有人把它稱為機(jī)械制造皇冠上的明珠。

盾構(gòu)刀具作為盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”，是盾構(gòu)掘進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，直接影響到盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度、施工成本和工程質(zhì)量。作為吉林省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)獲得者的凌遠(yuǎn)科技股份有限公司，多年來通過持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，將成果應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外數(shù)十個(gè)高難度地質(zhì)條件的高強(qiáng)度硬巖隧道或復(fù)雜地層隧道項(xiàng)目中，促進(jìn)我國(guó)盾構(gòu)機(jī)零部件核心技術(shù)不斷突破。

在掘進(jìn)中逆襲

世界上第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)是法國(guó)工程師布魯諾爾發(fā)明的。直到1953年，中國(guó)才引入第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)的使用發(fā)展歷史只有不足70年，但是如今全世界都爭(zhēng)相搶購(gòu)中國(guó)盾構(gòu)機(jī)，從國(guó)外進(jìn)口到全球領(lǐng)先，中國(guó)盾構(gòu)機(jī)逆襲成功。

盾構(gòu)機(jī)如今已經(jīng)被中國(guó)做到了“白菜價(jià)”，讓西方痛失了又一個(gè)可以賺錢的神器，以前盾構(gòu)機(jī)被西方定義為高端科技產(chǎn)物，想要引進(jìn)一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，往往需要花費(fèi)幾千萬美元。為了防止中國(guó)掌握核心技術(shù)，拒絕出售生產(chǎn)線，拒絕培訓(xùn)維護(hù)人員，賺足了售后的利潤(rùn)，而且一旦出了故障，維修盾構(gòu)機(jī)就會(huì)變得非常麻煩。

上世紀(jì)90年代末，中國(guó)城鎮(zhèn)化開始起步，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速。中國(guó)是地大物博的國(guó)家，國(guó)內(nèi)有很多城市需要建設(shè)地鐵，挖掘隧道，用基建助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展。1997年，為了建設(shè)西康鐵路秦嶺隧道，中國(guó)第一次進(jìn)口了兩臺(tái)德國(guó)盾構(gòu)機(jī)，兩臺(tái)二手盾構(gòu)機(jī)花了7億元，相比傳統(tǒng)的隧道鉆爆法，盾構(gòu)機(jī)施工不僅效率大幅提升，而且施工過程安全性大大提高。但是，在享受安全高效的同時(shí)，我國(guó)也不得不接受高昂的設(shè)備費(fèi)用，和并不順暢的售后服務(wù)。

直到2008年，通過我國(guó)科研人員的不懈努力，研發(fā)出中國(guó)第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)“中鐵一號(hào)”。在此基礎(chǔ)上，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)開始井噴式發(fā)展，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)行業(yè)開始快速崛起，從此開始替代了進(jìn)口，轉(zhuǎn)而使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

從0到1，從完全不能生產(chǎn)到如今國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%，中國(guó)在盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展速度，比在高鐵和民航客機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展速度還要快。之所以國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品能完全取代國(guó)外產(chǎn)品，主要還是因?yàn)檎莆樟硕軜?gòu)機(jī)核心技術(shù)，一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)包含上萬個(gè)零部件，比如刀具和主軸承，刀具刀盤的設(shè)計(jì)研發(fā)，一直是盾構(gòu)機(jī)國(guó)產(chǎn)化的重要課題。

跟普通機(jī)械設(shè)備不同的是，盾構(gòu)機(jī)是定制化產(chǎn)品，每一臺(tái)設(shè)備都需要結(jié)合實(shí)際的工程單獨(dú)設(shè)計(jì)，不同的地質(zhì)、不同應(yīng)用場(chǎng)景，會(huì)有不同的需求。“比如砂卵石地層，對(duì)刀具磨損是非常厲害的，所以我們就給裝備配備上合適該地質(zhì)的刀具?！?凌遠(yuǎn)科技股份有限公司董事長(zhǎng)張凌說。

