劉金書：按下隧道挖掘的“快進鍵”

矯陽

在以男性為主導的隧道施工裝備領域，一位女工程師會格外顯眼。在中國鐵建重工集團，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為性別，而是憑借傲人的成果。

第一眼見到劉金書，只覺得她面龐白皙、略顯文弱。細問才知，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。

2017年國慶節期間，劉金書團隊研制的煤礦護盾式快速掘錨裝備成功交付。這是全球首臺能實現掘進、錨護同步作業的裝備，解決了同類裝備掘進、錨護不能同步作業的世界性難題。

從進入工程機械行業至今，劉金書在隧道施工裝備領域已耕耘10年。“讓國產重型工業裝備更自主、更具核心競爭力，這是我一直以來的努力方向。”劉金書說。

“門外漢”變“內行人”

劉金書結緣掘錨機是在6年前。2012年4月，中國鐵建重工集團決定研制自主掘錨機，領導把這個任務交給了劉金書。當時，我國已是煤機裝備需求的第一大國，相關設備的市場潛力巨大，但在役的掘錨機全部來自進口。而且，由于進口掘錨機價格昂貴、交貨期長，配件供應不及時，因此時常影響施工進度。

“不能一直受制于人，我們必須做自己的掘錨機。”劉金書暗下決心。

說時容易做時難。研究生畢業參加工作后，學機械電子工程專業的劉金書已積累了一些產品設計方面的經驗，但對掘錨機，她還是一個地地道道的“門外漢”。掘錨機是挖煤的專用工程機械，有7 000多個零部件：從履帶板、減速機，到截割滾筒、超前鉆機……制造掘錨機絕不是將這些部件簡單地拼起來，而是要弄懂、弄通機械結構的設計邏輯，按照設計原理將它們系統地組合起來。

“當時，國外企業并不向我們提供設計圖紙，團隊上下只能依葫蘆畫瓢。”那段時間，劉金書和團隊白天看國外的設備，琢磨它的構造和設計思路；晚上則集體討論、開展“頭腦風暴”，大家一起商量著設計圖紙，但即便如此，團隊依舊復原不了國外產品的設計思路。

要摸到門道，光靠看是遠遠不夠的，必須要從基礎學起。劉金書搬來一摞摞的資料和參考書，從煤礦領域的設計規范起步，開始一項一項細摳。

其中，截割滾筒里的減速機就是劉金書啃下的一塊“硬骨頭”。截割滾筒里的減速機是掘錨機的一個核心部件。如果要讓截割滾筒實現自由控制伸縮，其內部就必須通上液壓油道。“油道對液壓的清潔度要求非常高，一般做減速機的廠家都不會配備專業的液壓人員，更不會對清潔度給予足夠的重視。”劉金書說。

為了避免返工，劉金書在定好方案并作出設計圖后，于2013年底只身前往南京配套廠家，蹲守現場開展指導工作，并與廠家一起進行試驗測試。

這一待就是一個多月。經過不斷的修正與調試，最終使產品達到了預定要求，可她卻因此差點沒趕上年夜飯。“正是這樣一個一個結去打通，我們終于揭開了掘錨機的設計謎底。”劉金書也由此變成了研制掘錨機的“內行人”。

讓“掘”與“錨”完美配合

掘錨機的兩大組成部分掘進機和錨桿機分別承擔不同工作，掘進機主要負責挖掘和掘進工作，而錨桿機則負責錨固和支護打出來的隧道。

實現“掘”與“錨”同步，讓兩者并行工作，并實現高效作業，是掘錨機發展的重要方向。而以往進口的掘錨機，無法實現掘錨同步，總掘進時間中有2/3以上要用于錨護，嚴重影響開采進度。

“剛接到任務時，用戶也只要求把‘掘與‘錨的功能合為一體，只要能提高掘進速度即可。后來，為提高煤礦巷道施工效率，用戶提出實現掘錨一體化的要求。”劉金書解釋說，掘錨同步施工，就是誰也不用等誰，掘進時再也不用給錨護預留時間。

實現掘錨同步，時間匹配是關鍵。于是，在長達六周的時間里，劉金書和同事每天的工作就是拿著秒表，一次又一次地進行測試。截割滾筒掘進一個循環，需要多少時間；單個錨桿進行錨護，需要多少時間；12個錨桿機哪個先打、哪個后打……經過100多次試驗，在對比了上千組數據后，最終得到了完美的匹配時間。

在完成掘錨無縫匹配的過程中，劉金書帶領團隊成員解決了一個又一個技術難題，前后花了兩年多時間。“如今回想起來，才覺得那時是真的苦。”在劉金書的電腦里，存有一千多張二維圖紙以及修改過無數次的三維圖紙，這些都是全球首臺煤礦護盾式快速掘錨機“從無到有的見證”。

成功如約而至。2016年8月，樣機在陜西神木孫營岔一礦煤礦開展工業試驗，創下月進尺4 000米的紀錄。

目前，首臺護盾式快速掘錨機正在許多工地上大展身手。掘錨同步的平均月進尺可達3 500米，而國外掘錨設備月進尺最多只有700米。

向無人化作業目標進發

“這輩子，我要與隧道施工裝備相伴一生了。”劉金書笑著說，她和這些裝備待在一起的時間比家人都多。

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、環保。

目前，我國90%以上的隧道施工仍采用傳統人工鉆爆法，這種方式施工速度慢、安全系數低，還會導致環境污染。

劉金書透露，他們正在嘗試采用虛擬設計、仿真、人工智能等先進技術，給每臺裝備都賦予機器人特征，最終實現隧道內無人數字化作業。

“國內現有的鑿巖臺車、拱架作業車、錨桿臺車、噴射臺車等鉆爆法隧道施工產品多是單機作業，協同效率低。”劉金書和團隊通過技術攻關，讓單機設備實現自動定位、智能作業、自動修正等功能。

在實現了這些單機設備機器人化后，劉金書表示，下一步他們將從單機機器人向隧道智能建造作業機群進軍。

“想要實現這一目標，不是裝幾個傳感器就行的。每條隧道地質工況迥異，讓不同功能的設備各司其職、互不干預、互相協同，又能自動適應千變萬化的施工工況和作業環境，是一項非常復雜的系統工程。”劉金書說。

“我們團隊最大的愿望是利用應用信息技術、自動化技術和人工智能等技術手段，讓隧道施工裝備智能機群系統早日得到推廣應用。”劉金書說。