劉金書： 按下隧道挖掘的“快進鍵”

發佈時間： 2018-07-09 14:15:06   |  來源： 科技日報   |  責任編輯： 張豐

劉金書在檢查隧道濕噴機的裝配情況

人物檔案

劉金書，生於1978年，籍貫河北，係中國鐵建重工集團特種裝備研究設計院副院長、高級工程師。2010年至2012年，她主持完成了HPS系列混凝土噴射臺車研製工作，該産品主要技術性能達到國際先進水準，被評為中國重大技術裝備首臺(套)示範項目。

在以男性為主導的隧道施工裝備領域，一位女工程師會格外顯眼。在中國鐵建重工集團，有位名叫劉金書的女工程師十分出眾，但她的出眾卻不是因為性別，而是憑藉傲人的成果。

第一眼見到劉金書，只覺得她面龐白皙、略顯文弱。細問才知，這位40歲的女工程師曾做出令世界震驚的裝備——掘錨同步機。

2017年國慶節期間，劉金書團隊研製的煤礦護盾式快速掘錨裝備成功交付。這是全球首臺能實現掘進、錨護同步作業的裝備，解決了同類裝備掘進、錨護不能同步作業的世界性難題。

最近，劉金書團隊又傳出喜訊。經過技術攻關，他們成功實現了鑿岩臺車、噴射臺車等單機設備的機器人化。

從進入工程機械行業至今，劉金書在隧道施工裝備領域已耕耘10年。“讓國産重型工業裝備更自主、更具核心競爭力，這是我一直以來的努力方向。”7月4日，劉金書在接受科技日報記者採訪時説。

做中國自己的煤機裝備

惡補短板，“門外漢”變“內行人”

劉金書結緣掘錨機是在6年前。

2012年4月，中國鐵建重工集團決定研製自主掘錨機，領導把這個任務交給了劉金書。當時，我國已是煤機裝備需求的第一大國，相關設備的市場潛力巨大，但在役的掘錨機全部來自進口。而且，由於進口掘錨機價格昂貴、交貨期長，配件供應不及時，因此時常影響施工進度。

“不能一直受制於人，我們必須做自己的掘錨機。”劉金書暗下決心。

説來簡單做來難。研究生畢業參加工作後，學機械電子工程專業的劉金書已積累了一些産品設計方面的經驗，但對掘錨機，她還是一個地地道道的“門外漢”。

而她要研發的掘錨機是挖煤的專用工程機械，有7000多個零部件：從履帶板、減速機，到截割滾筒、超前鑽機……製造掘錨機絕不是將它們簡單地拼起來，而是要弄懂、弄通機械結構的設計邏輯，按照設計原理將它們系統地組合起來。

“當時，國外企業並不向我們提供設計圖紙，團隊上下只能依葫蘆畫瓢。”那段時間，劉金書和團隊白天看國外的設備，琢磨它的構造和設計思路;晚上則集體討論、開展“頭腦風暴”，大家一起商量著畫圖紙。但即便如此，團隊依舊復原不了國外産品的設計思路。

要摸到門道，光靠看是遠遠不夠的，必須要從基礎學起。劉金書搬來一摞摞的資料和參考書，從煤礦領域的設計規範起步，開始一項一項細摳。

其中，截割滾筒裏的減速機就是劉金書啃下的一塊“硬骨頭”。截割滾筒裏的減速機是掘錨機的一個核心部件。如果要讓截割滾筒實現自由控制伸縮，其內部就必須通上液壓油道。“油道對液壓的清潔度要求非常高，一般做減速機的廠家都不會配備專業的液壓人員，更不會對清潔度給予足夠的重視。”劉金書説。

為了避免返工，劉金書在定好方案並做出設計圖後，于2013年底隻身前往南京配套廠家，蹲守現場開展指導工作，並與廠家共同進行試驗測試。

這一待就是一個多月。經過不斷的修正與調試，最終使産品達到了預定要求，可她卻因此差點沒趕上年夜飯。“正是這樣一個一個結去打通，我們終於揭開了掘錨機的設計謎底。”劉金書也由此變成了掘錨機的“內行人”。

