硬核!我国盾构机是如何实现由0到100%国产化的逆袭?

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我国的盾构机逆袭,在互联网上是神话般的存在,已经好多年了。国产盾构机解决卡脖子,实现全国产化,是2022年12月才实现,但互联网上已经自嗨了很多年。
新华网沈阳1月6日电 2022年12月26日,由北方重工集团有限公司(简称“北方重工”)生产制造、装备国产主轴承的100%国产化盾构机,在沈阳地铁1号线东延线1标施工现场顺利完成1000米的施工掘进任务。


盾构机这种重工产品,是定制产品,比如沈阳要修地铁,就得定制一台,要建雨污分离管线,就得再定制一台。地质条件不同,设计也不一样。要是挖地铁线,一台盾构机挖10公里,盾构机差不多就到寿命了。
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央视报道沈阳制造的8米直径主轴承
并且这种大型盾构机,挖管线的时候,只能进,不能退,要是关键部件,比如主轴承坏了,那损失就大了。
就拿主轴承说吧,主轴承一直卡脖子技术,对材料要求高,设计要合理,滚子等配件精度要高,连润滑脂油标准都得高不少。前面的刀盘在切削土方、坚固的石头,然后把泥沙、碎石送到后方运走。

\\ 为什么要用盾构机呢?
就以挖个山洞为例,用1000人开山凿洞,大概要5年,但是用盾构机施工,半年不到就能完成。
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盾构机施工图

我们刚实现全国产化的盾构机,西方已经玩了200多年。

1818年,法国人布鲁诺尔开始研究盾构法施工,造出了盾构机。
当年的盾构机是什么样子呢?看起来很简陋。
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布鲁诺尔为盾构机申请的发明专利
1825年,为了修伦敦泰晤士河隧道,英国决定采用这个盾构法施工。结果施工的时候,隧道两次渗水,把工地都淹没了,只好暂停。
布鲁诺儿回去又研究了10年,把盾构机进行了改造,再次施工,1843年才完工。
有了这次经验后,欧洲开始研究盾构机。
1865年,英国又在泰晤士河底挖了一个水底隧道。
1874年,英国的格雷特黑德在建伦敦地铁的时候,把盾构机改造成了气压盾构法,这算是一大进步。
等到1930年以后,美国纽约要开始基建了,发现盾构机好用,于是挖水底隧道、山体隧道、地铁隧道、管线隧道、给排水管道,全部用上了盾构机。
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大基建完成后,在进行城市改造的时候,像日本、欧洲小国为了管线施工,开始研究制造直径1米左右的小盾构机,相当于开始细分盾构机。
1953年,辽宁阜新煤矿组装了一台直径2.6米的手掘式盾构机,修了疏水巷道,算是我国开始用盾构法施工。
此后几十年,我国北京、上海也有用盾构法施工的工程,但是还是用手掘式盾构机,它简单、配件少、成本低,挖小通道还是挺合适的。
比如,1974年,吐库铁路开工,当时有一座隧道,长3.783公里,完全是用铁锹、钢钎、大锤、小推车全人工造出来的,还造成了200多人的伤亡。
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1974年,铁道兵修新光隧道
这次完工以后,我国就拉起队伍,准备研究大型盾构机。但一直到1985年后,我们才开始引进和研制盾构机,好设备国外不卖,我们自己研究一直没有大进步。
80年代末期,大连想修地铁,地质勘探后,当时我们的盾构机施工成问题,再加上经济原因,步入2000年大连才开始修地铁。
1988年,我国造了一台直径11.26米的手掘式盾构,在上海施工过江隧道。这台盾构机差点破了国际上直径12.84米的记录。
1990年,法国同意引进盾构机技术给我国,联合制造了用于上海地铁1号线施工的土压平衡盾构掘进机。
盾构机结构图
要注意,这个是盾构掘进机,不是盾构机,两者是有区别的,可以简单的理解为掘进机是盾构机的简化版产品。
1997年,我国从德国买了2台盾构机修西康铁路,用上德国的盾构机后,才感受了中外盾构机的差距。自己造不出来,只能买,因此国内的盾构机,10台有9台是德美日三个国家的产品。
这期间,我们也在研究盾构机,比如2004年9月,我国首台地铁盾构掘进机“先行1号”成功下线。2006年,造出了“先行2号”土压式平衡盾构机。
2005年,我国准备建设被称为“万里长江第一隧”的南京长江隧道。这条6.042公里长的隧道,我们的盾构机无法施工,只能高价从德国买,两台二手盾构机要价7亿。
二手装备嘛,出问题是常事,出了问题就得修,这个还不保修的。德国工程师出发算起,一天24000块,维修的时候,中国人得离的远远的。
盾构机的刀片是消耗品,刀片磨损就要换。这个刀片只能德国工程师换,两天换一把刀片,20万。
后来我们自己研究换刀片,一天可以换8把刀片,一天5000块。
也是这一年,我国下决心一定要解决大型盾构机技术,因此,2005年称为中国大盾构机元年
事实证明,只要是我们下了决心要做的事,都能做好。
2008年,我国首台拥有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机“中国中铁一号”成功下线。当然了,虽然有自主知识产权,但是关键配件仍然来自国外。
2013年,中铁装备研制出了当时世界最大的矩形盾构机,帮新加坡修地铁。
2015年,中铁装备研制出了硬岩掘进机,让我国在硬岩掘进机领域进入世界前列;
2017年,国产盾构机销量世界第一。
2013年,中铁装备研制的矩形盾构机
尽管一路高歌,但是国产盾构机一直有个问题没有全部解决,就是主轴承
虽然我国洛阳、大连瓦房店、马鞍山等地的轴承技术不差,海洋风电、发电等等都在用,但是用于盾构机的大直径轴承,却一直没有解决,高端盾构机一直是进口国外的主轴承和相关配件
2015年7月24日,中铁装备、洛阳LYC轴承、郑州机械研究所开始攻关国产主轴承和盾构机减速机。中铁装备是使用方提需求,郑研所搞设计,洛阳LYC轴承做生产。研发了6-7米级盾构机主轴承,可连续工作1.5万小时。
2016年11月26日,首台用国产主轴承的盾构机在合肥下线。
2020年9月26日,我国首台使用3米级(2.6米)国产主轴承的盾构机“中铁872号”在苏州始发。
2021年12月22日,振兴号下线,用于横琴杧洲跨海隧道施工。振兴号刀盘直径15.03米,长135米,是全球的盾构机之王”。
振兴号盾构机
我们来看看盾构机100%国产化的几个节点。
2002年,大型盾构机研发团队组建。
2008年4月25日,我国首台具有自主知识产权的复合式盾构机在河南新乡下线,应用于天津地铁建设。
2015年,首台全自主知识产权铁路大直径盾构机下线,打破了国外近一个世纪的技术垄断。
这个时候,我们还是组装,关键配件都来自国外。比如刀盘是国产,但是刀片要买德国的。
2016年11月26日,我国首台使用国产主轴承的再制造盾构机在合肥下线,主轴承直径2.6米,可以满足直径6米至7米的盾构机连续工作1.5万小时以上,由洛轴制造,这时候算是打破了国外对盾构机主轴承的垄断,3米以上大直径主轴仍然需要进口
2017年10月26日,我国自主设计的直径15.03米的泥水平衡盾构机下线,标志着中国盾构机正在向更高迈进。
2018年3月13日,由我国自主研发的超大直径盾构机下线,出口孟加拉国用于卡纳普里河底隧道工程建设,直径12.12米。
这期间,我国一直在解决盾构机的国产化率的问题,比如大直径的主轴承、滚子精度等等都成问题。
位于沈阳的中科院金属研究所
2020年,中科院金属所开始牵头研究,沈阳金属所研发“低氧稀土钢”等12项关键技术,解决了大直径盾构机主轴承等关键配件多年的难题。
我国轴承制造并不差,风电、火电、起重机等都需要用大型轴承。洛阳、瓦房店也制造过大直径的轴承用于海洋风电等装备,但是到了盾构机,技术要求达不到。因此盾构机上,超过6米的主轴承,都是进口
风电等虽然有大尺寸的轴承,但是主流还是小尺寸,3米以内的主轴承,并不适用盾构机。
盾构机主轴承要做大,就得有相应的碾环机,热处理设备、还得有高精度机床。强度要求不高,直径大,滚子精度要求也不高,但是到了盾构机这里,大直径的主轴承就得有高精度的滚子
我国制造大型滚子的进口设备,功能受限,只能加工二级精度的产品。
因此,得想一些办法解决这个滚子精度问题。芯片虽然都是砂子做的,但不是谁都能做芯片。
轴承中的滚子
我国盾构机主轴承虽然由洛轴实现了国产,但是大直径盾构机主轴承,因为材料和滚子精度的原因,一直没有解决。
经过攻关,金属所一共研制了3米、6米、8米级共10套国产主轴承,外加高精度的滚子等配件。8米的主轴承参数已经跟国际同行相当,甚至部分参数超过了,可用于超大型盾构机。
2019年1月14日,中隧和洛轴下线直径11米级盾构机,主轴承4.8米,寿命10000小时。该盾构机在2022年3月14日用于舟山的公路建设。
2022年4月20日,沈阳北方重工制造我国首台100%国产盾构机动力达到同类世界之最,进场施工沈阳地铁1号线东延线。这一段主要是花岗岩,盾构机一个月能挖500米左右。
2023年4月6日,成功贯通。现在的科研项目,是以应用成功为标准。
2023年5月8日,中科院金属所在沈阳办了盾构机大型主轴承示范应用标段贯通仪式,标志着盾构机100%全国产化的难题已经解决。
中科院金属研究所8米直径盾构机主轴承验收仪式

