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1、全断面隧道掘进机再制造技术现状及发展*郭京波, 周罘鑫，刘进志（石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043）照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘要：在城市地铁及隧道的施工过程中，国内部分全断面隧道掘进机已接近其使用寿命，若到达设计寿命后就报废会造成极大的经济损失和资源浪费，因而我们非常有必要深入研究全断面隧道掘进机再制造技术。通过对分析全断面隧道掘进机再制造技术的特征，提出了隧道掘进机再制造技术的创新理论和评估体系，对其切削系统、主驱动系统、壳体结构、电气系统、液压系统、独立设备等关键系统进行再制造，可达到节约资源和降低成本的目的。该技术在全断面隧道掘进机领域内的推广
2、应用将带来显著的经济效益和社会效益。关键词：再制造；创新理论；状态评估；全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机（以下简称隧道掘进机）包括盾构和岩石掘进机，已广泛应用于市政工程 基金项目：国家863项目（2012AA041803）；国家自然科学基金项目（51275321）.作者简介：郭京波（1966-），男，河北省赵县，教授，主要从事隧道掘进机方向的研究，E-mail：.、轨道交通、铁路公路、水利工程等，根据统计，目前国内盾构的存有量900台左右，岩石掘进机数量在3040台之间，由于早期生产隧道掘进机的超期服役及在异地使用的不适应性，其再制造将是我国发展的重点之一。 由于隧道掘进机中的各个部件的使用寿
3、命不相同，隧道掘进机在完成一定量的施工任务并且设备达到设计寿命或者在没有后续工程之后，尽管有些结构存在不同程度的损坏，但很多零部件仍然可以继续使用，如果将其报废会造成极大的经济损失和资源浪费。通过再制造技术，可赋予废旧隧道掘进机新的使用寿命，所以隧道掘进机再制造技术符合国家可持续发展、构建循环经济的战略需求1-2。相对国外而言，现阶段国内隧道掘进机的再制造技术还没有形成系统的理论和方法，所以在充分调研国内外再制造技术现状的基础上，对隧道掘进机再制造技术特征进行分析，提出了隧道掘进机的再制造技术创新理论和技术评估，以指导再制造技术的发展。1 隧道掘进机再制造技术现状1.1 国外行业现状现阶段国外
4、隧道掘进机制造和应用单位都有将隧道掘进机成功再制造的案例。近年来国外隧道掘进机制造企业罗宾斯（Robbins）公司每年生产的 3550 台隧道掘进机中将近 70的掘进机通过恢复性再制造实现翻新；海瑞克（Herrenknecht）公司也有大量隧道掘进机再制造后使用。根据国外TBM制造商近40 年的生产销售业绩，经部分统计，702台掘进机在施工过程中，按使用台次统计，新机TBM和再制造TBM投入使用次数分别为236次和466次，分别占比例33.6%和66.4%；按掘进长度统计，新机TBM和再制造TBM掘进长度分别占比例44%和56%3。1.2国内行业现状国内隧道掘进机再制造产业处于初始发展阶段，隧
5、道掘进机再制造产业规模小并且被认可度普遍偏低，随着我国隧洞工程建设的发展，多数隧道掘进机达到使用寿命或面临着报废，因此，我国隧道掘进机的再制造迫在眉睫。然而隧道掘进机属于非标设备，所以对其再制造技术相对于其他设备要求较高。据统计，对于隧道掘进机的再制造，国内35台岩石掘进机的工程施工中，其中有7台应用再制造技术，有6台应用整机修复技术，其再制造率远小于世界平均水平。2 隧道掘进机再制造技术2.1 隧道掘进机再制造技术的概念隧道掘进机再制造：在隧道施工中，对于完成了规定施工里程或达到了规定使用期限的隧道掘进机，以全寿命理论为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进的设计方法和先进的制造
