刘金书： 按下隧道挖掘的“快进键”

　　人物简介
　　刘金书：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。主持完成了HPS系列混凝土喷射台车研制工作。

　　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。”

　　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。