綠色環保經濟發展與隧道掘進機再制造探析

康寶生

(中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南洛陽 471009)

0 引言

再制造是指以裝備全壽命周期理論為指導，以提升廢舊裝備性能為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段，對廢舊裝備進行修復、改造的一系列技術措施或工程活動的總稱。再制造工程是廢舊裝備高技術修復、改造的產業化，是循環經濟再利用的高級形式。研究表明，再制造產品在同于甚至優于新品質量和性能的基礎之上，可節能60%，節材70%，節約成本50%［1］。

裝備再制造有利于形成“資源—產品—廢舊產品—再制造產品”的循環經濟模式，可以充分利用資源，保護生態環境。加快發展再制造產業是建設資源節約型、環境友好型社會的客觀要求。近年來，再制造概念在我國風生水起:徐濱士［1］和易新乾［2］全面論述了再制造工程的發展應用與相關技術;陳翔宇等［3］分析介紹了美國再制造情況;李宏亮［4］、楊曉斌等［5］、蔣建敏等［6］、王寶友［7］對我國掘進機制造和使用企業進行隧道掘進機舊件修復和再制造技術進行了初步研究;張振興［8］提出對再制造熱進行冷思考;國家發改委、科技部等部委對推進再制造產業發展提出了明確要求［9］。國內機械設備再制造尚處于起步階段，主要側重于零部件，如復強動力進行的發動機再制造，安徽博一等廠家進行的液壓馬達、控制閥等再制造。普遍存在對再制造產品了解不足、認識存在誤區等缺陷，國家對再制造產業發展政策支持力度不夠、法律制度不健全、市場監管缺失以及再制造關鍵技術創新研發能力有待加強。從文獻資料可以看出，我國一些所謂的隧道掘進機再制造僅僅是對零部件的修理或根據工程需要對盾體、刀盤等的修復或者重新加工制造;由于資金投入不足，國內企業嚴格按照再制造標準進行隧道掘進機整機再制造的情況很少;也未見將隧道掘進機再制造與節能、降耗、減排、綠色環保經濟發展統籌思考的研究。本文結合對所在企業保有盾構/TBM的維修改造和初步“再制造”，比較系統地研究探討我國隧道掘進機整機再制造的重點、難點和需要把握的技術關鍵。

1 國內外再制造產業發展現狀

國外再制造產業已有80多年歷史，再制造在技術標準、生產工藝、配件供應及售后服務等方面都比較成熟，再制造工程已深入到各個領域，包括汽車、工業設備、國防裝備、電子電器等，形成了一套完整的發展體系和較大的產業規模。2005年全球再制造業產值超過1 000億美元，美國就達到750億美元，其中汽車、工程機械再制造占2/3。卡特彼勒公司已在美國、英國、中國等7個國家建立了14個再制造工廠，2005年的再制造產值超過15億美元。德國大眾公司于1947年開始發展再制造產業，至2004年再制造發動機已有748 萬臺，變速器240 萬臺［10］。

我國再制造產業發展相對較晚。1994年，中國重汽集團濟南復強動力有限公司成立，是我國首批汽車零部件再制造試點企業，目前該公司具有年生產各類型再制造發動機25 000臺的能力。2005年國務院出臺《關于加快發展循環經濟的若干意見》支持發展再制造;2008年《循環經濟促進法》將再制造納入法律范疇;2009年工信部選定了35家企業和產業集聚區作為首批機電產品再制造試點;2010年國家發改委、科技部等11個部委發布了《關于推進再制造產業發展的意見》;2011年全國人大審議通過的“十二五”規劃綱要把“再制造產業化”作為循環經濟的重點工程之一。

目前，我國已有14家汽車零部件和35家機電產品再制造試點企業，形成汽車發動機、變速箱、轉向機、發電機共23萬臺/套的再制造能力。2011年，三一集團建成具有年產500臺泵車的再制造生產線;2012年，全國首個以工程機械為特色的再制造產業基地在湖北省武漢市東西湖區街掛牌成立;2012年11月，中國工程機械工業協會維修及再制造分會在安徽合肥召開會議，授予安徽省泰源工程機械有限公司“中國工程機械維修與再制造檢測設備示范基地”。據悉，合肥市政府正在著力打造工程機械零部件及整機再制造產業集群。

