一、研究全断面岩石掘进机设计优化方法的意义和重要性

 

　　随着我国社会经济的发展，城市化的进程也在不断加快，地下空间资源的开发与利用逐渐引起了相关部门和建筑行业的重视，广阔的发展前景使得越来越多的建筑企业将部分资源投入到地下空间资源的开发利用中，而全断面岩石掘进机正是开发地下空间必不可少的机械设备。全断面岩石掘进机的设计结构非常复杂，要求设计人员具备相当高的技术水平，现阶段也只有美国、日本、德国、法国等少数发达国家的相关行业才具有这方面的设计能力。针对全断面岩石掘进机结构的设计制造在我国还处于起步阶段，我国目前建筑工程中使用的掘进机主要还是依靠进口。国外的掘进机在我国相关行业的市场中有95%以上的占有率，其对我国隧道掘进机市场的垄断和支配地位显著，这对我国建筑行业开发和利用地下空间资源非常不利。国家也在加大对全断面岩石掘进机设计制造的重视和投入，自2006年开始，就不断有针对全断面岩石掘进机自主研究，掌握核心技术等相关项目的文件颁布，加快我国自主研发全断面岩石掘进机的步伐，并将其产业化十分必要。

 

　　二、针对全断面岩石掘进机设计优化方案的研究

 

　　（一）研究重点

 

　　目前国内外学者从不同方面对全断面岩石掘进机滚刀布置和刀盘设计中存在的疑难问题进行了一系列研究和探讨。刀盘设计的理论依据是刀具与岩石相互作用的原理，滚刀布置和刀盘结构设计也是基于这一理论所构建的。如何针对各不相同的复杂的岩石边界条件，来进行对滚刀布置和刀盘结构的优化设计，使其能符合复杂多变的地质环境的要求，同时还能实现工作效率高、可靠性强、成本控制合理的目标，现已成为目前国内外研究的重点和难点。

 

　　（二）断面岩石掘进机滚刀布置设计

 

　　实现全断面岩石掘进机性能最优的有效手段之一就是优化滚刀布置结构，设计滚刀结构不仅要结合复杂多变的岩石边界情况，还必须将刀盘制造装配工艺要求以及铲斗、喷水孔、排碴开口、人孔通道等因素纳入考虑范围。因为滚刀布置与刀盘结构的设计存在很多方面的关联性，所以在进行滚刀布置的设计时，也要将刀盘结构的设计要求尽可能多的考虑进去。随着地下空间资源开发利用进程的加快，掘进机被应用于更为复杂的地质环境中，这使得滚刀布置的设计受到更多方面的影响，要符合更多条件的要求，给设计人员带来了巨大的挑战和考验。

 

　　针对滚刀布置设计的研究主要有刀间距设计和滚刀平面布置设计两个方面。刀间距就是相邻的两个刀具在直径上的最小距离。滚刀平面布置就是在确定了刀间距后，布置滚刀在刀盘上的方向。现阶段国内外学者主要结合数值仿真和物理实验这两方面的结果来对刀间距展开研究，通过这些研究也提出了一些有意义的观点。受到技术封锁的影响，针对滚刀平面布置规律方面的研究在国内外都很少。滚刀平面布置设计不仅要符合几何约束和力学平衡约束的要求，还要将复杂多变的岩石边界条件、刀具与岩石相互作用关系等因素考虑进去，从而构建出符合具体情况要求的滚刀平面布置优化模型。要通过对先进的观点、研究方法和实验工具的运用，探索出滚刀平面布置在复杂岩石边界条件下的设计方法，找到滚刀平面布置的规律。

 

　　（三）断面岩石掘进机滚刀布置设计的优化方法

 

　　刀盘设计中滚刀布置设计中包含多种类型的滚刀，如中心刀、正边刀和边刀，同时在滚刀布置设计过程中需考虑刀盘结构制造装配要求，目前，研究复杂工程优化问题的主要有启发式算法、数学规划法、图论法、协同进化以及人机结合等方法。其中，协同进化法是近十几年来在协同进化论基础上提出的一种新的进化算法，最早由Hillis于1990年提出。这种方法通过对自然界物种之间的竞争、捕食、共生等关系的模拟展示，将整个生态系统由低级向高级进化的过程再现出来，并采用与之相似的方式进行问题求解。根据使用的生物模型，可分为竞争式协同进化法、基于捕食—猎物机制的协同进化法、合作式协同进化法。目前协同进化方法已被应用于解决复杂工程问题，被认为是一种处理复杂问题很有前途的设计框架。其中合作式协同进化法更侧重于群体间互利共生的协同机制研究，它与断面岩石掘进机滚刀布置问题中的各个设计环节的优化有着本质的相似性，因而笔者主要采用究合作式协同进化法来解决断面岩石掘进机滚刀布置问题。

 

　　笔者通过对国内外相关文献的查阅和研究，以及向专业人士请教相关方面的知识，与其讨论和探索，同时结合了合作式协同进化法，针对断面岩石掘进机滚刀布置设计的优化方法提出了一些建设性的措施。

 

　　1将滚刀直径载荷最小化，尽量使其垂直于刀盘回转轴线；

 

　　2平衡刀盘受力，实现倾覆力矩最小化；

 

　　3控制刀间距，实现在破岩过程中相邻滚刀之间不存在未被连通的岩石的目的；

 

　　4合理规划滚刀位置，确保在实际施工中相邻滚刀按顺序破岩；

 

　　5将破岩量差异控制到最小，使每把刀具的破岩量尽可能相同，使用寿命基本保持一致；

 

　　6滚刀之间互不干涉，不超出刀盘的布置范围；

 

　　7保证所有滚刀在刀盘上的质量分布均匀，让刀盘匀速运转；

 

　　8确保刀盘的强度和刚度都达到标准，保证工作效率；

 

　　9提高刀盘装配的工艺水平，满足刀盘分格制造、刀盘入孔、出碴孔等要求。

 

 

　　尽管我国目前还不能自主研发全断面岩石掘进机，但只要能在引进国外先进技术的同时，积极主动地研究和探索其工作原理和制造方法，一定能在该项目的研究上取得突破性进展。同时，在国家的大力支持和技术人员的不断努力下，我国真正掌握该领域的核心技术指日可待，这必将促进我国建筑行业的发展，为我国的现代化建设提供巨大的动力。