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深度报道丨国产盾构机的核心之困

作者:瑞威智造(北京)机械科技有限公司 浏览: 发表时间:2023-01-18 14:43:24

在盾构机还未实现国产化之前,外资品牌一统中国盾构机市场,使用国外盾构机不但价格昂贵,而且现场人员对出现的故障问题往往一筹莫展,因为许多故障只有外国厂家才能解决,这种尴尬的停摆不但耗时长且费用高,最主要的是,受制于人的局面往往严重制约中国隧道建设进程。关于国外盾构机在中国的服务,有这样一个无奈好笑而又痛心的故事:中铁装备在广州某工地的一台盾构机,控制系统出了问题,工作人员花了半个月的时间,问题依然没有解决。无奈之下,中方施工单位向盾构制造厂商在当地设立的服务机构寻求帮助,“他们只工作8小时,时间一到,立马走人。” 回忆起当时的情况,中铁装备设计研究院副院长蒲晓波记忆犹新,“到了8小时问题没有解决,我们诚恳地跟他商量说算加班,双倍算加班费来处理问题,但他说不行。”半个月的时间过去了,问题依然没有解决。而盾构机在工地上停工一天,不但意味着几十万元的直接经济损失,还潜藏着巨大的安全隐患。

由于设备是从德国厂商采购,维修技术掌握在制造厂商手里,面对设备出现的问题,中铁装备全集团的电气工程师抓狂叹气,而又束手无策,只能依靠外国厂商来解决。最终,德国总部派出专家,带着电脑来到现场,花了十五分钟,就轻松解决了困扰蒲晓波半个多月的问题。这短短15分钟,花了中铁装备20多万元。“老外给我们提供服务,按小时计费,并且是从出门就开始给你算的,一小时600到800欧元,从此之后我觉得中国人一定要有自己的盾构机。”这次事故带给蒲晓波的是教训,更是激励。但下定决心要生产出中国自己的盾构隧道掘进机的不止是蒲晓波一人。

突破封锁

从1952年美国罗宾斯公司开发出第一台实用性的硬岩隧道掘进机开始,国外的盾构隧道掘进机技术突飞猛进,制造厂家集中在日本、美国和欧洲国家,进口的土压平衡、泥水平衡盾构机占中国市场总量的100%。1996年以后,中国陆续引进了更多的隧道掘进机,但由于国外公司控制着核心技术和集成技术,国内的施工方只能高价买单。对此,中国科学界前辈钱伟长曾大声疾呼:“中国有着非常广大的隧道掘进机市场,但始终没有中国自己的隧道掘进机产业,我们要尽快结束这样尴尬的局面!”

2001年,科技部将盾构机关键技术研发列入“863”计划,由此拉开了设计制造属于中国自己的盾构机的序幕。在此背景下,有着近半个世纪隧道施工经验、与盾构一起“摸爬滚打”数十年的上海隧道主动挑起了国产盾构机制造的重任。2004年,中国首台自主知识产权的 “先行号” 盾构机诞生。通过零部件的全国配套和自行开发制造,“先行号”的国产化率达到了70%左右,而售价仅为进口盾构机的三分之二。继上海隧道之后,铁建重工自主研发的首台盾构机“开路先锋19号”成功下线,国产化率达到87%,创造了中国盾构机自主知识产权的最高纪录。

作为中国最大的工程机械制造商之一,位于北京南口的三一重工产业园的定位也是地下装备。盾构机作为地下装备中的技术集大成者,三一重工啃这块硬骨头,动力和意义何在?在回答这个问题时,三一重工盾构公司副总经理吕传田说道:“现在做地面装备几乎没有挑战性。”基于企业自身的综合实力和研发优势,三一重工进入盾构机产业。三一重工用两条腿走路,创新研发是主要方向,这让三一重工在很大程度上能掌握自主权,避免陷入过去中国企业受制于人的泥淖。同时三一重工也与国外盾构机企业合作,在吕传田看来,这种合作互利互惠,双方各取所需。由于市场环境所致,三一重工的 “借力发力”是选择市场策略时的主动之举,更是明智之举。“谁都不可能保证所有的产品都做得很好,尤其是盾构机这样的产品。我们的研发能力、制造加工能力没有问题,但有些客户仍会说你经验太少。”对此,吕传田也深感无奈。在与外资企业的合作中,三一重工“需”的就是这种产品认可度。 

