拓展“五新業(yè)務(wù)”，科技創(chuàng)新是重要驅(qū)動(dòng)力。作為新市場(chǎng)新領(lǐng)域的沉井式豎井工程，所用掘進(jìn)機(jī)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(jì)思路與方法。

本期《身邊的奮斗者》，走進(jìn)液壓研究設(shè)計(jì)院豎井掘進(jìn)機(jī)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(chǎng)新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)豎井掘進(jìn)機(jī)的“倒立出渣”。

春雨濛濛，滋潤(rùn)著大地。落著淅瀝小雨的鐵建重工長(zhǎng)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(lái)。

在液壓研究設(shè)計(jì)院，技術(shù)員林勁測(cè)算著手頭的新產(chǎn)品。他在給一臺(tái)豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)，最大開(kāi)挖直徑23米，最大挖掘深度60米，出渣效率40立方米/時(shí)，根據(jù)工程實(shí)際需求和應(yīng)用場(chǎng)景，林勁熟練地運(yùn)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(jìn)速度等數(shù)據(jù)，計(jì)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(jì)環(huán)流系統(tǒng)

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

“現(xiàn)在做設(shè)計(jì)，非常得心應(yīng)手了?！绷謩拍昙o(jì)輕輕，已參與設(shè)計(jì)了5臺(tái)沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)，成功應(yīng)用在多個(gè)豎井工程。這樣的應(yīng)用業(yè)績(jī)，已經(jīng)讓鐵建重工遠(yuǎn)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(jī)，到成為豎井掘進(jìn)機(jī)的行家里手，泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)很費(fèi)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(dòng)，對(duì)電機(jī)防水、機(jī)械密封、隨動(dòng)補(bǔ)償、防震、耐磨沖性能、渣土通過(guò)性等等，提出了極高的要求?！必Q井掘進(jìn)機(jī)流體技術(shù)攻關(guān)小組負(fù)責(zé)人、基礎(chǔ)技術(shù)研究所副所長(zhǎng)劉樂(lè)博士說(shuō)起技術(shù)卡點(diǎn)，了然于心。

為了快速搶占新市場(chǎng)新領(lǐng)域，液壓研究設(shè)計(jì)院成立了豎井掘進(jìn)機(jī)流體技術(shù)攻關(guān)小組，從掘進(jìn)機(jī)流體研究所和基礎(chǔ)技術(shù)研究所選出精兵強(qiáng)將，專攻這項(xiàng)技術(shù)難題。

出渣系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)?開(kāi)挖作業(yè)的重要功能組成部分。沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)由渣漿泵、泥漿閥、管路、流量計(jì)等組成，兩相混合、懸浮流速、攜渣能力等參數(shù)設(shè)計(jì)，每一項(xiàng)都考驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與能力。

全球最大直徑豎井掘進(jìn)機(jī)“夢(mèng)想號(hào)”下井

從橫向隧道設(shè)備水平出渣，到實(shí)現(xiàn)沉井設(shè)備“倒立出渣”，改變了以往的設(shè)計(jì)思路和方法。由于渣漿泵長(zhǎng)時(shí)間潛在泥漿里，作業(yè)環(huán)境惡劣，攻關(guān)小組針對(duì)渣漿泵機(jī)械密封、內(nèi)外壓差等，逐項(xiàng)展開(kāi)技術(shù)攻堅(jiān)。

項(xiàng)目起步之初，攻關(guān)小組通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)配套廠商有過(guò)深海采礦用潛水渣漿泵的生產(chǎn)業(yè)績(jī)。但海水相對(duì)清澈，遠(yuǎn)無(wú)法適應(yīng)沉井項(xiàng)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(guó)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(zhǎng)達(dá)1年，價(jià)格昂貴。”劉樂(lè)認(rèn)為，這不是長(zhǎng)久之計(jì)，必須聯(lián)合國(guó)內(nèi)配套廠商攻下這個(gè)難點(diǎn)。

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

綜合國(guó)外產(chǎn)品對(duì)比分析，攻關(guān)小組提出采用雙道機(jī)械密封方案。“雙道機(jī)械密封可以形成一個(gè)密封腔，隔絕泥沙，再往腔內(nèi)注入補(bǔ)償油，提供一定的平衡壓力，實(shí)時(shí)補(bǔ)償密封腔內(nèi)外壓差?！眲?lè)說(shuō)。

想法很好，實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難不小。國(guó)內(nèi)配套廠商沒(méi)有做過(guò)類似產(chǎn)品，攻關(guān)小組耐心開(kāi)展技術(shù)聯(lián)絡(luò)。光雙道機(jī)械密封這一道工序的監(jiān)造蹲點(diǎn)，小組成員就陸續(xù)去了七八趟。事貴堅(jiān)持，在攻關(guān)小組的不懈努力下，采用雙道機(jī)械密封的國(guó)產(chǎn)潛水渣漿泵試制成功。

潛水渣漿泵試驗(yàn)臺(tái)