2 再制造與經濟發展的關系

零部件的制造成本由原材料成本、勞動力成本、能源消耗成本、加工設備成本和工具損耗成本構成。據統計分析，汽車發動機原材料的價值只占到15%，而成品附加值卻高達85%。再制造具有潛在價值的根本原因是機器中各部件的使用壽命不相等，而且每個零部件各個工作面的使用壽命也不相等。

2.1 再制造與循環經濟

制造業是國民經濟的基礎和產業主體，是國家競爭力的體現和國家安全的重要保障。傳統制造業的特點是大量生產、大量消費、大量污染、大量廢棄，是一個索取自然、大量消耗資源的“粗放型制造”。循環經濟是一種以資源的高效利用和循環利用為核心，以減量化、再利用、資源化為原則，以低消耗、低排放、高效率為基本特征。再制造的對象是服役過的報廢或老舊產品，是實現廢舊機電產品循環利用的高級形式，是制造與修復、回收與利用、生產與流通的有機結合。

2.2 再制造與維修和翻新

再制造與傳統的維修和翻新既有聯系，又有本質區別(如表1所示)。再制造是維修和翻新的高級形式。

表1 再制造與維修和翻新的主要區別Table 1 Main differences among remanufacturing，repairing and refurbishment

傳統的設備維修雖然也是以廢舊零部件為主，具有節約資源、降低污染的優越性，但這種維修是以單臺設備為生產對象，手工作坊的特點十分明顯，生產效率和各項優越性能的發揮受到很大局限。而再制造是以大批待用零部件為生產對象，以大批量現代化工業生產方式進行生產，生產效率大大提高，各種優越性能得到充分發揮。因此，再制造工程是傳統設備維修的提高和高技術產業化的發展。

據介紹，歐美等國的再制造技術主要以尺寸修理法和換件修理法為主，我國的再制造雖然起步晚，但以維修工程、表面工程為基礎，主要采用性能提升和尺寸恢復法，具有再制造率高、資源能源消耗低等顯著特點，這是我國大力發展綠色再制造產業堅實的技術基礎。

再制造的本質是修復，但不是簡單的維修，是采用制造業的模式搞維修，是一種高科技含量、產業化的修復，是維修發展的高級階段。按照目前公認的再制造標準，投入設備原值50%，設備性能達到或超過原型新機。通過再制造技術可以花費較小的成本延長產品的壽命，創造較大的經濟價值;推廣和使用再制造技術，可以節約資源和能源，保護環境;再制造可以為相關需求方提供更為廉價可靠的商品，提高人民的物質生活水平;隨著再制造業的發展，將可興起一批新興產業，從而解決部分就業問題;發展再制造產業使制造企業有能力投入更多精力進行新產品的研發和設計，形成良性循環，對推動我國制造業產業結構的調整、產品的更新換代、技術進步和人員的素質提高十分有利。

3 隧道掘進機再制造現狀與前景

3.1 國外隧道掘進機再制造

國外隧道掘進機(盾構和TBM)制造、使用企業均有將隧道掘進機再制造投入多個項目使用的成功案例。據悉，著名掘進機制造企業——美國羅賓斯公司近年來每年生產的35～50臺掘進機中有將近70%可以通過恢復性維修成功實現舊件翻新。羅賓斯公司在上海修復的掘進機就是由冰島回收，應用于錦屏電站排水洞工程;海瑞克公司也有多臺再制造掘進機在中國市場使用。國外其他公司如維爾特、塞利等均有再制造盾構/TBM產品銷售和使用的案例。

3.2 國內隧道掘進機再制造

國內施工企業使用進口再制造掘進機的同時也在嘗試對自有設備進行再制造，國內專業生產廠家也在探索掘進機再制造。北京某企業購置的日立 EPBφ6 170土壓平衡盾構參與了北京地鐵四號線的施工，由于盾體密封位嚴重磨損導致整機癱瘓，北京奧宇可鑫集團采取再制造技術進行了修復。2009年5月，北京奧宇可鑫集團公司宣布經裝備再制造國家重點實驗室、中船12所等單位專家采用先進手段現場檢測驗收，盾構“修復后的質量完全能夠滿足使用要求，部分性能超過新品”，達到了再制造標準;上海市機械施工有限公司進口的第一臺小松TM6140盾構是根據深圳地區的地質、管片規格等施工要求設計制造的，為了適應上海地鐵施工需要，進行了設備改進、優化和再制造;1997年，鐵道部引進2臺維爾特TB880E型掘進機，成功用于西康鐵路秦嶺隧道等項目施工，完工后多年存放，2007年經過修復和局部再制造用于新疆中天山隧道工程，目前單臺掘進均超過10 km。

