身邊的奮斗者 | 攻占新市場新領(lǐng)域，他們讓豎井掘進機實現(xiàn)“倒立出渣”

拓展“五新業(yè)務(wù)”，科技創(chuàng)新是重要驅(qū)動力。作為新市場新領(lǐng)域的沉井式豎井工程，所用掘進機的泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)，從出渣方向到泵閥管選型，都需要打破常規(guī)的設(shè)計思路與方法。

本期《身邊的奮斗者》，走進液壓研究設(shè)計院豎井掘進機流體技術(shù)攻關(guān)小組，聊聊他們的創(chuàng)新故事，探訪如何以技術(shù)創(chuàng)新攻占新市場新領(lǐng)域，實現(xiàn)豎井掘進機的“倒立出渣”。

春雨濛濛，滋潤著大地。落著淅瀝小雨的鐵建重工長沙第二產(chǎn)業(yè)園，車間里工人趕著裝配，研發(fā)樓技術(shù)員忙著畫圖。

人勤春更盛，訂單接踵來。

在液壓研究設(shè)計院，技術(shù)員林勁測算著手頭的新產(chǎn)品。他在給一臺豎井掘進機設(shè)計泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)，最大開挖直徑23米，最大挖掘深度60米，出渣效率40立方米/時，根據(jù)工程實際需求和應(yīng)用場景，林勁熟練地運用一套復(fù)雜的公式，不斷代入工程地層含水率、最大水土壓力、最大掘進速度等數(shù)據(jù)，計算設(shè)備泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)性能匹配參數(shù)。

技術(shù)員設(shè)計環(huán)流系統(tǒng)

設(shè)計流量600立方米/時，管內(nèi)流速4米/秒，一會兒，林勁陸續(xù)計算得出泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)所需參數(shù)。接下來，就是做泵、管徑等關(guān)鍵部件的選型工作。

“現(xiàn)在做設(shè)計，非常得心應(yīng)手了?！绷謩拍昙o輕輕，已參與設(shè)計了5臺沉井式豎井掘進機，成功應(yīng)用在多個豎井工程。這樣的應(yīng)用業(yè)績，已經(jīng)讓鐵建重工遠超同行企業(yè)，處在業(yè)界領(lǐng)先水平。

然而，從精通泥水平衡盾構(gòu)機，到成為豎井掘進機的行家里手，泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)很費周折。

“首先是出渣方向的變化，環(huán)流系統(tǒng)從水平到豎直，泵往下潛30-60米不等?！薄捌浯问潜?、閥門全部淹在泥漿里，還要攪動，對電機防水、機械密封、隨動補償、防震、耐磨沖性能、渣土通過性等等，提出了極高的要求?！必Q井掘進機流體技術(shù)攻關(guān)小組負責人、基礎(chǔ)技術(shù)研究所副所長劉樂博士說起技術(shù)卡點，了然于心。

為了快速搶占新市場新領(lǐng)域，液壓研究設(shè)計院成立了豎井掘進機流體技術(shù)攻關(guān)小組，從掘進機流體研究所和基礎(chǔ)技術(shù)研究所選出精兵強將，專攻這項技術(shù)難題。

出渣系統(tǒng)是掘進機?開挖作業(yè)的重要功能組成部分。沉井式豎井掘進機泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)由渣漿泵、泥漿閥、管路、流量計等組成，兩相混合、懸浮流速、攜渣能力等參數(shù)設(shè)計，每一項都考驗設(shè)計經(jīng)驗與能力。

全球最大直徑豎井掘進機“夢想號”下井

從橫向隧道設(shè)備水平出渣，到實現(xiàn)沉井設(shè)備“倒立出渣”，改變了以往的設(shè)計思路和方法。由于渣漿泵長時間潛在泥漿里，作業(yè)環(huán)境惡劣，攻關(guān)小組針對渣漿泵機械密封、內(nèi)外壓差等，逐項展開技術(shù)攻堅。

項目起步之初，攻關(guān)小組通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)配套廠商有過深海采礦用潛水渣漿泵的生產(chǎn)業(yè)績。但海水相對清澈，遠無法適應(yīng)沉井項目面臨的高濃度大顆粒泥漿環(huán)境。

因此，攻關(guān)小組聯(lián)系了國外配套廠商?！俺鲇诩夹g(shù)考慮，外方還擺出了一副不想賣的姿態(tài)，并且貨期長達1年，價格昂貴。”劉樂認為，這不是長久之計，必須聯(lián)合國內(nèi)配套廠商攻下這個難點。

受限于國內(nèi)配套廠商既有裝配方式，潛水渣漿泵一開始采用單道機械密封。攻關(guān)小組拿到工廠試驗，便遇到了泥漿泄露、電機短路等問題。

綜合國外產(chǎn)品對比分析，攻關(guān)小組提出采用雙道機械密封方案?！半p道機械密封可以形成一個密封腔，隔絕泥沙，再往腔內(nèi)注入補償油，提供一定的平衡壓力，實時補償密封腔內(nèi)外壓差?！眲氛f。

想法很好，實現(xiàn)起來困難不小。國內(nèi)配套廠商沒有做過類似產(chǎn)品，攻關(guān)小組耐心開展技術(shù)聯(lián)絡(luò)。光雙道機械密封這一道工序的監(jiān)造蹲點，小組成員就陸續(xù)去了七八趟。事貴堅持，在攻關(guān)小組的不懈努力下，采用雙道機械密封的國產(chǎn)潛水渣漿泵試制成功。

