盾构机再制造实践与分析

马龙飞

（中铁隧道局集团有限公司设备分公司，广东 广州 511458）

近年来国内城市轨道交通建设如火如荼，根据中国城市轨道交通协会2020 年1 月1 日发布的统计，2019 年中国内地新增城轨运营线路长度共计968.77km，创历史新高。盾构机作为轨道交通建设的主力军，至2019 年底市场保有量已超过2 500 台套，且仍以平均每年300 台套的速度增长。随着盾构机掘进里程及使用年限的增加，目前大批盾构机设备已开始迈入老龄化阶段。以使用最为普遍的∅6m 级盾构机为例，采购单价约4千万元，总重500t，一旦弃之不用或报废将造成极大的资源浪费。运用盾构机再制造技术，可在充分利用原有设备部件的情况下，使整机性能达到或超过原型新机的水平，从而节省可观的采购资金。

1 盾构机再制造政策背景

节约资源是我国的基本国策。2014 年，国家工信部下发了《关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》，鼓励开展盾构机、燃气轮机、专用生产装备等高附加值大型成套设备及关键零部件再制造；并在2015 年发布了《工业和信息化部办公厅关于进一步做好机电产品再制造试点示范工作的通知》，明确将盾构机列入第二批再制造试点项目。2015 年国务院发布的《中国制造2025》中强调：坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，把可持续发展作为建设制造强国重要着力点，走生态文明的发展道路。

2 盾构机再制造市场环境

随着盾构机老龄化阶段的来临，越来越多的企业意识到了盾构机再制造的重要性，并由之前的整修、大修逐步向更系统、技术含量更高的再制造迈进。中铁隧道局集团、中铁工程装备集团、秦皇岛天业通联重工股份有限公司等相继开展、扩大再制造产业规模，并获得工信部盾构机再制造相关资质。盾构机作为集光、电、机、液于一体的大型专用设备，其中涉及的部件更是涵盖各行各业，随着近年来再制造产业的深入发展，盾构机主轴承、减速机、液压件（泵、马达、油缸）、电气设备等配套再制造行业均有了长足的发展与进步。以洛阳LYC 轴承有限公司为代表的主轴承再制造企业，通过多年的主轴承再制造经验、技术积累，成功设计、制造了国内首台∅6m级以及首台∅11m 级盾构机主轴承，填补了国内空白。

3 盾构机再制造技术

3.1 整机机况评估技术

1)油液检测 采集液压油箱液压油、主驱动齿轮箱齿轮油、螺旋输送机驱动齿轮箱齿轮油、主驱动减速箱齿轮油等油液，对其油液粘度、水分、污染度、机械杂质、元素含量及磨粒状况进行检测，通过与标准值及极限值对比分析，判断设备润滑状态和磨损状态。

2)振动检测 对主驱动电机及减速机、主轴承、主驱动泵及电机、推进泵及电机等旋转部件，针对各设备在运转过程中的振动时域和频域波形图对设备的运转状态进行波形分析，判断设备运行状态。

3)整机性能检测 通过盾构机原始参数及各部件参数，结合盾构机施工工况，制定盾构机整机性能参数表，通过振动测试仪、温度测试仪、厚度测试仪、内窥镜、温湿度计、油品快速检测仪、秒表等仪器设备诊断各系统现状，内容包括整机动作评估（主机及后配套设备运行状态功能检验、辅助设备旋转振动测试、液压泵及主驱动的机械振动测试），所有油品进行检测等，从专业角度全面分析设备机况。

3.2 剩余寿命综合评估技术

通过盾构机整机机况评估技术，结合盾构机历史故障分析、判断、处理方法及处理效果，综合判断盾构机整机剩余寿命。例如主轴承作为盾构机的关键核心部件，某盾构机主轴承内齿圈出现裂纹后，分析原因为运行过程中应力集中造成的裂纹产生；使用氩弧焊接修复技术进行裂纹修复，通过运行过程中的机况评估，发现主轴承振动值较大，油液中铁元素逐渐升高等异常情况，通过内窥镜观测发现局部出现二次裂纹，并通过裂纹发展趋势综合判断主轴承剩余寿命，进而判断该盾构机整机剩余寿命不足。

3.3 再制造必要性综合评估技术

通过整机机况评估和关键核心部件和系统的剩余寿命评估，综合判断盾构机再制造的必要性，得出盾构机再制造必要性一般规律条件：日系全断面隧道掘进机掘进里程大于等于8km，其它系列全断面隧道掘进机掘进里程大于等于10km；依据全断面隧道掘进机性能检测结果，对比分析原型新机相关标准性能下降达到20%；全断面隧道掘进机使用项目业主或使用项目本身特殊需求。

