劉翔宇（開灤集團(tuán)錢家營礦業(yè)分公司，河北　唐山　063301）

探究全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置的優(yōu)化方法

劉翔宇
（開灤集團(tuán)錢家營礦業(yè)分公司，河北唐山063301）

摘要：本文明確研究了全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置優(yōu)化方法的重要性和意義，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)該項(xiàng)目研究的現(xiàn)狀，針對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置的優(yōu)化方法提出了幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)；滾刀布置；優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、研究全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的意義和重要性

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化的進(jìn)程也在不斷加快，地下空間資源的開發(fā)與利用逐漸引起了相關(guān)部門和建筑行業(yè)的重視，廣闊的發(fā)展前景使得越來越多的建筑企業(yè)將部分資源投入到地下空間資源的開發(fā)利用中，而全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)正是開發(fā)地下空間必不可少的機(jī)械設(shè)備。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，要求設(shè)計(jì)人員具備相當(dāng)高的技術(shù)水平，現(xiàn)階段也只有美國、日本、德國、法國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家的相關(guān)行業(yè)才具有這方面的設(shè)計(jì)能力。針對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造在我國還處于起步階段，我國目前建筑工程中使用的掘進(jìn)機(jī)主要還是依靠進(jìn)口。國外的掘進(jìn)機(jī)在我國相關(guān)行業(yè)的市場中有95%以上的占有率，其對(duì)我國隧道掘進(jìn)機(jī)市場的壟斷和支配地位顯著，這對(duì)我國建筑行業(yè)開發(fā)和利用地下空間資源非常不利。國家也在加大對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)制造的重視和投入，自2006年開始，就不斷有針對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)自主研究，掌握核心技術(shù)等相關(guān)項(xiàng)目的文件頒布，加快我國自主研發(fā)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的步伐，并將其產(chǎn)業(yè)化十分必要。

二、針對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的研究

（一）研究重點(diǎn)

目前國內(nèi)外學(xué)者從不同方面對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置和刀盤設(shè)計(jì)中存在的疑難問題進(jìn)行了一系列研究和探討。刀盤設(shè)計(jì)的理論依據(jù)是刀具與巖石相互作用的原理，滾刀布置和刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是基于這一理論所構(gòu)建的。如何針對(duì)各不相同的復(fù)雜的巖石邊界條件，來進(jìn)行對(duì)滾刀布置和刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能符合復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境的要求，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)工作效率高、可靠性強(qiáng)、成本控制合理的目標(biāo)，現(xiàn)已成為目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（二）斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)性能最優(yōu)的有效手段之一就是優(yōu)化滾刀布置結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)滾刀結(jié)構(gòu)不僅要結(jié)合復(fù)雜多變的巖石邊界情況，還必須將刀盤制造裝配工藝要求以及鏟斗、噴水孔、排碴開口、人孔通道等因素納入考慮范圍。因?yàn)闈L刀布置與刀盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在很多方面的關(guān)聯(lián)性，所以在進(jìn)行滾刀布置的設(shè)計(jì)時(shí)，也要將刀盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求盡可能多的考慮進(jìn)去。隨著地下空間資源開發(fā)利用進(jìn)程的加快，掘進(jìn)機(jī)被應(yīng)用于更為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，這使得滾刀布置的設(shè)計(jì)受到更多方面的影響，要符合更多條件的要求，給設(shè)計(jì)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。

針對(duì)滾刀布置設(shè)計(jì)的研究主要有刀間距設(shè)計(jì)和滾刀平面布置設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。刀間距就是相鄰的兩個(gè)刀具在直徑上的最小距離。滾刀平面布置就是在確定了刀間距后，布置滾刀在刀盤上的方向。現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者主要結(jié)合數(shù)值仿真和物理實(shí)驗(yàn)這兩方面的結(jié)果來對(duì)刀間距展開研究，通過這些研究也提出了一些有意義的觀點(diǎn)。受到技術(shù)封鎖的影響，針對(duì)滾刀平面布置規(guī)律方面的研究在國內(nèi)外都很少。滾刀平面布置設(shè)計(jì)不僅要符合幾何約束和力學(xué)平衡約束的要求，還要將復(fù)雜多變的巖石邊界條件、刀具與巖石相互作用關(guān)系等因素考慮進(jìn)去，從而構(gòu)建出符合具體情況要求的滾刀平面布置優(yōu)化模型。要通過對(duì)先進(jìn)的觀點(diǎn)、研究方法和實(shí)驗(yàn)工具的運(yùn)用，探索出滾刀平面布置在復(fù)雜巖石邊界條件下的設(shè)計(jì)方法，找到滾刀平面布置的規(guī)律。