為應對高速發展的盾構行業，2010年5月，北京設備管理協會盾構管理委員會成立，旨在發揮科技研發的職能，對盾構的關鍵部件及易損部件性能的提高、軸承的國產化、零件再制造、應力檢測控制等關鍵技術進行研究，以達到延長盾構使用壽命，降低工程建設成本，實現零部件的再制造和節能減排的目的。

3.3 我國隧道掘進機再制造發展前景

據統計，截至2011年底，國內已有33個城市地鐵規劃或立項獲得批準，地鐵運營總里程約1 600 km，規劃到2015年左右建設93條軌道交通線路，運營總里程達2 692.5 km。未來十年，中國軌道交通市場將建7 395 km地鐵線。據統計，截至2012年上半年，國內盾構保有量為511臺。中鐵系統保有盾構270余臺、TBM 10余臺，若滿足規劃要求，還需盾構150～210臺;如果考慮到盾構利用效率、地層和現有盾構的匹配性等因素，盾構缺口在300臺以上。2012年以來，水利水電呈現快速發展勢頭，僅目前正在實施的引水及地鐵等工程，TBM需求就達10多臺。從20世紀90年代掘進機在我國鐵路和地鐵施工中陸續使用以來，不少已“老齡化”，如需繼續發揮余熱，必須進行大修和再制造。據相關資料分析，利用再制造技術生產一臺地鐵盾構可以節約金屬約200 t，節約電力約128萬kW·h。

4 隧道掘進機再制造的重難點

4.1 隧道掘進機再制造的重點

根據工程地質和水文地質條件選擇合適的機型并設計、制造符合地質特點的刀盤刀具、驅動系統和控制系統是確保隧道掘進機順利施工的關鍵，再制造必須抓住這個關鍵環節。

1)刀盤。刀盤是隧道掘進機的核心部件之一。刀盤的地質適應能力決定著工程施工的成敗，刀盤的再制造是掘進機再制造的重點之一。刀盤結構長期處于拉、壓、彎、剪、扭組合荷載的作用下，掘進過程中變形、開裂、磨損、刀具脫落等問題極易發生(尤其是TBM)，刀盤外形輪廓的幾何形狀難以維持，修復難度大。刀盤再制造的關鍵是解決地質適應性問題，也就是根據地質條件確定是新作還是舊件改造和修復，以使其結構型式、開口率以及刀具選用、布置做到最佳。

2)刀具。刀具的類別和布置方式是順利掘進的重要保證，已有關于隧道掘進機刀具再制造的探討［6］。目前，滾刀刀圈磨損或損壞后一般是更換，鑒于技術和成本問題的制約，如何利用特殊表面工程技術修復滾刀刀圈，真正有效降低成本，還需要進一步研究和探索。

3)主驅動系統。包括主軸承、主驅動電機、減速機等。主軸承是隧道掘進機的核心部件之一，其設計壽命一般在10 000 h以上。再制造階段結合將要承擔的工程制定措施，即修復、改造或者更新。根據實踐經驗，按照規范切實做好狀態監測和故障診斷以及維護保養，可以實現連續掘進10 km左右不大修。在國內已經有更換磨損的主軸承滑環，采用激光焊接技術修復主驅動小齒輪的例子;國內外專業軸承廠家，已經開展了主軸承修復、翻新和再制造的業務(如托林頓、羅特艾德等)。徐濱士院士及其科研團隊采用納米電刷鍍技術在重載車輛關鍵零部件的修復及機床再制造方面作出了突出貢獻，解決了艦船等關鍵零部件的維修難題，修復了進口船舶中直徑達470 mm的密封裝置滑環內表面，使其防腐、耐磨性能大幅度提高。認真做好狀態檢測評估，引進先進技術解決主軸承、主驅動傳動裝置等零部件的修復和再制造，將大大延長其使用壽命。圖1為主驅動電機檢測和絕緣處理，圖2為測試主驅動馬達和減速機。