相比于最早一批进入盾构机产业的中字头企业,如何在竞争激烈的市场中站稳脚跟是三一进入盾构产业机首先要想清楚的问题。产品质量一直是三一的优势所在。但盾构机不同于别的机械产品,研制生产盾构机需投入巨大的人力物力财力及技术支持。因此,根据市场需求和订单是三一做盾构的首选策略。中国盾构机市场上,土压平衡盾构机需求量最广。三一的重点突破方向就是土压平衡盾构技术。三一对于泥水平衡盾构机的研发也在紧锣密鼓地进行,其中不乏国家项目。2015年4月,三一重工中标泰国清迈引水工程,所用的硬岩掘进机已正式投产。

企业创新离不开与高校的合作。吕传田向记者透露,由北京科委牵头,三一与北京工业大学卢清国教授共同合作的关于盾构机的创新性研究项目已经进入收尾阶段。“下一步就是做样机,找工程进入市场。”

市场广阔助推工法提升

关于中国未来盾构机市场需求是否饱和的争论,有专家指出,由于“一带一路”的政策带动以及城市的地下管网改造将提上政府议程,地下施工设备未来市场空间将增大,盾构机将迎来大好发展时机。吕传田认为“至少还有十年到二十年的高峰期,每年的需求量,仅新机器就不少于一百台,甚至会超过一百五十台”。他以日本东京的地下开发为例,东京的地下开发已达90多米,北京最多才三四十米,“如果以30米为一层,0到30米是浅层,30到60米是中层,60米以上为深层,我们只做了浅层和中层的一部分,所以未来地下工程量潜力是很大的。”

巨大的地下工程量对中国盾构机来说无疑是一大利好。“量体裁衣”是盾构机技术的最大特点。每一项工程都会面对不同的土质、水文条件、周边环境等,几乎每一项工程都需要专门的机械设计和相配套的工法。关于盾构机的核心技术,有着15年地下施工经验的吕传田认为,“主要在其整合能力,针对多种地质来做设计,如何把一些技术揉合在一起,让整机的流程比较顺畅。” 

人有人的个性,机械设备也是如此。如果把盾构机当成一个有个性的人来看待,我们就能更好地理解盾构工法这个概念。盾构机没有标准配置,一台盾构机生产完成之后,其性能基本上就已确定。而工法的核心意义就在于,所用的零部件组合完成后,如何发挥整机的最大优势。因此需要在施工当中,摸清设备的性能。

2014年,北京地铁六号线施工现场,三一重工首台土压平衡盾构机准确贯穿隧道到达进洞。面对地下粘土层、沙层、卵石层、岩石层等多种地质情况,盾构机不可能经常停下来更换刀盘,因此需要人根据现场施工和设备运转情况,提前研究做好预判,实现盾构工作的效率最大化。“用何种参数或是工具,直接影响到盾构工作效率和施工进度。我们做工法就是为了更好地做设备。”在谈到盾构工法的重要性时,吕传田这样说道,“如果你摸清了这台设备的性能,那么这个参数便可以应用于任何地层,若摸不清楚,随时会出问题。”另外,地下隧道工程不同于地表施工,具有非线性的性质,不确定因素极多。面对未知的挑战,人的经验与能力往往起关键作用。对吕传田而言,这也是做盾构机、做地下施工的最大乐趣。

