盾構機再制造實踐與分析

馬龍飛

（中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，廣東 廣州 511458）

近年來國內城市軌道交通建設如火如荼，根據中國城市軌道交通協會2020 年1 月1 日發布的統計，2019 年中國內地新增城軌運營線路長度共計968.77km，創歷史新高。盾構機作為軌道交通建設的主力軍，至2019 年底市場保有量已超過2 500 臺套，且仍以平均每年300 臺套的速度增長。隨著盾構機掘進里程及使用年限的增加，目前大批盾構機設備已開始邁入老齡化階段。以使用最為普遍的?6m 級盾構機為例，采購單價約4千萬元，總重500t，一旦棄之不用或報廢將造成極大的資源浪費。運用盾構機再制造技術，可在充分利用原有設備部件的情況下，使整機性能達到或超過原型新機的水平，從而節省可觀的采購資金。

1 盾構機再制造政策背景

節約資源是我國的基本國策。2014 年，國家工信部下發了《關于進一步做好機電產品再制造試點示范工作的通知》，鼓勵開展盾構機、燃氣輪機、專用生產裝備等高附加值大型成套設備及關鍵零部件再制造；并在2015 年發布了《工業和信息化部辦公廳關于進一步做好機電產品再制造試點示范工作的通知》，明確將盾構機列入第二批再制造試點項目。2015 年國務院發布的《中國制造2025》中強調：堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針，把可持續發展作為建設制造強國重要著力點，走生態文明的發展道路。

2 盾構機再制造市場環境

隨著盾構機老齡化階段的來臨，越來越多的企業意識到了盾構機再制造的重要性，并由之前的整修、大修逐步向更系統、技術含量更高的再制造邁進。中鐵隧道局集團、中鐵工程裝備集團、秦皇島天業通聯重工股份有限公司等相繼開展、擴大再制造產業規模，并獲得工信部盾構機再制造相關資質。盾構機作為集光、電、機、液于一體的大型專用設備，其中涉及的部件更是涵蓋各行各業，隨著近年來再制造產業的深入發展，盾構機主軸承、減速機、液壓件（泵、馬達、油缸）、電氣設備等配套再制造行業均有了長足的發展與進步。以洛陽LYC 軸承有限公司為代表的主軸承再制造企業，通過多年的主軸承再制造經驗、技術積累，成功設計、制造了國內首臺?6m級以及首臺?11m 級盾構機主軸承，填補了國內空白。

3 盾構機再制造技術

3.1 整機機況評估技術

1)油液檢測 采集液壓油箱液壓油、主驅動齒輪箱齒輪油、螺旋輸送機驅動齒輪箱齒輪油、主驅動減速箱齒輪油等油液，對其油液粘度、水分、污染度、機械雜質、元素含量及磨粒狀況進行檢測，通過與標準值及極限值對比分析，判斷設備潤滑狀態和磨損狀態。

2)振動檢測 對主驅動電機及減速機、主軸承、主驅動泵及電機、推進泵及電機等旋轉部件，針對各設備在運轉過程中的振動時域和頻域波形圖對設備的運轉狀態進行波形分析，判斷設備運行狀態。

3)整機性能檢測 通過盾構機原始參數及各部件參數，結合盾構機施工工況，制定盾構機整機性能參數表，通過振動測試儀、溫度測試儀、厚度測試儀、內窺鏡、溫濕度計、油品快速檢測儀、秒表等儀器設備診斷各系統現狀，內容包括整機動作評估（主機及后配套設備運行狀態功能檢驗、輔助設備旋轉振動測試、液壓泵及主驅動的機械振動測試），所有油品進行檢測等，從專業角度全面分析設備機況。

3.2 剩余壽命綜合評估技術

通過盾構機整機機況評估技術，結合盾構機歷史故障分析、判斷、處理方法及處理效果，綜合判斷盾構機整機剩余壽命。例如主軸承作為盾構機的關鍵核心部件，某盾構機主軸承內齒圈出現裂紋后，分析原因為運行過程中應力集中造成的裂紋產生；使用氬弧焊接修復技術進行裂紋修復，通過運行過程中的機況評估，發現主軸承振動值較大，油液中鐵元素逐漸升高等異常情況，通過內窺鏡觀測發現局部出現二次裂紋，并通過裂紋發展趨勢綜合判斷主軸承剩余壽命，進而判斷該盾構機整機剩余壽命不足。

3.3 再制造必要性綜合評估技術

通過整機機況評估和關鍵核心部件和系統的剩余壽命評估，綜合判斷盾構機再制造的必要性，得出盾構機再制造必要性一般規律條件：日系全斷面隧道掘進機掘進里程大于等于8km，其它系列全斷面隧道掘進機掘進里程大于等于10km；依據全斷面隧道掘進機性能檢測結果，對比分析原型新機相關標準性能下降達到20%；全斷面隧道掘進機使用項目業主或使用項目本身特殊需求。

