探究全斷面巖石掘進機滾刀布置的優化方法

劉翔宇（開灤集團錢家營礦業分公司，河北　唐山　063301）

探究全斷面巖石掘進機滾刀布置的優化方法

劉翔宇
（開灤集團錢家營礦業分公司，河北唐山063301）

摘要：本文明確研究了全斷面巖石掘進機滾刀布置優化方法的重要性和意義，結合當前國內外對該項目研究的現狀，針對全斷面巖石掘進機滾刀布置的優化方法提出了幾點建議。

關鍵詞：全斷面巖石掘進機；滾刀布置；優化設計

一、研究全斷面巖石掘進機設計優化方法的意義和重要性

隨著我國社會經濟的發展，城市化的進程也在不斷加快，地下空間資源的開發與利用逐漸引起了相關部門和建筑行業的重視，廣闊的發展前景使得越來越多的建筑企業將部分資源投入到地下空間資源的開發利用中，而全斷面巖石掘進機正是開發地下空間必不可少的機械設備。全斷面巖石掘進機的設計結構非常復雜，要求設計人員具備相當高的技術水平，現階段也只有美國、日本、德國、法國等少數發達國家的相關行業才具有這方面的設計能力。針對全斷面巖石掘進機結構的設計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機主要還是依靠進口。國外的掘進機在我國相關行業的市場中有95%以上的占有率，其對我國隧道掘進機市場的壟斷和支配地位顯著，這對我國建筑行業開發和利用地下空間資源非常不利。國家也在加大對全斷面巖石掘進機設計制造的重視和投入，自2006年開始，就不斷有針對全斷面巖石掘進機自主研究，掌握核心技術等相關項目的文件頒布，加快我國自主研發全斷面巖石掘進機的步伐，并將其產業化十分必要。

二、針對全斷面巖石掘進機設計優化方案的研究

（一）研究重點

目前國內外學者從不同方面對全斷面巖石掘進機滾刀布置和刀盤設計中存在的疑難問題進行了一系列研究和探討。刀盤設計的理論依據是刀具與巖石相互作用的原理，滾刀布置和刀盤結構設計也是基于這一理論所構建的。如何針對各不相同的復雜的巖石邊界條件，來進行對滾刀布置和刀盤結構的優化設計，使其能符合復雜多變的地質環境的要求，同時還能實現工作效率高、可靠性強、成本控制合理的目標，現已成為目前國內外研究的重點和難點。

（二）斷面巖石掘進機滾刀布置設計

實現全斷面巖石掘進機性能最優的有效手段之一就是優化滾刀布置結構，設計滾刀結構不僅要結合復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。因為滾刀布置與刀盤結構的設計存在很多方面的關聯性，所以在進行滾刀布置的設計時，也要將刀盤結構的設計要求盡可能多的考慮進去。隨著地下空間資源開發利用進程的加快，掘進機被應用于更為復雜的地質環境中，這使得滾刀布置的設計受到更多方面的影響，要符合更多條件的要求，給設計人員帶來了巨大的挑戰和考驗。

針對滾刀布置設計的研究主要有刀間距設計和滾刀平面布置設計兩個方面。刀間距就是相鄰的兩個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。現階段國內外學者主要結合數值仿真和物理實驗這兩方面的結果來對刀間距展開研究，通過這些研究也提出了一些有意義的觀點。受到技術封鎖的影響，針對滾刀平面布置規律方面的研究在國內外都很少。滾刀平面布置設計不僅要符合幾何約束和力學平衡約束的要求，還要將復雜多變的巖石邊界條件、刀具與巖石相互作用關系等因素考慮進去，從而構建出符合具體情況要求的滾刀平面布置優化模型。要通過對先進的觀點、研究方法和實驗工具的運用，探索出滾刀平面布置在復雜巖石邊界條件下的設計方法，找到滾刀平面布置的規律。

（三）斷面巖石掘進機滾刀布置設計的優化方法

刀盤設計中滾刀布置設計中包含多種類型的滾刀，如中心刀、正邊刀和邊刀，同時在滾刀布置設計過程中需考慮刀盤結構制造裝配要求，目前，研究復雜工程優化問題的主要有啟發式算法、數學規劃法、圖論法、協同進化以及人機結合等方法。其中，協同進化法是近十幾年來在協同進化論基礎上提出的一種新的進化算法，最早由Hillis于1990年提出。這種方法通過對自然界物種之間的競爭、捕食、共生等關系的模擬展示，將整個生態系統由低級向高級進化的過程再現出來，并采用與之相似的方式進行問題求解。根據使用的生物模型，可分為競爭式協同進化法、基于捕食—獵物機制的協同進化法、合作式協同進化法。目前協同進化方法已被應用于解決復雜工程問題，被認為是一種處理復雜問題很有前途的設計框架。其中合作式協同進化法更側重于群體間互利共生的協同機制研究，它與斷面巖石掘進機滾刀布置問題中的各個設計環節的優化有著本質的相似性，因而筆者主要采用究合作式協同進化法來解決斷面巖石掘進機滾刀布置問題。

筆者通過對國內外相關文獻的查閱和研究，以及向專業人士請教相關方面的知識，與其討論和探索，同時結合了合作式協同進化法，針對斷面巖石掘進機滾刀布置設計的優化方法提出了一些建設性的措施。

1將滾刀直徑載荷最小化，盡量使其垂直于刀盤回轉軸線；

2平衡刀盤受力，實現傾覆力矩最小化；

3控制刀間距，實現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合理規劃滾刀位置，確保在實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量分布均勻，讓刀盤勻速運轉；

8確保刀盤的強度和剛度都達到標準，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。

結語

盡管我國目前還不能自主研發全斷面巖石掘進機，但只要能在引進國外先進技術的同時，積極主動地研究和探索其工作原理和制造方法，一定能在該項目的研究上取得突破性進展。同時，在國家的大力支持和技術人員的不斷努力下，我國真正掌握該領域的核心技術指日可待，這必將促進我國建筑行業的發展，為我國的現代化建設提供巨大的動力。

參考文獻

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[2]張斌.全斷面巖石掘進機刀具磨損研究及刀具布局優化[D].2013（11）.

[3]鄭心揚.全斷面巖石掘進機滾刀布置的優化方法[J].科技創業家，2014（02）.

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