中国盾构机是怎么走到海外,占据国际市场的?

现在,世界上的盾构机玩家,已经是中国品牌的主场,中铁装备中国铁建重工上海隧道江苏常熟中交天和辽宁沈阳北方重工辽宁辽阳三三工业。占着国际市场70%的市场份额,而国内10台盾构机有9台是国产。
海外玩家主要是德国海瑞克。另外还有日本的小松制作所、三菱重工、日立、石川岛播磨重工、川崎重工、奥村加拿大的罗法特美国的罗宾斯,德国还有一家维尔特
中国是怎么拿下海外市场的呢?不单单是成本低,还有技术实力。
2012年1月,成都地铁2号线、4号线开始建设,因为对国产盾构机不放心,左右线分别用国产盾构机、进口盾构机施工。结果中铁装备的盾构机不仅提前2月完工,而且各项数据更好。
随后,马来西亚尝试使用中国的盾构机,结果非常满意。
阳明号盾构机
2012年12月,中铁装备开始研究盾构机竖着掘进,这个在国外多次尝试后均以失败告终;到了2021年,我国的中铁599号已经能实现无人竖井盾构。
2013年,郑州中州大道隧道,国外同行直接放弃,声称这是不可能完成的任务。年底,中铁装备制造了一台矩形盾构机进行施工,邀请了很多国家的同行参观。
2014年,新加坡修地铁,选了“中铁号”矩形盾构机。
随后,越来越多的中国的盾构机拿到细分领域的头名。目前全球盾构机的专利数量,中国占了大半。
国际盾构机市场,中国的话语权只会越来越大。


2023-05-24
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