3.4 再制造適用性技術

盾構機再制造并不是一味地恢復原機的各項性能，而需要因地制宜，通過前期的策劃及設備適用性分析，充分考慮使用項目的地質情況及特殊需求，并利用現行的盾構機技術對原有落后的系統進行改造升級，使之脫胎于原機、性能卻超過原型新機。

4 案例實踐與分析

4.1 設備概況

某海瑞克盾構機自2008 年出廠，先后在廣州、深圳、長沙完成多個標段，已累計掘進約11.5km，超出原10km 的設計里程。其間未進行過系統的整修，一直連續施工，分別進行了十多次組裝、拆機、轉場、平移調頭，對設備影響較大，并且一直在廣州、深圳和長沙等硬巖和軟硬不均地層施工，其主軸承、主驅動減速機、液壓系統和電氣系統等元器件老化，使用過程中故障頻發。

設備再制造后將在廣州地區進行掘進施工，區間地質主要以強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化泥質粉砂巖為主，最大抗壓強度為35MPa。通過前期適用性評估，除需要恢復整機設備性能外，也提出了較多針對性系統升級要求。

4.2 功能改造與提升方案

1）刀盤系統 原刀盤大圓環磨損量超過一半，滾刀刀箱、切刀刀座磨損嚴重，且刀盤牛腿周邊、小面板中心區域連接處出現大量裂紋，多達30 余處裂紋；經過專家會評審認為該刀盤修復價格高昂，且存在極大施工安全風險；另外該刀盤開口率設計為28%，未設計沖水系統，且邊滾刀刀箱無法安裝18 寸滾刀，不適用下標段的地質情況，故需重新設計刀盤。針對標段地質情況，新刀盤開口率增大至40%、增加刀盤沖洗系統、增設超挖刀系統、滾刀刀箱可同時滿足安裝17 寸、18寸滾刀功能，并設置有4處油壓式磨損檢測裝置。

2）中心回轉接頭 原中心回轉接頭僅有4路水道（泡沫、膨潤土共用）以及超挖刀預留液壓通道，無法滿足新制刀盤安裝超挖刀、中心沖水、4 路泡沫、加注膨潤土功能。重新設計后配置了6 路水道：滿足4 路單管單泵泡沫、中心沖水以及加注膨潤土功能，并安裝液壓小旋轉接頭及編碼器。

3）鉸接系統 根據前期盾構機適應性評估提出的要求，為避免尾盾在該標段地層中出現卡殼現象，鉸接系統拉力需增大至10 000kN。原系統設計為14 根油缸總拉力7 340kN，每根油缸承載524.3kN（對應系統壓力34.8MPa）。本次再制造將原有14 根?160/80-150mm 規格油缸更換為?180/80-150mm 油缸；當系統壓力達到35MPa時，鉸接拉力可達到10 000kN。

4）螺旋輸送機系統 根據施工經驗第一節筒壁往往磨損最為嚴重，甚至出現磨穿現象，本次再制造對其進行了加強。原螺旋機第一節筒壁原設計為內徑?920mm、材質Q345B、壁厚30mm；新制筒壁內徑設計為?940mm、材質Q345B、壁厚30mm，并在筒壁內部鋪設間距為100mm 的（長×寬×厚）4 500mm×80mm×10mm 的耐磨板，增加第一節筒壁的使用壽命。

5）雙梁吊機 原雙梁吊機行走及起升設計為本地控制盒,操作不便，為提升施工操作的便捷性，本次再制造增加了無線控制功能。

6）泡沫系統改造 原泡沫系統為多管單泵形式，不利于預防渣土改良，且刀盤泡沫孔道易堵塞。本次再制造將泡沫系統改造升級為4 路單管單泵系統，同時對電氣、PLC 系統進行相應的改造。

7）膨潤土系統 原膨潤土系統設計為1 臺5.5kW、10m3/h 螺桿泵，故障率高且使用不便；將原系統中的膨潤土泵拆除，新裝1 臺16m3/h和1 臺8m3/h 的軟管擠壓泵，同時對電氣、PLC系統進行相應的改造。

8）油脂系統 原EP2、HBW、盾尾油脂泵為老式IST 油脂泵，該品牌市場保有率低，因使用年限較長日常使用中故障率極高，部件缺損多且不易采購，全部更換為最新型的LINCOLN 品牌油脂泵。

9）工業水系統 原工業水系統設計中無增壓泵，本次再制造在外循環水系統上增加1 臺7.5kW 輕型增壓水泵，提高隧道內用水、刀盤沖水的壓力及便捷性。

10）皮帶機系統 將驅動電機由原來的30kW 定頻更換為37kW 變頻電機，同時選擇相匹配的驅動減速機更換；將原來的星三角啟動方式改為變頻啟動并調速的方式；并在拖車上設置一個變頻柜，可對帶速進行調節。

4.3 系統恢復性方案

1）主驅動系統 因主軸承是盾構機核心部件，直接影響了掘進質量及盾構機使用壽命，針對以上問題委托專業軸承廠家制定再制造方案，并邀請行業專家進行方案評審，對方案提出了改進性建議。方案實施后軸承各項參數達到了預期目標。