潛水渣漿泵試驗臺

“國產(chǎn)泵的成功研制，不僅帶動了配套廠商設(shè)計經(jīng)驗積累和制造工藝升級，價格還不到國外同類產(chǎn)品的三分之一。”劉樂欣慰地說。

機械密封的技術(shù)解決了，隨之而來的便是隨動補償?shù)膯栴}。

“隨著沉井深度不斷變化，渣漿泵外部承壓隨之增大，最深處達到了6個巴?！眲贩治龇Q，如果內(nèi)外壓差失衡，會出現(xiàn)泥漿泄露問題。

為此，攻關(guān)小組首先考慮液壓油循環(huán)補償裝置。“補償油的循環(huán)能帶走密封腔熱量，但由于密封腔、管路容量小，液壓方案需接入地面泵站，調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓點之間距離遠，導(dǎo)致密封腔內(nèi)壓力波動，難以精確調(diào)節(jié)。”掘進機流體研究所所長方小龍分析得出，這種方式優(yōu)劣勢并存，不適合工程應(yīng)用。

攻關(guān)小組研討技術(shù)方案

為此，劉樂、方小龍組織攻關(guān)小組集中研討，各抒己見，匯總“金點子”，決定嘗試氣壓補償方式。“氣體像彈簧一樣，可以緩沖各種沖擊和干擾，通過氣壓間接調(diào)節(jié)油的壓力，控制穩(wěn)定，壓力波動小?！眲酚X得，這個方式可行，并付諸試驗。

氣壓補償方式，難點在于隨著開挖深度變化，氣壓補償?shù)蕉嗌?？一方面，氣壓不能太小，太小起不到補償作用；另一方面，氣壓也不能太大，太大油消耗量大。

為了找到這個最優(yōu)值，攻關(guān)小組堅守沉井泥漿環(huán)流試驗臺，設(shè)置不同的平衡壓差，實時觀察記錄補償罐油位刻度、壓力情況。功夫不負，團隊成功摸索出一個合適的平衡壓差，將密封腔平衡壓力的波動控制在0.1巴以內(nèi)。

技術(shù)突破，產(chǎn)品出新，攻關(guān)小組成功研制出沉井泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)，應(yīng)用于“未來號”“夢想號”等國內(nèi)首臺套沉井掘進機項目。

“夢想號”開挖作業(yè)

當攻關(guān)小組想著可以松口氣的時候，卻從施工現(xiàn)場得到消息，設(shè)備在早期的應(yīng)用中，出現(xiàn)了渣土倉堵倉的問題。

渣土倉是泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)的起點，渣土和水在倉內(nèi)混合成泥漿，再通過泵從管道排出。豎井掘進機渣土倉呈倒三角狀，泥漿出口在上方，需要把底部渣土揚起來，送至泵吸口，才能順利排出。

通過現(xiàn)場開倉檢查，發(fā)現(xiàn)渣土沉積在底部?！芭袛嗍菦_刷角度、沖刷口數(shù)量和沖刷位置有問題，導(dǎo)致倉內(nèi)渣土不能有效流動，存在循環(huán)死區(qū)，嚴重降低了泥漿攜渣效率?！眲访碱^緊鎖，下決心改進沖刷裝置。

現(xiàn)有的設(shè)計，沖刷管路數(shù)量只有1路，位置在渣倉頂部，離吸口較遠。攻關(guān)小組首先開展仿真設(shè)計，試圖優(yōu)化沖刷角度和沖刷位置，調(diào)整沖刷流量，來改善倉內(nèi)的流動情況。

擔當仿真設(shè)計的技術(shù)員寧堅，在模擬軟件中建立了一個兩相耦合流動模型，通過模型建立，找到現(xiàn)有設(shè)計缺陷，并不斷尋找最優(yōu)方案。

“嘗試了20多組沖刷方案，一次次對比分析、迭代提升，誓要找到最優(yōu)的沖刷角度、位置和流量分配?！睂巿院臅r一個月，完成了仿真設(shè)計。

踏出了第一步，信心也更足了。根據(jù)仿真試驗方案，攻關(guān)小組在廠內(nèi)開展試驗驗證。劉樂、林勁，方小龍、朱穩(wěn)初，兩人一組，輪流值班。

攻關(guān)小組成員檢查設(shè)備

試驗是在冬季，沉井泥漿環(huán)流試驗臺又是露天裝置?！氨憋L呼呼地刮在臉上，格外的冷?！奔夹g(shù)員朱穩(wěn)初記憶猶新，試驗時不能完全待在主控室里，要定時進行設(shè)備巡查，上到裝置查看泥漿循環(huán)系統(tǒng)運行情況。

攻關(guān)小組耗時兩周，先是驗證測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的參數(shù)，驗證仿真數(shù)據(jù)的準確度；而后根據(jù)仿真方案，進行工程實驗，論證方案的有效性。

試驗期間，鞋子粘滿泥，衣服打濕水，是常有的事。但朱穩(wěn)初覺得，所有的付出都值得，新的沖刷方案在工程應(yīng)用后，不僅沒有堵倉了，還使設(shè)備的綜合掘進效率提升了60%。針對這項技術(shù)創(chuàng)新，攻關(guān)小組布局了10余項專利。

在創(chuàng)新中不斷前行，時下，攻關(guān)小組聚焦埋深100米以上高壓、大埋深復(fù)合地層豎井工程，開展高壓泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)技術(shù)攻堅，助力鐵建重工戰(zhàn)新產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。“針對千米級豎井的出渣技術(shù)，我們也在做技術(shù)儲備?！眲氛f，團隊越創(chuàng)越勇、信心滿懷。

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2025

供稿、編輯：黨委工作部

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