在應(yīng)用中攻關(guān)

盾構(gòu)機(jī)最關(guān)鍵的技術(shù)是它前部作為磨損件的刀具。這些刀具要滿足高硬度、高韌性、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，其生產(chǎn)技術(shù)曾長(zhǎng)時(shí)間被德國(guó)“卡脖子”，想更換只能購(gòu)買德國(guó)的配套產(chǎn)品。2002年攻關(guān)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張凌便開始組建技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān)，致力于研發(fā)、生產(chǎn)國(guó)內(nèi)隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）配件。

在研制的初期，刀圈選材為行業(yè)普遍采用的H13鋼材作為原材料，采用傳統(tǒng)的自由鍛造工藝，同時(shí)采用傳統(tǒng)的方式對(duì)刀圈進(jìn)行熱處理，致使鍛造后的刀圈毛坯尺寸不規(guī)則，加工余量大，制造成本極高。技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過對(duì)產(chǎn)品不斷提升和創(chuàng)新，自首批成果應(yīng)用于磨溝嶺隧道工程掘進(jìn)試驗(yàn)后，幾年間，團(tuán)隊(duì)結(jié)合工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、平行產(chǎn)品對(duì)比，不斷提升產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。通過經(jīng)驗(yàn)積累與分析，將刀圈毛坯的鍛造方式進(jìn)行改進(jìn)，由傳統(tǒng)的自由鍛造改為輥鍛方式，并且優(yōu)化了熱處理工藝，其使用性能已達(dá)到進(jìn)口刀具的90%以上。雖然在刀圈質(zhì)量上有很大的提升，但刀圈毛坯重量仍然較大，成本沒有明顯降低。

此后，技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)對(duì)刀圈的材料進(jìn)行了突破性的改進(jìn)，并研發(fā)出了新型FSD、WG系列高耐磨、高硬性、高韌性材料，通過接近真實(shí)服役工況的數(shù)字化模擬分析技術(shù)，對(duì)刀圈的性能進(jìn)行模擬分析；利用電渣二次重熔技術(shù)，改進(jìn)原材料的組織，通過萬噸級(jí)高壓近凈成形技術(shù)，將刀圈毛坯一次鍛壓成形；最后通過真空熱處理技術(shù)，結(jié)合以特殊的過程熱處理工藝，真正提高了刀圈的核心性能，既“硬”又“韌”，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于進(jìn)口刀圈，同時(shí)大幅度降低了刀圈的制造成本。

“技術(shù)攻關(guān)不能單打獨(dú)斗，要各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，懂研發(fā)的不懂工程，懂工程的不懂研發(fā)，要解決研發(fā)與應(yīng)用的壁壘，就要聯(lián)合?！睆埩枵f。為此，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)重新組建，形成了產(chǎn)學(xué)研用的專攻技術(shù)團(tuán)隊(duì)，相繼與東北電力大學(xué)、吉林大學(xué)、中南大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)等多所高校開展產(chǎn)學(xué)研合作，結(jié)合多年施工案例、大量一手工況數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有刀具存在的不穩(wěn)定因素進(jìn)行排查，對(duì)進(jìn)口刀具進(jìn)行全面分析實(shí)驗(yàn)，研制出性能更穩(wěn)定、破巖效果更優(yōu)異的刀具產(chǎn)品。

2014年，由研發(fā)團(tuán)隊(duì)組建的凌遠(yuǎn)科技股份有限公司正式成立。為加快技術(shù)研發(fā)，公司陸續(xù)購(gòu)入成套的高精尖現(xiàn)代化生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過技術(shù)團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)和刀具裝配工程師對(duì)掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)刀具失效的監(jiān)測(cè)記錄，對(duì)刀具關(guān)鍵部件刀圈的改進(jìn)作出深入研究，研發(fā)出一套創(chuàng)造性的核心技術(shù)，并以此為依托，承擔(dān)起了吉林省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。