4)電氣及控制系統。檢測電氣柜及所有電機和儀器儀表，判斷損傷情況并針對性修復、改進和完善。原控制系統中的電路板經檢測合格后使用。按照再制造標準，線束、控制線路應當全部更換，對性能落后的控制系統要重新進行系統設計予以更新換代。

4.2 其他系統修復和再制造

1)液壓系統。將液壓零部件拆解、清洗、試驗測試。密封件須全面更換，其他零部件應根據測試結果確定維修或換件;對老化的油管予以更換;做好流體接頭防護，以免影響管路接頭處的密封性。在此過程中，要注意“四新”技術的運用，及時對液壓系統功能進行局部改善或優化，比如，用性能先進的零部件替代落后的零部件等。

2)主結構和后配套臺架。①TBM機頭架、主大梁、鞍架、軸承驅動組件、后支腿、撐靴等主要結構件多為焊接結構，使用中承受交變荷載和高頻振動，長期運行后，焊縫容易開裂，結構易產生變形和疲勞。出現此類問題，能修復的嚴格按照工藝標準進行修復，不能修復或修復后質量性能降低的，要更換新件。②盾構的前盾、中盾和盾尾，主要是解決磨損和變形問題。③設備橋和后配套臺架，主要解決變形和銹蝕問題。掘進機的主結構、盾體和后配套臺架需要多次拆裝，有效防止拆卸過程中的變形尤為重要，研究采用無損傷拆解工藝，對提升拆解效率、保證結構安全性、減輕工人的勞動強度很有必要。

3)風、水、氣、注脂及注漿(豆粒石)以及導向系統等。檢測、修復或者更換，必要時進行性能提升。

4)其他主要設備、部件。如盾構的人艙、管片安裝機、螺旋輸送機等，TBM的混凝土噴射系統等。對于需要跨地區施工作業的盾構，除刀盤刀具需要根據地質適應性進行改造外，當管片分度變化時，還需對推進油缸位置進行改造。

5)再制造TBM，還需重點關注以下方面:①針對特定的地質條件，選擇基本與該工程相適應的廢舊TBM來源;②針對特定隧道的地質條件和斷面設計，確定開挖直徑，以此決定刀盤、護盾、撐靴等部件是否具備在原有基礎上修復改進投入使用的可能性，不滿足則只能新造;③支護系統是TBM順利施工的重要輔助措施，再制造過程中需要予以一定的重視。

6)防護和表面涂裝。按照清洗、除銹、拆檢校正、組裝、噴漆的順序對所有結構件進行整修后涂裝，保證產品的外觀質量。再制造前后的螺旋輸送機如圖3和圖4所示。

圖3 再制造前的螺旋輸送機Fig.3 Screw conveyor before remanufacturing

圖4 再制造后的螺旋輸送機Fig.4 Remanufactured screw conveyor

4.3 切實把握好使用、維修與再制造各環節的技術關鍵

裝備再制造是一個系統工程，涉及其全壽命周期各個環節。對于裝備設計制造商來說，在新產品設計時就需要充分考慮產品維護以及采用包括再制造在內的先進技術對報廢產品進行修復和再造，從而使產品性能和價值得以延續。對用戶來說，要抓好以下幾個環節:

1)使用階段。①要做好新購設備全過程測試數據的積累，包括新機出廠前各系統測試原始記錄、出廠驗收資料，進場組裝調試、始發前的評估，掘進過程中的評估測試記錄(可能是多次)，項目掘進完成前的狀態評估檢測等基礎資料。②使用中必須保證主驅動各類油脂的正常潤滑使用;定期進行液壓系統油水檢測，判斷液壓系統磨損狀況;定期檢查并分析主驅動、減速箱油液，判斷主軸承、齒圈、小齒輪、減速箱的磨損情況。③密切注意設備的震動情況(尤其是TBM)。一般情況下軸承發生故障時，其震動和噪聲會明顯增大，應及時處理以避免引起其他部件嚴重損壞。④定期檢查主驅動狀況。根據經驗，盾構使用3～4 km后要檢查主驅動環件和外密封的磨損情況，必要時更換或調整位置。