3.4 再制造适用性技术

盾构机再制造并不是一味地恢复原机的各项性能，而需要因地制宜，通过前期的策划及设备适用性分析，充分考虑使用项目的地质情况及特殊需求，并利用现行的盾构机技术对原有落后的系统进行改造升级，使之脱胎于原机、性能却超过原型新机。

4 案例实践与分析

4.1 设备概况

某海瑞克盾构机自2008 年出厂，先后在广州、深圳、长沙完成多个标段，已累计掘进约11.5km，超出原10km 的设计里程。其间未进行过系统的整修，一直连续施工，分别进行了十多次组装、拆机、转场、平移调头，对设备影响较大，并且一直在广州、深圳和长沙等硬岩和软硬不均地层施工，其主轴承、主驱动减速机、液压系统和电气系统等元器件老化，使用过程中故障频发。

设备再制造后将在广州地区进行掘进施工，区间地质主要以强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩为主，最大抗压强度为35MPa。通过前期适用性评估，除需要恢复整机设备性能外，也提出了较多针对性系统升级要求。

4.2 功能改造与提升方案

1）刀盘系统 原刀盘大圆环磨损量超过一半，滚刀刀箱、切刀刀座磨损严重，且刀盘牛腿周边、小面板中心区域连接处出现大量裂纹，多达30 余处裂纹；经过专家会评审认为该刀盘修复价格高昂，且存在极大施工安全风险；另外该刀盘开口率设计为28%，未设计冲水系统，且边滚刀刀箱无法安装18 寸滚刀，不适用下标段的地质情况，故需重新设计刀盘。针对标段地质情况，新刀盘开口率增大至40%、增加刀盘冲洗系统、增设超挖刀系统、滚刀刀箱可同时满足安装17 寸、18寸滚刀功能，并设置有4处油压式磨损检测装置。

2）中心回转接头 原中心回转接头仅有4路水道（泡沫、膨润土共用）以及超挖刀预留液压通道，无法满足新制刀盘安装超挖刀、中心冲水、4 路泡沫、加注膨润土功能。重新设计后配置了6 路水道：满足4 路单管单泵泡沫、中心冲水以及加注膨润土功能，并安装液压小旋转接头及编码器。

3）铰接系统 根据前期盾构机适应性评估提出的要求，为避免尾盾在该标段地层中出现卡壳现象，铰接系统拉力需增大至10 000kN。原系统设计为14 根油缸总拉力7 340kN，每根油缸承载524.3kN（对应系统压力34.8MPa）。本次再制造将原有14 根∅160/80-150mm 规格油缸更换为∅180/80-150mm 油缸；当系统压力达到35MPa时，铰接拉力可达到10 000kN。

4）螺旋输送机系统 根据施工经验第一节筒壁往往磨损最为严重，甚至出现磨穿现象，本次再制造对其进行了加强。原螺旋机第一节筒壁原设计为内径∅920mm、材质Q345B、壁厚30mm；新制筒壁内径设计为∅940mm、材质Q345B、壁厚30mm，并在筒壁内部铺设间距为100mm 的（长×宽×厚）4 500mm×80mm×10mm 的耐磨板，增加第一节筒壁的使用寿命。

5）双梁吊机 原双梁吊机行走及起升设计为本地控制盒,操作不便，为提升施工操作的便捷性，本次再制造增加了无线控制功能。

6）泡沫系统改造 原泡沫系统为多管单泵形式，不利于预防渣土改良，且刀盘泡沫孔道易堵塞。本次再制造将泡沫系统改造升级为4 路单管单泵系统，同时对电气、PLC 系统进行相应的改造。

7）膨润土系统 原膨润土系统设计为1 台5.5kW、10m3/h 螺杆泵，故障率高且使用不便；将原系统中的膨润土泵拆除，新装1 台16m3/h和1 台8m3/h 的软管挤压泵，同时对电气、PLC系统进行相应的改造。

8）油脂系统 原EP2、HBW、盾尾油脂泵为老式IST 油脂泵，该品牌市场保有率低，因使用年限较长日常使用中故障率极高，部件缺损多且不易采购，全部更换为最新型的LINCOLN 品牌油脂泵。

9）工业水系统 原工业水系统设计中无增压泵，本次再制造在外循环水系统上增加1 台7.5kW 轻型增压水泵，提高隧道内用水、刀盘冲水的压力及便捷性。

10）皮带机系统 将驱动电机由原来的30kW 定频更换为37kW 变频电机，同时选择相匹配的驱动减速机更换；将原来的星三角启动方式改为变频启动并调速的方式；并在拖车上设置一个变频柜，可对带速进行调节。

4.3 系统恢复性方案

1）主驱动系统 因主轴承是盾构机核心部件，直接影响了掘进质量及盾构机使用寿命，针对以上问题委托专业轴承厂家制定再制造方案，并邀请行业专家进行方案评审，对方案提出了改进性建议。方案实施后轴承各项参数达到了预期目标。

