竖井掘进机实现“倒立出渣”

    本报记者  胡  清

    细雨蒙蒙，滋润着大地。落着淅沥小雨的铁建重工长沙第二产业园，车间里工人赶着装配，研发楼技术员忙着画图。

    在液压研究设计院，技术员林劲测算着手头的新产品。他在给一台竖井掘进机设计泥浆环流出渣系统，通过不断代入工程地层含水率、最大水土压力等数据，计算设备泥浆环流出渣系统性能匹配参数。

    “现在做设计，非常得心应手了。”林劲年纪轻轻，已参与设计了5台沉井式竖井掘进机，成功应用在多个竖井工程。这样的应用业绩，已经让铁建重工远超同行企业，处在业界领先水平。

    然而，从精通泥水平衡盾构机，到成为竖井掘进机的行家里手，泥浆环流出渣系统的技术攻关很费周折。

    “首先是出渣方向的变化，环流系统从水平到竖直，泵往下潜30-60米不等。”“其次是泵、阀门全部淹在泥浆里，还要搅动，对电机防水、机械密封、随动补偿等等，提出了极高的要求。”竖井掘进机流体技术攻关小组负责人、基础技术研究所副所长刘乐博士说起技术卡点，了然于心。

    为了快速抢占新市场新领域，铁建重工成立了竖井掘进机流体技术攻关小组，从掘进机流体研究所和基础技术研究所选出精兵强将，专攻这项技术难题。

    出渣系统是掘进机‌开挖作业的重要功能组成部分。从横向隧道设备水平出渣，到实现沉井设备“倒立出渣”，改变了以往的设计思路和方法，攻关小组针对渣浆泵机械密封、内外压差等，逐项展开技术攻坚。

    项目起步之初，受限于国内配套厂商既有装配方式，潜水渣浆泵一开始采用单道机械密封。攻关小组拿到工厂试验，便遇到了泥浆泄漏、电机短路等问题。

    综合国外产品对比分析，攻关小组提出采用双道机械密封方案。“双道机械密封可以形成一个密封腔，隔绝泥沙，再往腔内注入补偿油，提供一定的平衡压力，实时补偿密封腔内外压差。”刘乐说。

    想法很好，实现起来困难不小。国内配套厂商没有做过类似产品，攻关小组耐心开展技术联络。光双道机械密封这一道工序的监造蹲点，小组成员就陆续去了七八趟。事贵坚持，在攻关小组的不懈努力下，采用双道机械密封的国产潜水渣浆泵试制成功。

    “国产泵的成功研制，不仅带动了配套厂商设计经验积累和制造工艺升级，价格还不到国外同类产品的三分之一。”刘乐欣慰地说。

    机械密封的技术解决了，随之而来的便是随动补偿的问题。

    “随着沉井深度不断变化，渣浆泵外部承压随之增大，最深处达到了6个巴。”刘乐分析称，如果内外压差失衡，会出现泥浆泄漏问题。

    为此，攻关小组首先考虑液压油循环补偿装置。但由于密封腔、管路容量小，液压方案需接入地面泵站，调节阀、调压点之间距离远，导致密封腔内压力波动，难以精确调节。掘进机流体研究所所长方小龙分析得出，这种方式不适合工程应用。

    为此，攻关小组集中研讨，各抒己见，汇总“金点子”，决定尝试气压补偿方式。“气体像弹簧一样，可以缓冲各种冲击和干扰。”刘乐觉得，这个方式可行，并付诸试验。

    气压补偿方式，难点在于随着开挖深度变化，气压补偿到多少？

    为了找到这个最优值，攻关小组坚守沉井泥浆环流试验台，设置不同的平衡压差，实时观察记录补偿罐油位刻度、压力情况。功夫不负有心人，团队成功摸索出一个合适的平衡压差，将密封腔平衡压力的波动控制在0.1巴以内。

    技术突破，产品出新，铁建重工成功研制出沉井泥浆环流出渣系统，应用于“未来号”“梦想号”等国内首台（套）沉井掘进机项目。

    当攻关小组想着可以松口气的时候，却从施工现场得到消息，设备在早期的应用中，出现了渣土仓堵仓的问题。渣土仓是泥浆环流出渣系统的起点，渣土和水在仓内混合成泥浆，再通过泵从管道排出。

    通过现场开仓检查，发现渣土沉积在底部。“判断是冲刷角度、冲刷口数量和冲刷位置有问题。”刘乐眉头紧锁，下决心改进冲刷装置。

    现有的设计，冲刷管路数量只有1路，位置在渣仓顶部，离吸口较远。攻关小组首先开展仿真设计，试图优化冲刷角度和冲刷位置，调整冲刷流量，来改善仓内的流动情况。

    担当仿真设计的技术员宁坚，在模拟软件中建立了一个两相耦合流动模型，通过模型建立，找到现有设计缺陷，并不断寻找最优方案。

    “尝试了20多组冲刷方案，一次次对比分析、迭代提升，誓要找到最优的冲刷角度、位置和流量分配。”宁坚耗时一个月，完成了仿真设计。

    踏出了第一步，信心也更足了。根据仿真试验方案，攻关小组在厂内开展试验验证。攻关小组耗时两周，先是验证测试数据与仿真数据的参数，验证仿真数据的准确度；而后根据仿真方案，进行工程实验，论证方案的有效性。

    新的冲刷方案在工程应用后，不仅没有堵仓了，还使设备的综合掘进效率提升了60%。针对这项技术创新，铁建重工布局了10余项专利。

    时下，铁建重工聚焦埋深100米以上高压、大埋深复合地层竖井工程，开展高压泥浆环流出渣系统技术攻坚，助力战新产业高质量发展。“针对千米级竖井的出渣技术，我们也在做技术储备。”刘乐说，企业转型，技术先行，要下大力气开发新技术，不断攻占新市场新领域。