2)存放階段。設備停用期間要切實做好防水、防銹及潤滑工作，定期維護保養。有條件時定期旋轉主驅動，防止軸承在一個位置長時間靜置造成腐蝕;電氣元件要保持干燥，有條件時要保持低壓通電的狀態，防止電氣元件受潮損壞或絕緣破壞;對于長期存放的設備，其橡膠件要做適當的防護，防止老化。

3)維修或再制造階段。設備需要整機維修或者再制造時，應入廠維修再制造。入廠后，要進行全面清洗、檢測、評估，判明設備實際機況，制訂詳細的修復和再制造方案，此階段要把握好以下幾個方面:

①高度重視再制造關鍵技術開發及應用。要深入開展自動監測技術、壽命評估與預測技術研究，建立行之有效的質量控制技術體系、技術標準體系，使再制造產品質量穩定可靠。

②重視新技術、新材料在零部件修復中的運用。如納米熱噴涂技術、納米電刷鍍技術、金屬材料表面自身納米化和納米減摩自修復添加劑技術等。

③處理好設備性能恢復與提升改進的關系。設備再制造必須是對設備的全面維修和性能、機況的恢復。同時，要特別注意用先進技術和零部件替代老舊技術和零部件。a)控制系統和導向系統。尤其是PLC控制系統應當采用先進成熟的技術成果。例如:維爾特TB880E在修理過程中由于工期緊，未及時更換控制系統，致使掘進過程中頻繁發生故障，零部件購買周期長而且很困難，對施工影響較大。b)保障設備安全的功能。某臺進口盾構購買時僅考慮中標區間的地質情況，未配置HBW油脂系統，使用證明這一功能的缺失對設備安全很不利，在維修再制造時增加了一套HBW油脂泵和相應的油脂管路(如圖5所示)，以便更好地保障設備安全、延長設備使用壽命。c)提高工作效率、減少無謂消耗、降低成本。如早期購買的小松盾構主軸承潤滑系統采用2臺(套)小油脂泵(如圖6所示)，油脂消耗量很大、使用不便，采用一臺如圖5所示的大油脂泵注脂就能有效解決這一問題。小松盾構同步注漿系統采用的舊注漿泵故障高、效率低，已經淘汰，目前均用施維英注漿泵替代。另外，在以往的盾構設計中，泡沫系統常常采用單泵多路，使用中此種結構型式易產生泡沫管路堵塞，采取單管單泵替代一管多路，期望有效防止管路堵塞，切實做好渣土改良。

然而，在設備性能提升上要防止盲目攀比，過分強調能力儲備而不注重管理和使用。如當跨地區使用時，需要根據地質適應性，對刀盤刀具進行改造，也可能需要增加設備的驅動功率、扭矩等，但不能為提高設備的技術參數(即儲備系數)、降低管理和使用標準而對設備進行改造。對于屬于廠家設計制造習慣產生的不同結構型式、驅動方式等，則不宜改造。如維爾特TBM采用內外凱氏機架、X型支撐方式，而海瑞克、羅賓斯采用主大梁、油缸水平支撐方式;一些廠家喜歡采用液壓驅動方式，另一些廠家則喜歡采用電驅動方式。再制造沒有必要將電驅動方式改為液壓驅動方式，反之亦然。

④要有足夠的整機調試時間，通過反復調試測試隧道掘進機各個系統的功能和動作，確保設備的可靠性和穩定性。

4.4 隧道掘進機再制造良性發展的促進措施

1)加強宣傳引導，提高公眾對再制造產品的認識。從消費者層面來看，再制造尚未得到廣泛的社會認同。調查顯示，非常了解汽車零部件再制造的人只占受調查人數的10%，而完全不了解的人占到受調查人數的45%，不少人對再制造產品持懷疑甚至否定態度。筆者贊同美國再制造專家“只有讓生產者和消費者樹立起對再制造的正確認識，才能真正夯實再制造產業的發展基礎”的觀點。

