劉金書：按下隧道挖掘的“快進(jìn)鍵”

矯陽(yáng)

在以男性為主導(dǎo)的隧道施工裝備領(lǐng)域，一位女工程師會(huì)格外顯眼。在中國(guó)鐵建重工集團(tuán)，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?yàn)樾詣e，而是憑借傲人的成果。

第一眼見到劉金書，只覺(jué)得她面龐白皙、略顯文弱。細(xì)問(wèn)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(jī)。

2017年國(guó)慶節(jié)期間，劉金書團(tuán)隊(duì)研制的煤礦護(hù)盾式快速掘錨裝備成功交付。這是全球首臺(tái)能實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、錨護(hù)同步作業(yè)的裝備，解決了同類裝備掘進(jìn)、錨護(hù)不能同步作業(yè)的世界性難題。

從進(jìn)入工程機(jī)械行業(yè)至今，劉金書在隧道施工裝備領(lǐng)域已耕耘10年?！白寚?guó)產(chǎn)重型工業(yè)裝備更自主、更具核心競(jìng)爭(zhēng)力，這是我一直以來(lái)的努力方向。”劉金書說(shuō)。

“門外漢”變“內(nèi)行人”

劉金書結(jié)緣掘錨機(jī)是在6年前。2012年4月，中國(guó)鐵建重工集團(tuán)決定研制自主掘錨機(jī)，領(lǐng)導(dǎo)把這個(gè)任務(wù)交給了劉金書。當(dāng)時(shí)，我國(guó)已是煤機(jī)裝備需求的第一大國(guó)，相關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)潛力巨大，但在役的掘錨機(jī)全部來(lái)自進(jìn)口。而且，由于進(jìn)口掘錨機(jī)價(jià)格昂貴、交貨期長(zhǎng)，配件供應(yīng)不及時(shí)，因此時(shí)常影響施工進(jìn)度。

“不能一直受制于人，我們必須做自己的掘錨機(jī)。”劉金書暗下決心。

說(shuō)時(shí)容易做時(shí)難。研究生畢業(yè)參加工作后，學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)的劉金書已積累了一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)掘錨機(jī)，她還是一個(gè)地地道道的“門外漢”。掘錨機(jī)是挖煤的專用工程機(jī)械，有7 000多個(gè)零部件：從履帶板、減速機(jī)，到截割滾筒、超前鉆機(jī)……制造掘錨機(jī)絕不是將這些部件簡(jiǎn)單地拼起來(lái)，而是要弄懂、弄通機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)邏輯，按照設(shè)計(jì)原理將它們系統(tǒng)地組合起來(lái)。

“當(dāng)時(shí)，國(guó)外企業(yè)并不向我們提供設(shè)計(jì)圖紙，團(tuán)隊(duì)上下只能依葫蘆畫瓢?！蹦嵌螘r(shí)間，劉金書和團(tuán)隊(duì)白天看國(guó)外的設(shè)備，琢磨它的構(gòu)造和設(shè)計(jì)思路；晚上則集體討論、開展“頭腦風(fēng)暴”，大家一起商量著設(shè)計(jì)圖紙，但即便如此，團(tuán)隊(duì)依舊復(fù)原不了國(guó)外產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路。

要摸到門道，光靠看是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須要從基礎(chǔ)學(xué)起。劉金書搬來(lái)一摞摞的資料和參考書，從煤礦領(lǐng)域的設(shè)計(jì)規(guī)范起步，開始一項(xiàng)一項(xiàng)細(xì)摳。

其中，截割滾筒里的減速機(jī)就是劉金書啃下的一塊“硬骨頭”。截割滾筒里的減速機(jī)是掘錨機(jī)的一個(gè)核心部件。如果要讓截割滾筒實(shí)現(xiàn)自由控制伸縮，其內(nèi)部就必須通上液壓油道?！坝偷缹?duì)液壓的清潔度要求非常高，一般做減速機(jī)的廠家都不會(huì)配備專業(yè)的液壓人員，更不會(huì)對(duì)清潔度給予足夠的重視?！眲⒔饡f(shuō)。

為了避免返工，劉金書在定好方案并作出設(shè)計(jì)圖后，于2013年底只身前往南京配套廠家，蹲守現(xiàn)場(chǎng)開展指導(dǎo)工作，并與廠家一起進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

這一待就是一個(gè)多月。經(jīng)過(guò)不斷的修正與調(diào)試，最終使產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)定要求，可她卻因此差點(diǎn)沒(méi)趕上年夜飯?！罢沁@樣一個(gè)一個(gè)結(jié)去打通，我們終于揭開了掘錨機(jī)的設(shè)計(jì)謎底。”劉金書也由此變成了研制掘錨機(jī)的“內(nèi)行人”。

