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刘金书: 按下隧道挖掘的“快进键”

2018-07-10 10:41 来源:科技日报 本报记者 矫 阳

  刘金书,生于1978年,籍贯河北,系中国铁建重工集团特种装备研究设计院副院长、高级工程师。2010年至2012年,她主持完成了HPS系列混凝土喷射台车研制工作,该产品主要技术性能达到国际先进水平,被评为中国重大技术装备首台(套)示范项目。

  在以男性为主导的隧道施工装备领域,一位女工程师会格外显眼。在中国铁建重工集团,有位名叫刘金书的女工程师十分出众,但她的出众却不是因为性别,而是凭借傲人的成果。

  第一眼见到刘金书,只觉得她面庞白皙、略显文弱。细问才知,这位40岁的女工程师曾做出令世界震惊的装备——掘锚同步机。

  2017年国庆节期间,刘金书团队研制的煤矿护盾式快速掘锚装备成功交付。这是全球首台能实现掘进、锚护同步作业的装备,解决了同类装备掘进、锚护不能同步作业的世界性难题。

  最近,刘金书团队又传出喜讯。经过技术攻关,他们成功实现了凿岩台车、喷射台车等单机设备的机器人化。

  从进入工程机械行业至今,刘金书在隧道施工装备领域已耕耘10年。“让国产重型工业装备更自主、更具核心竞争力,这是我一直以来的努力方向。”7月4日,刘金书在接受科技日报记者采访时说。

  做中国自己的煤机装备

  恶补短板,“门外汉”变“内行人”

  刘金书结缘掘锚机是在6年前。

  2012年4月,中国铁建重工集团决定研制自主掘锚机,领导把这个任务交给了刘金书。当时,我国已是煤机装备需求的第一大国,相关设备的市场潜力巨大,但在役的掘锚机全部来自进口。而且,由于进口掘锚机价格昂贵、交货期长,配件供应不及时,因此时常影响施工进度。

  “不能一直受制于人,我们必须做自己的掘锚机。”刘金书暗下决心。

  说来简单做来难。研究生毕业参加工作后,学机械电子工程专业的刘金书已积累了一些产品设计方面的经验,但对掘锚机,她还是一个地地道道的“门外汉”。

  而她要研发的掘锚机是挖煤的专用工程机械,有7000多个零部件:从履带板、减速机,到截割滚筒、超前钻机……制造掘锚机绝不是将它们简单地拼起来,而是要弄懂、弄通机械结构的设计逻辑,按照设计原理将它们系统地组合起来。

  “当时,国外企业并不向我们提供设计图纸,团队上下只能依葫芦画瓢。”那段时间,刘金书和团队白天看国外的设备,琢磨它的构造和设计思路;晚上则集体讨论、开展“头脑风暴”,大家一起商量着画图纸。但即便如此,团队依旧复原不了国外产品的设计思路。

  要摸到门道,光靠看是远远不够的,必须要从基础学起。刘金书搬来一摞摞的资料和参考书,从煤矿领域的设计规范起步,开始一项一项细抠。

  其中,截割滚筒里的减速机就是刘金书啃下的一块“硬骨头”。截割滚筒里的减速机是掘锚机的一个核心部件。如果要让截割滚筒实现自由控制伸缩,其内部就必须通上液压油道。“油道对液压的清洁度要求非常高,一般做减速机的厂家都不会配备专业的液压人员,更不会对清洁度给予足够的重视。”刘金书说。

  为了避免返工,刘金书在定好方案并做出设计图后,于2013年底只身前往南京配套厂家,蹲守现场开展指导工作,并与厂家共同进行试验测试。

  这一待就是一个多月。经过不断的修正与调试,最终使产品达到了预定要求,可她却因此差点没赶上年夜饭。“正是这样一个一个结去打通,我们终于揭开了掘锚机的设计谜底。”刘金书也由此变成了掘锚机的“内行人”。