6、技术为手段，对隧道掘进机进行修复、改造，修复后隧道掘进机的性能和寿命的预期值达到或超过原设备的性能与寿命4-5。2.2 隧道掘进机再制造技术的特征隧道掘进机再制造技术是面向整个设备生命周期的系统工程，该系统工程属于产品创新设计范畴，其具备以下几个鲜明特征：隧道掘进机再制造技术实现了废旧设备重新获得使用功能的创新技术，具有充分利用资源、降低生产成本、减小对环境危害、提高经济效益的特征；隧道掘进机再制造技术所针对的零部件有个体性、多样性、质量和数量的差异性等特点；隧道掘进机再制造技术符合国家可持续的发展战略，具有广阔的市场和良好的发展前景。隧道掘进机再制造技术有广阔的市场前景，主要表现在以下几个方
7、面：第一，成本约为新机成本价格的70%，降低了工程成本，还实现了资源的持续利用；第二，再制造设备的使用性能不低于新机，并可以根据下一个工程的建设环境和地质条件等因素对再制造机器进行适当的调整，满足市场的需求；第三，旧设备再制造时，如果不是最后一次再制造，可为下一次再制造留下寿命空间，符合施工方利益，容易在市场应用推广；此外，再制造厂家要对再制造的设备负责，做好再制造设备的售后服务，向用户和业主保证应用的可靠性，这是拥有广阔市场的前提。2.3 隧道掘进机再制造技术的理论创新大多数再制造都是建立在已有废旧产品基础上进行的再制造，增加了再制造难度，甚至有些部位无法进行再制造，基于此提出隧道掘进机再制
8、造技术的理论创新，从主动再制造角度去分析，即从隧道掘进机的初始设计阶段，就要考虑再制造因素，提出了隧道掘进机寿命模式创新理论和模块模式创新理论，不断创新再制造理论、再制造工艺、再制造材料和产品的结构，促进再制造技术体系逐步实现系统化、规范化。本文提出的创新方法对隧道掘进机的再制造技术的发展有一定的参考作用。2.3.1 寿命模式创新理论从零部件的设计角度，要在新的隧道掘进机制造之前就要考虑设备的后续再制造工程。在设备的研究和设计时，将零部件分为价值低的、易更换的易损零件和价值高的可再利用零件，对于前者采用单次寿命模式设计制造，而对于后者采用多次寿命模式设计制造。单次寿命模式是指在隧道掘进机再制造
9、时，这类零部件直接作为报废件处理，更换新零件；多次寿命模式是指在隧道掘进机再制造时，这类零部件作为可再利用零件，通过再制造恢复其使用性能，从而降低成本6。2.3.2 模块模式创新理论模块模式创新理论是指隧道掘进机按模块化设计、制造、装配，属于主动的再制造技术模块化创新技术7-8，具有隧道掘进机再制造时拆卸效率高、防止拆卸时产生结构性障碍、零部件再制造时工艺集中等优点。模块模式创新理论包括工艺相容原则、维护性原则、可拆卸性原则、独立性原则、使用寿命原则、环境影响原则、经济性原则，以下为几个原则具体说明：（1）经济性原则该原则是按零部件的回收价值划分模块，将回收价值相同或相近的零部件划分到相同模块
10、。（2）使用寿命原则该原则是按零部件的使用寿命划分模块，将使用寿命相近的零部件划分到相同模块。（3）工艺相容原则该原则中的工艺分为零部件的回收工艺和再制造工艺，即零部件回收工艺相近或再制造工艺相近的划分到相同模块中。（4）维护性原则该原则是按零部件的维护方法划分模块，将维护方法相同或相近的零部件划分到相同模块。（5）环境影响原则该原则指将不同零部件按其对环境影响大小划分模块，将对环境影响相同或接近的零部件放在相同模块。（6）独立性原则该原则是按零部件之间结构和功能的相互作用划分模块，将相互作用强的零部件划分到相同模块。（7）可拆卸性原则该原则考虑零部件的可拆卸性，在保证功能与性能的前提下选择容