讓“掘”與“錨”完美配合

掘錨機(jī)的兩大組成部分掘進(jìn)機(jī)和錨桿機(jī)分別承擔(dān)不同工作，掘進(jìn)機(jī)主要負(fù)責(zé)挖掘和掘進(jìn)工作，而錨桿機(jī)則負(fù)責(zé)錨固和支護(hù)打出來(lái)的隧道。

實(shí)現(xiàn)“掘”與“錨”同步，讓兩者并行工作，并實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)，是掘錨機(jī)發(fā)展的重要方向。而以往進(jìn)口的掘錨機(jī)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)掘錨同步，總掘進(jìn)時(shí)間中有2/3以上要用于錨護(hù)，嚴(yán)重影響開采進(jìn)度。

“剛接到任務(wù)時(shí)，用戶也只要求把‘掘與‘錨的功能合為一體，只要能提高掘進(jìn)速度即可。后來(lái)，為提高煤礦巷道施工效率，用戶提出實(shí)現(xiàn)掘錨一體化的要求。”劉金書解釋說(shuō)，掘錨同步施工，就是誰(shuí)也不用等誰(shuí)，掘進(jìn)時(shí)再也不用給錨護(hù)預(yù)留時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)掘錨同步，時(shí)間匹配是關(guān)鍵。于是，在長(zhǎng)達(dá)六周的時(shí)間里，劉金書和同事每天的工作就是拿著秒表，一次又一次地進(jìn)行測(cè)試。截割滾筒掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)，需要多少時(shí)間；單個(gè)錨桿進(jìn)行錨護(hù)，需要多少時(shí)間；12個(gè)錨桿機(jī)哪個(gè)先打、哪個(gè)后打……經(jīng)過(guò)100多次試驗(yàn)，在對(duì)比了上千組數(shù)據(jù)后，最終得到了完美的匹配時(shí)間。

在完成掘錨無(wú)縫匹配的過(guò)程中，劉金書帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員解決了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題，前后花了兩年多時(shí)間。“如今回想起來(lái)，才覺(jué)得那時(shí)是真的苦?！痹趧⒔饡碾娔X里，存有一千多張二維圖紙以及修改過(guò)無(wú)數(shù)次的三維圖紙，這些都是全球首臺(tái)煤礦護(hù)盾式快速掘錨機(jī)“從無(wú)到有的見證”。

成功如約而至。2016年8月，樣機(jī)在陜西神木孫營(yíng)岔一礦煤礦開展工業(yè)試驗(yàn)，創(chuàng)下月進(jìn)尺4 000米的紀(jì)錄。

目前，首臺(tái)護(hù)盾式快速掘錨機(jī)正在許多工地上大展身手。掘錨同步的平均月進(jìn)尺可達(dá)3 500米，而國(guó)外掘錨設(shè)備月進(jìn)尺最多只有700米。

向無(wú)人化作業(yè)目標(biāo)進(jìn)發(fā)

“這輩子，我要與隧道施工裝備相伴一生了。”劉金書笑著說(shuō)，她和這些裝備待在一起的時(shí)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(huán)保。

目前，我國(guó)90%以上的隧道施工仍采用傳統(tǒng)人工鉆爆法，這種方式施工速度慢、安全系數(shù)低，還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。

劉金書透露，他們正在嘗試采用虛擬設(shè)計(jì)、仿真、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，給每臺(tái)裝備都賦予機(jī)器人特征，最終實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)無(wú)人數(shù)字化作業(yè)。

“國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鑿巖臺(tái)車、拱架作業(yè)車、錨桿臺(tái)車、噴射臺(tái)車等鉆爆法隧道施工產(chǎn)品多是單機(jī)作業(yè)，協(xié)同效率低。”劉金書和團(tuán)隊(duì)通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，讓單機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、智能作業(yè)、自動(dòng)修正等功能。

在實(shí)現(xiàn)了這些單機(jī)設(shè)備機(jī)器人化后，劉金書表示，下一步他們將從單機(jī)機(jī)器人向隧道智能建造作業(yè)機(jī)群進(jìn)軍。

“想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不是裝幾個(gè)傳感器就行的。每條隧道地質(zhì)工況迥異，讓不同功能的設(shè)備各司其職、互不干預(yù)、互相協(xié)同，又能自動(dòng)適應(yīng)千變?nèi)f化的施工工況和作業(yè)環(huán)境，是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程?！眲⒔饡f(shuō)。

“我們團(tuán)隊(duì)最大的愿望是利用應(yīng)用信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和人工智能等技術(shù)手段，讓隧道施工裝備智能機(jī)群系統(tǒng)早日得到推廣應(yīng)用?！眲⒔饡f(shuō)。