  让“掘”与“锚”完美配合

  1000多张图纸见证新纪录诞生

  掘锚机的两大组成部分掘进机和锚杆机分别承担不同工作,掘进机主要负责挖掘和掘进工作,而锚杆机则负责锚固和支护打出来的隧道。

  实现“掘”与“锚”同步,让两者并行工作,并实现高效作业,是掘锚机发展的重要方向。而以往进口的掘锚机,无法实现掘锚同步,总掘进时间中有2/3以上要用于锚护,严重影响开采进度。

  “刚接到任务时,用户也只要求把‘掘’与‘锚’的功能合为一体,只要能提高掘进速度即可。后来,为提高煤矿巷道施工效率,用户提出实现掘锚一体化的要求。”刘金书解释说,掘锚同步施工,就是谁也不用等谁,掘进时再也不用给锚护预留时间。

  实现掘锚同步,时间匹配是关键。于是,在长达6个多星期的时间里,刘金书和同事每天的工作就是拿着秒表,一次又一次地进行测试。截割滚筒掘进一个循环,需要多少时间;单个锚杆进行锚护,需要多少时间;12个锚杆机哪个先打、哪个后打……经过100多次试验,在对比了上千组数据后,最终得到了最完美的匹配时间。

  在完成掘锚无缝匹配的过程中,刘金书带领团队成员解决了一个又一个技术难题,前后花了2年多时间。锚护出现卡钻时,为了不影响掘进的进度,他们设计了一个滑移架,为处理卡钻留出“时间差”;借用全断面隧道掘进机护盾式理念,结合煤矿实际施工工况创新优化设计,他们为煤矿掘锚机装上了可伸缩的“盾牌”,让空顶距离由普通煤矿掘进机的5、6米缩减到1米多,最大限度保障了煤矿巷道的采掘安全……

  “如今回想起来,才觉得那时是真的苦。”在刘金书的电脑里,存有1000多张二维图纸以及修改过无数次的三维图纸,这些都是全球首台煤矿护盾式快速掘锚机“从无到有的见证”。

  成功如约而至。2016年8月,样机在陕西神木孙营岔一矿煤矿开展工业试验,创下月进尺4000米的纪录。

  目前,首台护盾式快速掘锚机正在许多工地上大展身手。掘锚同步的平均月进尺可达3500米,而国外掘锚设备月进尺最多只有700米。

  向无人化作业目标进发

  综合先进技术改进传统施工方式

  “这辈子,我要与隧道施工装备相伴一生了。”刘金书笑着说,她和这些装备待在一起的时间比家人都多。

  如今,刘金书正琢磨着,是否能让这些隧道施工装备变得更高效、环保。

  目前,我国90%以上的隧道施工仍采用传统人工钻爆法,这种方式施工速度慢、安全系数低,还会导致环境污染。

  刘金书透露,他们正在尝试采用虚拟设计、仿真、人工智能等先进技术,给每台装备都赋予机器人特征,最终实现隧道内无人数字化作业。

  “国内现有的凿岩台车、拱架作业车、锚杆台车、喷射台车等钻爆法隧道施工产品多是单机作业,协同效率低。”刘金书和团队通过技术攻关,让单机设备实现自动定位、智能作业、自动修正等功能。

  在实现了这些单机设备机器人化后,刘金书告诉科技日报记者,下一步他们将从单机机器人向隧道智能建造作业机群进军。

  “想要实现这一目标,不是装几个传感器就行的。每条隧道地质工况迥异,让不同功能的设备各司其职、互不干预、互相协同,又能自动适应千变万化的施工工况和作业环境,是一项非常复杂的系统工程。”刘金书说。

  “我们团队将应用信息技术、自动化技术和人工智能等技术手段,让隧道施工装备智能机群系统早日得到推广应用。”刘金书说。

  (题图 刘金书在检查隧道湿喷机的装配情况)

(责任编辑:王蔚)

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