水利工程引水隧道小直徑TBM刀盤出洞

在減量中提質(zhì)

盾構(gòu)機(jī)有著“鋼鐵蛟龍”之稱。盾構(gòu)機(jī)挖掘進(jìn)度直接影響整個(gè)工程的進(jìn)度、施工成本和工程質(zhì)量。作為盾構(gòu)機(jī)的“牙齒”，每天多挖掘一米，都是在節(jié)約成本，縮短挖掘時(shí)間，如果刀具“質(zhì)”不提高，就會(huì)產(chǎn)生非正常磨損，導(dǎo)致刀具消耗過大，每次停機(jī)換刀具就要至少耽誤兩個(gè)小時(shí)，所以刀具的質(zhì)量、穩(wěn)定性尤為重要。

2016年，團(tuán)隊(duì)參與引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧道項(xiàng)目，涌水、塌方、巖爆、高溫地?zé)峒案邚?qiáng)度硬巖等諸多困難因素疊加，構(gòu)成隧道施工的世界級(jí)難題。施工中由于巖石強(qiáng)度高、石英含量非常高、節(jié)理發(fā)育程度低，同時(shí)巖爆沖擊危害強(qiáng)，當(dāng)巖石硬度超過130MPa時(shí)，刀具消耗量極大，挖掘工作不得已緩慢進(jìn)行或準(zhǔn)備購(gòu)買進(jìn)口刀具。團(tuán)隊(duì)在經(jīng)過地質(zhì)勘探報(bào)告分析后，拿出研發(fā)的拳頭產(chǎn)品在秦嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)裝互換對(duì)比試驗(yàn)，與美國(guó)某知名滾刀比較磨耗率等關(guān)鍵性能績(jī)效參數(shù)，超過進(jìn)口滾刀33.67%，及時(shí)地解決了施工難題?！皩?shí)驗(yàn)結(jié)束后，王夢(mèng)恕院士很欣慰，他說刀具雖然是整個(gè)隧道建設(shè)中小之又小的一個(gè)部件，但這證明了我們科研團(tuán)隊(duì)為隧道工程配套而努力的結(jié)果，他的最大愿望就是讓我國(guó)擁有世界一流的隧道產(chǎn)業(yè)工程配套能力，服務(wù)祖國(guó)和人民。”張凌說。

除此之外，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)著多個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略級(jí)TBM/ 盾構(gòu)隧道工程的刀具任務(wù)，如云南大瑞鐵路工程、川藏線鐵路林芝段色季拉山隧道工程、滇中引水工程、南水北調(diào)工程、珠三角水資源配置優(yōu)化工程、海外“一帶一路”項(xiàng)目如尼泊爾喜馬拉雅山巴瑞巴貝引水隧道工程、以色列特拉維夫紅線項(xiàng)目、格魯吉亞高加索山脈KK公路隧道工程、斯里蘭卡上依拉黑運(yùn)河引水隧道工程等等。與大多數(shù)裝備公司不同，“我們專門喜歡啃硬骨頭，別人干不了的我們來，別人干不動(dòng)的我們上，我們不求項(xiàng)目數(shù)量，但力求我們參與的每個(gè)項(xiàng)目都以‘質(zhì)’取勝?！睆埩枵f。

從初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)到公司走向市場(chǎng)，20多年來，持續(xù)攻關(guān)成了團(tuán)隊(duì)的一種工作習(xí)慣，以科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)力，追求核心技術(shù)全自主，而試驗(yàn)檢測(cè)能力是保證技術(shù)主動(dòng)權(quán)牢固自主掌控的關(guān)鍵。在這一堅(jiān)定的基本理念的驅(qū)動(dòng)下，團(tuán)隊(duì)先后創(chuàng)建“吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)科技創(chuàng)新平臺(tái)”“吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和企業(yè)技術(shù)中心，以隧道掘進(jìn)民族工業(yè)發(fā)展為己任，秉承工匠精神，追求卓越，做強(qiáng)“中國(guó)之刃”。