关键件和再制造是重点

盾构掘进机的设计制造为什么如此困难?这与其高技术含量、多学科交叉的复杂工艺有关。“盾构掘进机不只是一个机器,而是一个移动式掘进工厂。” 隧道股份上海隧道盾构研发基地总工程师顾建江说,盾构机制造涉及土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等十多个专业领域,需要不同背景的技术人员交叉作业配合。盾构机的核心技术在于关键零部件,然而,现实情况却不容乐观。吕传田的语调略显悲观地表示:“核心零部件的弱势可能是中国盾构机的一个通病,核心技术主要掌握在欧美国家手里,我们还要不断学习,增强创新研发能力。”盾构机上所用的如主驱动、阀、泵以及马达等关键零部件,制约国产盾构核心能力的提升。为此,本刊记者采访了中国洛轴和长江液压这两大盾构机关键件制造商。

洛轴作为中国最大的轴承制造商,与国内多家盾构机企业保持合作关系。正在上海伊犁路某工地上作业的上海隧道矩形盾构机表现良好,这款产品就应用了洛轴的主轴承。吕传田对中国轴承企业持乐观态度,他认为用五六年的时间,国产零部件将有一个大幅度的提升。“国产主轴承早晚会用起来,难度也不像想象的那么大。”长江液压销售公司总经理甘雨在谈到国产零部件时说:“我们主要是差在控制技术方面,像油缸都可以达到国外产品的水平。”国产零部件的提升关键要有整机企业的支持,有了企业的支持,敢于使用国产零部件,假以时日,国产零部件必有质的突破。愿望是美好的,但实施起来难度不小,需要国家层面消除阻力,整合整机企业与零部件企业的配套关系。

零部件制造商也表达了上述需求,洛轴销售部长赵瑞兰在接受采访时说:“第一关键的是国家要支持零部件国产化,现在中国对盾构机的需求量很大,这对零部件企业来说是最主要的发展动力。”洛轴用在盾构机上的轴承一年有200多套,对于目前的市场销售量,赵瑞兰深感无奈。“就算我们有能力有技术做好,但整机企业不相信你;我觉得国家的政策支持更重要。”

中国工程院院士、隧道及地下工程专家王梦恕一直在关注盾构机及核心零部件国产化问题,“必须规范施工方的崇洋媚外行为,部分重大建设项目在允许的情况下需要做出爱国表率作用,为国产化开好头。”同时他还指出了一条国产化发展方向, “对盾构机关键部件,例如变速器机构、液压系统、监控量测元件等需要分厂家重点攻关,建议有关方面先从小型掘进机械的国产化研发制造入手。”北京设备管理协会盾构机专业委员会秘书长阮霞也表达了类似的观点,盾构机设备是一个跨行业的组合,涉及到不同的零部件供应商。因此,不能要求盾构设备生产商做大而全的企业,“首先应该术业有专攻,鼓励这些零部件供应商发展各自的方向和优势,而盾构机的生产则是将这些不同的零部件资源进行整合的过程。”

除国家的政策支持外,市场规范化是另一个亟需解决的问题。洛轴是中国最早一批进入盾构机再制造领域的企业,2010年进入再制造领域,从拆装进口的盾购机开始,一步步走来,在该领域积累了丰富的经验。再制造不同于一般的修修补补,对技术及人力资源要求极高。洛轴在再制造领域组建优秀团队,集中优势力量,从设计、制造、检测、销售四个步骤展开。由于中国再制造市场缺乏必要的准入门槛与资质认证,导致再制造市场存在恶意竞争的行为。这主要表现为主轴承的再制造当成普通轴承的修复,前者是一项系统复杂的工程,需要强大的技术力量为后盾;而后者无太大技术含量,一般的制造分厂即可修复。由于种种原因,原本是两个领域、两种概念却常常被混淆。“好不容易做起来的再制造市场,被现在一窝蜂的局面搅乱了。”说起当前的盾构再制造市场,赵瑞兰大倒苦水。


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