讓“掘”與“錨”完美配合

1000多張圖紙見證新紀錄誕生

掘錨機的兩大組成部分掘進機和錨桿機分別承擔不同工作，掘進機主要負責挖掘和掘進工作，而錨桿機則負責錨固和支護打出來的隧道。

實現“掘”與“錨”同步，讓兩者並行工作，並實現高效作業，是掘錨機發展的重要方向。而以往進口的掘錨機，無法實現掘錨同步，總掘進時間中有2/3以上要用於錨護，嚴重影響開採進度。

“剛接到任務時，用戶也只要求把‘掘’與‘錨’的功能合為一體，只要能提高掘進速度即可。後來，為提高煤礦巷道施工效率，用戶提出實現掘錨一體化的要求。”劉金書解釋説，掘錨同步施工，就是誰也不用等誰，掘進時再也不用給錨護預留時間。

實現掘錨同步，時間匹配是關鍵。於是，在長達6個多星期的時間裏，劉金書和同事每天的工作就是拿著秒錶，一次又一次地進行測試。截割滾筒掘進一個迴圈，需要多少時間;單個錨桿進行錨護，需要多少時間;12個錨桿機哪個先打、哪個後打……經過100多次試驗，在對比了上千組數據後，最終得到了最完美的匹配時間。

在完成掘錨無縫匹配的過程中，劉金書帶領團隊成員解決了一個又一個技術難題，前後花了2年多時間。錨護出現卡鑽時，為了不影響掘進的進度，他們設計了一個滑移架，為處理卡鑽留出“時間差”;借用全斷面隧道掘進機護盾式理念，結合煤礦實際施工工況創新優化設計，他們為煤礦掘錨機裝上了可伸縮的“盾牌”，讓空頂距離由普通煤礦掘進機的5、6米縮減到1米多，最大限度保障了煤礦巷道的採掘安全……

“如今回想起來，才覺得那時是真的苦。”在劉金書的電腦裏，存有1000多張二維圖紙以及修改過無數次的三維圖紙，這些都是全球首臺煤礦護盾式快速掘錨機“從無到有的見證”。

成功如約而至。2016年8月，樣機在陜西神木孫營岔一礦煤礦開展工業試驗，創下月進尺4000米的紀錄。

目前，首臺護盾式快速掘錨機正在許多工地上大展身手。掘錨同步的平均月進尺可達3500米，而國外掘錨設備月進尺最多只有700米。

向無人化作業目標進發

綜合先進技術改進傳統施工方式

“這輩子，我要與隧道施工裝備相伴一生了。”劉金書笑著説，她和這些裝備待在一起的時間比家人都多。

如今，劉金書正琢磨著，是否能讓這些隧道施工裝備變得更高效、環保。

目前，我國90%以上的隧道施工仍採用傳統人工鑽爆法，這種方式施工速度慢、安全系數低，還會導致環境污染。

劉金書透露，他們正在嘗試採用虛擬設計、倣真、人工智慧等先進技術，給每台裝備都賦予機器人特徵，最終實現隧道內無人數字化作業。

“國內現有的鑿岩臺車、拱架作業車、錨桿臺車、噴射臺車等鑽爆法隧道施工産品多是單機作業，協同效率低。”劉金書和團隊通過技術攻關，讓單機設備實現自動定位、智慧作業、自動修正等功能。

在實現了這些單機設備機器人化後，劉金書告訴科技日報記者，下一步他們將從單機機器人向隧道智慧建造作業機群進軍。

“想要實現這一目標，不是裝幾個感測器就行的。每條隧道地質工況迥異，讓不同功能的設備各司其職、互不干預、互相協同，又能自動適應千變萬化的施工工況和作業環境，是一項非常複雜的系統工程。”劉金書説。

“我們團隊將應用資訊技術、自動化技術和人工智慧等技術手段，讓隧道施工裝備智慧機群系統早日得到推廣應用。”劉金書説。（記者矯陽）