主驱动外密封跑道有数道磨损，综合考虑新制与再制造成本对比，将对其进行常温冷态金属重熔技术及可控堆焊技术进行增材再制造；内密封磨损极为轻微简单处理后使用；更换所有的唇形密封、O 型密封。

2）液压件、减速机 液压阀组、泵、马达、油缸以及主驱动减速机、安装机减速机等部件因长期使用存在密封损坏、部件磨损等情况，整体性能下降，委托专业厂家进行再制造。再制造完成后对液压件进行压力、流量等检测；对减速机进行空载测试，检测震动、噪音、温升等参数。

3）螺旋机系统 更换或修补磨损的筒壁，将伸缩套及部件转动180°使用；使用加工的HADOX 钢板恢复叶片原尺寸；对驱动密封跑道磨痕道采用常温冷态金属重熔技术及可控堆焊技术进行再制造；更换仓门密封、铜板、尼龙条、O 型密封、主驱动密封、伸缩套密封等易损件。

4）管片安装系统 更换损坏的行走轮对、旋转链条、传感器、尼龙板等部件，并对变形结构进行校正；对管片运输车的变形、锈蚀的结构件进行校正或新制，更换损坏的行走轮并重新包胶；通电检测双梁吊机，更换损坏的部件。

5）皮带机系统 更换所有的皮带托辊、侧辊、两道刮泥板，导向轮重新包胶；更换紧急拉线开关，主、从动轮轴承；重新制作接渣斗。

6）注浆系统 更换损坏的注浆活塞筒以及全部活塞；更换所有进出料阀盘、密封、安装螺栓；更换砂浆罐搅拌轴两端轴承、密封、轴套等配件；对磨损的搅拌叶片进行修复；更换损坏的计数开关、计数显示器、压力传感器。

7）人仓及保压系统 人仓及保压系统部件几乎全部损坏或破损，委托具备检修压力容器资质的厂家进行再制造，将人仓及附属件进行检测，在充分利用原有配件的情况下进行再制造，并出具出厂检测合格证明。

8）刀盘及主驱动高强螺栓 刀盘螺栓由于经历了十多次的拆装，存在一定的疲劳损伤及磨损，全部进行更换；主轴承螺栓委托专业检测机构进行螺栓抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、屈服强度、常温冲击试验，检测合格后继续使用。

9）主机室 主机室内部隔音棉及防护网部分破损、锈蚀，对主机室进行重新装修，更换隔音棉、防护网及操控面板破损的按钮开关、数显表。

10）二次通风系统 原装二次风机均已损坏，购置1 台15kW 二次风机进行更换；更换变形的通风管道及储风筒。

11）电气系统 更换所有通讯、控制电缆，对动力电缆进行检测、清洗；对所有压力、形成传感器，流量计、电磁开关、压力开关进行模拟检测，更换损坏件；对所有电机进行绝缘检测并拆解，检查轴承情况并清洗润滑，清洗电机壳体部件；对变压器、高压开关柜、高压电缆等委托有相关资质厂家进行耐压试验。

12）盾体外形校正 盾体采用摄影测量系统进行检测，系统精度为1/40 000。前盾外形局部最大尺寸偏差量为8.266mm，中盾铰接环外形最大尺寸偏差量为7.398mm，变形量较小不做处理；尾盾铰接密封环及密封加强环处最大尺寸偏差量为17.741mm、30.998mm，需进行校正。

5 再制造效果

通过对该盾构机进行适用性的改造升级、系统恢复，经过组装及调试整机性能突出，达到了预期的再制造目标；并通过了专家组以及业主单位的验收。经测算本次再制造投入约1300 万元，盾构机原值5 930 万元，再制造成本为盾构机原值的21.92%，对环境负面影响最高为新机的4.5%，节约能源60%，节约材料70%，取得了良好的经济效益与环境效益。

6 盾构机再制造行业存在的问题

企业的再制造行为归根结底仍是一种商业行为，最终目的是盈利，这在一定程度上限制了新技术、新工艺的开发与实践。再制造承揽方更习惯于以往的成熟技术或经验，限于工期要求、资源投入等原因，只要能够满足现场施工的需求，研发新的技术、新工艺的主动性不高。

盾构机再制造产业目前已逐步走向正规，多家企业已陆续获取了各型号盾构机再制造资质；但配套产业发展仍不成熟，虽然不少企业参与到了盾构机的再制造工作中，但鲜有单位获得相应的再制造资质，如减速机、液压油缸等重要部件。

再制造过程中盾构机部件再制造修复技术运用较少，更多的是“换件”。再制造修复技术在主轴承、主驱动环件、液压油缸等方面运用较为成功，但在其它领域如减速机、液压件、传感器等则较少有相关的技术运用，致使再制造中配件、设备采购费用始终居高不下。