11、易拆卸的方式连接，并减少连接数。隧道掘进机再制造模块模式创新理论中，各个原则统一服务于隧道掘进机的再制造，服务于再制造工艺的优化设计，以确保隧道掘进机再制造的顺利实施。例如，如果不遵守使用寿命原则，由于相同模块的再制造或修复是由其中使用寿命最短的零部件决定的，会导致再制造的难度与成本加大；如果不遵循工艺相容原则，在相同模块中零部件的回收工艺和再制造工艺不同，同样导致再制造的难度增加；同理，不遵循维护性原则、环境影响原则、独立性原则、可拆卸性原则都会导致再制造的难度增加、再制造费用的增加，不符合可持续发展、构建循环经济的战略。2.4 隧道掘进机再制造技术的评估2.4.1 零部件寿命评估隧道掘进机
12、再制造主要是针对零部件的再制造，在隧道掘进机的运行过程中，零部件会出现不同程度的损坏，所以在确定其再制造工艺之前，要先确定零部件的剩余寿命。废旧零部件剩余寿命的评估可以通过物理试验和非物理试验两种方式来确定。物理试验包括：对于零件表面缺陷检测可采用涡流、金属磁记忆、表面波超声等无损检测技术；对于零件内部缺陷检测可采用超声波探伤、射线探伤等无损检测技术；对于零件残余应力测定分析可采用X-射线、金属磁记忆、超声波等无损检测技术；对于再制造零件服役过程状态监测可采用声发射等无损检测技术。通过以上综合检测技术对零部件的状态进行辨识，对旧零部件损伤和寿命进行检测评估，评估零部件再制造的可能性。非物理试验
13、是以零部件历史服役工况数据和失效数据为基础，建立数据信息与剩余寿命的关系，这些数据信息真实反映了零部件的运行工况。可以通过以下公式9来实现：LR = LM - LA式中，LR代表零部件的剩余使用寿命，LM代表零部件的平均使用寿命，LA代表零部件的实际使用寿命。2.4.2 隧道掘进机状态评估隧道掘进机状态评估的目的是对废旧隧道掘进机的各种再制造方案进行对比分析和论证，确定旧零部件的处理方式。通过敏感性指标分析不同因素对设备再制造的相关性和影响程度，并找出影响再制造的关键因素，有针对性的制定解决措施。利用此评估的优化选择方法选出可靠性高、材料利用率高、经济效益好、环境污染小的再制造方案。由于隧道掘
14、进机是集机、电、光、液、自动控制等多学科技术为一体的高科技设备，由众多系统和零部件组成，各个系统既独立又有联系，在模块模式的基础上对隧道掘进机进行评价减小了评估难度。隧道掘进机的状态评估10流程如下：（1）确定评估目的，评估目的明确是状态评估成功的基础；（2）参照创新理论对隧道掘进机进行模块划分；（3）确定每个模块在隧道掘进机的再制造过程中的权重，明确的反映出评估的范围和重要性，权重是评价体系的核心内容，直接决定评价结果的准确性；（4）确定每个模块中各零部件所占的权重；（5）根据以上的分析对隧道掘进机的性能状态进行评估。评估结果是通过对影响隧道掘进机性能参数进行加权求和得到的，评价公式为：S=
15、 ，（01，=1；）K=，（01，=1）其中：S：代表第i个模块的性能参数的量化值；：代表第i个模块的性能参数的权值；m：代表模块数；S：代表第i个模块中第t个零部件的性能参数的量化值；：代表第i个模块中第t个零部件的性能参数的权值；n：代表第i个模块中的零部件数；K：代表m个模块参数的综合加权求和值。综上，对设备的性能状态的评估有三个重要因素，其一是对模块的划分；其二是对零部件性能参数的选取及参数值的量化；其三是对模块和零部件性能参数权重的确定方法。图1 盾构机刀盘图Fig. 1 Shield Machine cutter head（a）刀盘变形图（b）刀盘与刀具磨损图（c）刀盘再制造图评估和选择再制造方案，首先考虑后期工程的使用条件，并为下一次再制造预留寿命空间；其次根据废旧隧道掘进机的状态评估来确定具体机器的再制造技术条件，选出具有针对性的方案；最后对再制造费用要有合理的预测、控制，避免和减少使用费用高、污染环境、浪费能源的再制造技术。3 隧道掘进机各系统的再制造隧道掘进机再制造工程首先采用高附加值再制造深度拆解技术和高效化学清洗技术对废旧隧道掘进机进行拆分、清洗，拆分出易损零件（易损零件直接报废）和可再利用零件；对可再利用零件进行检测，再次拆分出完好零件、可再制造零件；可再制造零件进行再制造加工并经过检测合格；将完好零件、再制造零件和原厂新零件通过新