（三）斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

刀盤設(shè)計(jì)中滾刀布置設(shè)計(jì)中包含多種類型的滾刀，如中心刀、正邊刀和邊刀，同時(shí)在滾刀布置設(shè)計(jì)過程中需考慮刀盤結(jié)構(gòu)制造裝配要求，目前，研究復(fù)雜工程優(yōu)化問題的主要有啟發(fā)式算法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、圖論法、協(xié)同進(jìn)化以及人機(jī)結(jié)合等方法。其中，協(xié)同進(jìn)化法是近十幾年來在協(xié)同進(jìn)化論基礎(chǔ)上提出的一種新的進(jìn)化算法，最早由Hillis于1990年提出。這種方法通過對(duì)自然界物種之間的競爭、捕食、共生等關(guān)系的模擬展示，將整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)由低級(jí)向高級(jí)進(jìn)化的過程再現(xiàn)出來，并采用與之相似的方式進(jìn)行問題求解。根據(jù)使用的生物模型，可分為競爭式協(xié)同進(jìn)化法、基于捕食—獵物機(jī)制的協(xié)同進(jìn)化法、合作式協(xié)同進(jìn)化法。目前協(xié)同進(jìn)化方法已被應(yīng)用于解決復(fù)雜工程問題，被認(rèn)為是一種處理復(fù)雜問題很有前途的設(shè)計(jì)框架。其中合作式協(xié)同進(jìn)化法更側(cè)重于群體間互利共生的協(xié)同機(jī)制研究，它與斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置問題中的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的優(yōu)化有著本質(zhì)的相似性，因而筆者主要采用究合作式協(xié)同進(jìn)化法來解決斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置問題。

筆者通過對(duì)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的查閱和研究，以及向?qū)I(yè)人士請(qǐng)教相關(guān)方面的知識(shí)，與其討論和探索，同時(shí)結(jié)合了合作式協(xié)同進(jìn)化法，針對(duì)斷面巖石掘進(jìn)機(jī)滾刀布置設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法提出了一些建設(shè)性的措施。

1將滾刀直徑載荷最小化，盡量使其垂直于刀盤回轉(zhuǎn)軸線；

2平衡刀盤受力，實(shí)現(xiàn)傾覆力矩最小化；

3控制刀間距，實(shí)現(xiàn)在破巖過程中相鄰滾刀之間不存在未被連通的巖石的目的；

4合理規(guī)劃滾刀位置，確保在實(shí)際施工中相鄰滾刀按順序破巖；

5將破巖量差異控制到最小，使每把刀具的破巖量盡可能相同，使用壽命基本保持一致；

6滾刀之間互不干涉，不超出刀盤的布置范圍；

7保證所有滾刀在刀盤上的質(zhì)量分布均勻，讓刀盤勻速運(yùn)轉(zhuǎn)；

8確保刀盤的強(qiáng)度和剛度都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，保證工作效率；

9提高刀盤裝配的工藝水平，滿足刀盤分格制造、刀盤入孔、出碴孔等要求。

結(jié)語

盡管我國目前還不能自主研發(fā)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，但只要能在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，積極主動(dòng)地研究和探索其工作原理和制造方法，一定能在該項(xiàng)目的研究上取得突破性進(jìn)展。同時(shí)，在國家的大力支持和技術(shù)人員的不斷努力下，我國真正掌握該領(lǐng)域的核心技術(shù)指日可待，這必將促進(jìn)我國建筑行業(yè)的發(fā)展，為我國的現(xiàn)代化建設(shè)提供巨大的動(dòng)力。

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中圖分類號(hào)：TD433

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A