主驅動外密封跑道有數道磨損，綜合考慮新制與再制造成本對比，將對其進行常溫冷態金屬重熔技術及可控堆焊技術進行增材再制造；內密封磨損極為輕微簡單處理后使用；更換所有的唇形密封、O 型密封。

2）液壓件、減速機 液壓閥組、泵、馬達、油缸以及主驅動減速機、安裝機減速機等部件因長期使用存在密封損壞、部件磨損等情況，整體性能下降，委托專業廠家進行再制造。再制造完成后對液壓件進行壓力、流量等檢測；對減速機進行空載測試，檢測震動、噪音、溫升等參數。

3）螺旋機系統 更換或修補磨損的筒壁，將伸縮套及部件轉動180°使用；使用加工的HADOX 鋼板恢復葉片原尺寸；對驅動密封跑道磨痕道采用常溫冷態金屬重熔技術及可控堆焊技術進行再制造；更換倉門密封、銅板、尼龍條、O 型密封、主驅動密封、伸縮套密封等易損件。

4）管片安裝系統 更換損壞的行走輪對、旋轉鏈條、傳感器、尼龍板等部件，并對變形結構進行校正；對管片運輸車的變形、銹蝕的結構件進行校正或新制，更換損壞的行走輪并重新包膠；通電檢測雙梁吊機，更換損壞的部件。

5）皮帶機系統 更換所有的皮帶托輥、側輥、兩道刮泥板，導向輪重新包膠；更換緊急拉線開關，主、從動輪軸承；重新制作接渣斗。

6）注漿系統 更換損壞的注漿活塞筒以及全部活塞；更換所有進出料閥盤、密封、安裝螺栓；更換砂漿罐攪拌軸兩端軸承、密封、軸套等配件；對磨損的攪拌葉片進行修復；更換損壞的計數開關、計數顯示器、壓力傳感器。

7）人倉及保壓系統 人倉及保壓系統部件幾乎全部損壞或破損，委托具備檢修壓力容器資質的廠家進行再制造，將人倉及附屬件進行檢測，在充分利用原有配件的情況下進行再制造，并出具出廠檢測合格證明。

8）刀盤及主驅動高強螺栓 刀盤螺栓由于經歷了十多次的拆裝，存在一定的疲勞損傷及磨損，全部進行更換；主軸承螺栓委托專業檢測機構進行螺栓抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率、屈服強度、常溫沖擊試驗，檢測合格后繼續使用。

9）主機室 主機室內部隔音棉及防護網部分破損、銹蝕，對主機室進行重新裝修，更換隔音棉、防護網及操控面板破損的按鈕開關、數顯表。

10）二次通風系統 原裝二次風機均已損壞，購置1 臺15kW 二次風機進行更換；更換變形的通風管道及儲風筒。

11）電氣系統 更換所有通訊、控制電纜，對動力電纜進行檢測、清洗；對所有壓力、形成傳感器，流量計、電磁開關、壓力開關進行模擬檢測，更換損壞件；對所有電機進行絕緣檢測并拆解，檢查軸承情況并清洗潤滑，清洗電機殼體部件；對變壓器、高壓開關柜、高壓電纜等委托有相關資質廠家進行耐壓試驗。

12）盾體外形校正 盾體采用攝影測量系統進行檢測，系統精度為1/40 000。前盾外形局部最大尺寸偏差量為8.266mm，中盾鉸接環外形最大尺寸偏差量為7.398mm，變形量較小不做處理；尾盾鉸接密封環及密封加強環處最大尺寸偏差量為17.741mm、30.998mm，需進行校正。

5 再制造效果

通過對該盾構機進行適用性的改造升級、系統恢復，經過組裝及調試整機性能突出，達到了預期的再制造目標；并通過了專家組以及業主單位的驗收。經測算本次再制造投入約1300 萬元，盾構機原值5 930 萬元，再制造成本為盾構機原值的21.92%，對環境負面影響最高為新機的4.5%，節約能源60%，節約材料70%，取得了良好的經濟效益與環境效益。

6 盾構機再制造行業存在的問題

企業的再制造行為歸根結底仍是一種商業行為，最終目的是盈利，這在一定程度上限制了新技術、新工藝的開發與實踐。再制造承攬方更習慣于以往的成熟技術或經驗，限于工期要求、資源投入等原因，只要能夠滿足現場施工的需求，研發新的技術、新工藝的主動性不高。

盾構機再制造產業目前已逐步走向正規，多家企業已陸續獲取了各型號盾構機再制造資質；但配套產業發展仍不成熟，雖然不少企業參與到了盾構機的再制造工作中，但鮮有單位獲得相應的再制造資質，如減速機、液壓油缸等重要部件。

再制造過程中盾構機部件再制造修復技術運用較少，更多的是“換件”。再制造修復技術在主軸承、主驅動環件、液壓油缸等方面運用較為成功，但在其它領域如減速機、液壓件、傳感器等則較少有相關的技術運用，致使再制造中配件、設備采購費用始終居高不下。