2)需盡快制訂再制造生產標準和再制造驗收標準。一般要求，再制造產品的性能不低于原型機。如何選擇新購、修復、再制造3種設備配置方式，需要設備制造和使用企業對再制造產品有一個正確、全面、清晰的認識。要緊密跟蹤摸索掘進機部件磨損規律和修復技術，進一步研究無損檢測、無損拆解技術，零部件清洗技術以及表面修復技術，廢舊產品失效機制及再制造性評價技術等再制造關鍵技術。要通過隧道掘進機再制造，總結并建立相應的技術標準，進而發展為行業甚至國家標準，促進隧道掘進機再制造良性發展。

3)合理確定再制造產品的質保。從我國使用進口再制造盾構和TBM的實際情況看，再制造隧道掘進機質量良莠不齊，無論是地質適應性還是完好率和使用壽命與原型機差距甚大。由于沒有統一的檢測驗收標準和方法，難以全面檢測國外公司出售的再制造產品的性能和參數，不能準確掌握其與新機的差異，既不利于使用和維修保養，也無法準確判斷其價值，用戶往往吃啞巴虧。廠家要對再制造產品的質保和壽命周期進行擔保，給用戶吃“定心丸”。有些廠商的做法值得推廣，如三一重工承諾，對再制造泵車提供3～12個月免費保修服務，終生提供維修服務。因此，再制造企業要對提供的再制造設備各個系統的性能參數的實測值與原型機進行比較，保質期和質保標準不低于新品原型機。

4)設備使用企業要舍得投入，引領隧道掘進機再制造事業發展。再制造業內專家學者的說法:“再制造產品是新品，不是修理品，不是二手產品。”一般要求投入設備原值50%，再制造產品性能達到或超過原型新機。以筆者多年從事設備管理和維修的經驗，企業以大修(項修)標準投入的設備修理費一般占設備原值的1/6～1/4，若按此投入進行所謂的“再制造”，將不可能實現預期目標。然而，一臺地鐵盾構原值動輒數千萬元，如果按照50%投入進行再制造將是一個巨大的數值，對于設備使用企業將是不小的負擔。恢復和提升設備性能進行再制造，如何投入才能達到這一要求，需在實踐中進一步探索和總結。

5)要樹立協作觀念。再制造是一項復雜的系統工程，涉及到研發與設計、供應鏈管理、生產、銷售、使用等多個環節，對再制造企業的綜合能力有非常高的要求。工程機械的通用部件都是由專業化的企業配套生產的，所以工程機械整機再制造僅靠單個企業做，既不可能，也不經濟。要努力發展再制造產業集群，高度重視再制造企業產品布局、營銷模式和物流體系建設。如利用現有的銷售服務網絡建立以舊換新的回收模式，加強再制造企業之間的分工與戰略合作，實現強強聯合、優勢互補等。

6)要重視外觀質量。再制造產品雖然不是新造產品，但也要特別注意外觀形象，要牢固樹立內在性能與外觀形象同樣重要的理念，按照新機標準進行表面涂裝。一般的工廠就是購買原材料進行加工，然后再把產品賣給客戶，而再制造需要對舊件進行鑒別、拆卸、清洗、除銹等環節，才能進行下一步正常工廠的操作。因此，業內專家提出:“相對于一般工廠新制產品，再制造行業操作起來更復雜，因為它相當于在同時運營兩個工廠。”

5 結論與討論

我國建設資源節約型、環境友好型社會的目標之一就是大力發展循環經濟、發展再制造產業。如前所述，到2020年僅中鐵系統將保有盾構500多臺，TBM數十臺，隨著設備逐步進入“老齡化”階段，再制造顯得越來越重要和迫切。

在進行設備大修時，一般對于檢測合格的管線和零部件，如液壓油管、電氣線路和零部件等可不予更換，而再制造產品的外觀要求等同于新機，隧道掘進機包括主機和后配套拖車等，各種管線和零部件數量巨大，如何解決檢測合格且繼續使用的管線和零部件的外觀質量也需研究和探討。

再制造產品是以廢舊機電產品為原料，省去了由采礦到冶煉、成型加工等許多工序，新產品制造過程中造成的環境污染，同時能夠極大地節約能源，減少溫室氣體排放。發達國家工程機械先進企業的利潤有17%來自于再制造領域，而我國才剛剛開始，大力推進國內隧道掘進機維修、再制造是綠色環保、循環經濟發展的必然趨勢。

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