“國(guó)產(chǎn)泵的成功研制，不僅帶動(dòng)了配套廠商設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累和制造工藝升級(jí)，價(jià)格還不到國(guó)外同類產(chǎn)品的三分之一。”劉樂(lè)欣慰地說(shuō)。

機(jī)械密封的技術(shù)解決了，隨之而來(lái)的便是隨動(dòng)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

“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(dá)到了6個(gè)巴?！眲?lè)分析稱，如果內(nèi)外壓差失衡，會(huì)出現(xiàn)泥漿泄露問(wèn)題。

為此，攻關(guān)小組首先考慮液壓油循環(huán)補(bǔ)償裝置?！把a(bǔ)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(diǎn)之間距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致密封腔內(nèi)壓力波動(dòng)，難以精確調(diào)節(jié)。”掘進(jìn)機(jī)流體研究所所長(zhǎng)方小龍分析得出，這種方式優(yōu)劣勢(shì)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(lè)、方小龍組織攻關(guān)小組集中研討，各抒己見(jiàn)，匯總“金點(diǎn)子”，決定嘗試氣壓補(bǔ)償方式?！皻怏w像彈簧一樣，可以緩沖各種沖擊和干擾，通過(guò)氣壓間接調(diào)節(jié)油的壓力，控制穩(wěn)定，壓力波動(dòng)小。”劉樂(lè)覺(jué)得，這個(gè)方式可行，并付諸試驗(yàn)。

氣壓補(bǔ)償方式，難點(diǎn)在于隨著開(kāi)挖深度變化，氣壓補(bǔ)償?shù)蕉嗌伲恳环矫?，氣壓不能太小，太小起不到補(bǔ)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(gè)最優(yōu)值，攻關(guān)小組堅(jiān)守沉井泥漿環(huán)流試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)置不同的平衡壓差，實(shí)時(shí)觀察記錄補(bǔ)償罐油位刻度、壓力情況。功夫不負(fù)，團(tuán)隊(duì)成功摸索出一個(gè)合適的平衡壓差，將密封腔平衡壓力的波動(dòng)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(lái)號(hào)”“夢(mèng)想號(hào)”等國(guó)內(nèi)首臺(tái)套沉井掘進(jìn)機(jī)項(xiàng)目。

“夢(mèng)想號(hào)”開(kāi)挖作業(yè)

當(dāng)攻關(guān)小組想著可以松口氣的時(shí)候，卻從施工現(xiàn)場(chǎng)得到消息，設(shè)備在早期的應(yīng)用中，出現(xiàn)了渣土倉(cāng)堵倉(cāng)的問(wèn)題。

渣土倉(cāng)是泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)的起點(diǎn)，渣土和水在倉(cāng)內(nèi)混合成泥漿，再通過(guò)泵從管道排出。豎井掘進(jìn)機(jī)渣土倉(cāng)呈倒三角狀，泥漿出口在上方，需要把底部渣土揚(yáng)起來(lái)，送至泵吸口，才能順利排出。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)倉(cāng)檢查，發(fā)現(xiàn)渣土沉積在底部。“判斷是沖刷角度、沖刷口數(shù)量和沖刷位置有問(wèn)題，導(dǎo)致倉(cāng)內(nèi)渣土不能有效流動(dòng)，存在循環(huán)死區(qū)，嚴(yán)重降低了泥漿攜渣效率?！眲?lè)眉頭緊鎖，下決心改進(jìn)沖刷裝置。

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

擔(dān)當(dāng)仿真設(shè)計(jì)的技術(shù)員寧堅(jiān)，在模擬軟件中建立了一個(gè)兩相耦合流動(dòng)模型，通過(guò)模型建立，找到現(xiàn)有設(shè)計(jì)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(duì)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。”寧堅(jiān)耗時(shí)一個(gè)月，完成了仿真設(shè)計(jì)。

踏出了第一步，信心也更足了。根據(jù)仿真試驗(yàn)方案，攻關(guān)小組在廠內(nèi)開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。劉樂(lè)、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(yàn)是在冬季，沉井泥漿環(huán)流試驗(yàn)臺(tái)又是露天裝置。“北風(fēng)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(yàn)時(shí)不能完全待在主控室里，要定時(shí)進(jìn)行設(shè)備巡查，上到裝置查看泥漿循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行情況。

攻關(guān)小組耗時(shí)兩周，先是驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的參數(shù)，驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；而后根據(jù)仿真方案，進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn)，論證方案的有效性。

試驗(yàn)期間，鞋子粘滿泥，衣服打濕水，是常有的事。但朱穩(wěn)初覺(jué)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(méi)有堵倉(cāng)了，還使設(shè)備的綜合掘進(jìn)效率提升了60%。針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，攻關(guān)小組布局了10余項(xiàng)專利。

在創(chuàng)新中不斷前行，時(shí)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(kāi)展高壓泥漿環(huán)流出渣系統(tǒng)技術(shù)攻堅(jiān)，助力鐵建重工戰(zhàn)新產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?！搬槍?duì)千米級(jí)豎井的出渣技術(shù)，我們也在做技術(shù)儲(chǔ)備?！眲?lè)說(shuō)，團(tuán)隊(duì)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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