摘要：隨著全斷面掘進(jìn)機(jī)技術(shù)應(yīng)用的增多，掘進(jìn)機(jī)刀具快速發(fā)展，不僅數(shù)量多而且種類、形式多種多樣，雖然滿足了各種地層的開挖需要，但也使得刀具的管理、查詢、選擇和設(shè)計工作變得十分復(fù)雜和困難，因此亟需建立掘進(jìn)機(jī)刀具查詢推薦系統(tǒng)并梳理掘進(jìn)機(jī)刀具譜系化設(shè)計思路。基于對刀具類型、特征和應(yīng)用情況等信息的分析，從市場需求、譜系特征、演化脈絡(luò)三個維度建立了全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的譜系;然后根據(jù)刀具的特征譜系，提出全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的編碼規(guī)則，設(shè)計了全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的編碼結(jié)構(gòu);基于MicrosoftVisualStudio建立了掘進(jìn)機(jī)刀具查詢推薦系統(tǒng)的Windows應(yīng)用程序，包括刀具和工程實例查詢模塊、基于專家系統(tǒng)的全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具推薦模塊。研究成果不但有助于刀具制造商根據(jù)刀具的特征分類、刀具發(fā)展進(jìn)程設(shè)計刀具，而且有助于工程技術(shù)人員運用查詢推薦系統(tǒng)合理選擇和配置刀具。

　　關(guān)鍵詞：全斷面掘進(jìn)機(jī);刀具;譜系化;查詢推薦系統(tǒng)

　　引言全斷面掘進(jìn)機(jī)作為我國隧道工程施工的主流設(shè)備之一，具有環(huán)保、高效、安全、且對圍巖擾動小等優(yōu)點。掘進(jìn)機(jī)刀具作為設(shè)備的關(guān)鍵部件，其選擇和配置一直以來都是設(shè)計、施工技術(shù)人員關(guān)注的重點。由于全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具種類繁多，其發(fā)展也日趨多樣化，因此，對全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具進(jìn)行譜系化和刀具查詢推薦系統(tǒng)的研究變得十分緊迫和更有意義。

　　機(jī)械工業(yè)論文范例： 淺談數(shù)控加工中刀具選擇和切削用量確定

　　產(chǎn)品的譜系主要由三個層面構(gòu)成，即產(chǎn)品的市場需求，譜系產(chǎn)品以及譜系關(guān)系1]。當(dāng)產(chǎn)品的縱向代系龐雜且橫向產(chǎn)品多元化發(fā)展時，可通過譜系來表征產(chǎn)品的演進(jìn)脈絡(luò)、宏觀分類以及發(fā)展趨勢。產(chǎn)品的譜系化設(shè)計對分析產(chǎn)品發(fā)展趨勢以及指導(dǎo)產(chǎn)品模塊化設(shè)計具有重大意義。

　　目前，針對產(chǎn)品譜系化和查詢推薦系統(tǒng)國內(nèi)外的專家都有一些研究。在產(chǎn)品譜系化研究方面：樓俐等人以自動武器為研究對象，提出參照點法和模式劃分法兩種譜系模塊劃分方法;楊波等人將譜系理論引入產(chǎn)品設(shè)計，提出了產(chǎn)品譜系描述模型以及基于產(chǎn)品譜系的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法;張伶艷認(rèn)為對產(chǎn)品進(jìn)化譜系進(jìn)行研究能夠明確特定功能、性能需求下下層產(chǎn)品設(shè)計的思路，并能引導(dǎo)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。在查詢推薦系統(tǒng)方面：英國DUNDEE大學(xué)研發(fā)的ITS系統(tǒng)可以根據(jù)算術(shù)邏輯方法和內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫對數(shù)控刀具切削加工條件進(jìn)行推薦;智能機(jī)械助手(SAM)是一種可根據(jù)不精確信息進(jìn)行刀具推薦的模糊專家系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)庫、切削條件優(yōu)化設(shè)計、刀具推薦等模塊組成;劉赟基于專家系統(tǒng)建立了單條件和綜合多因素的刀具智能推薦系統(tǒng)。

　　可見，目前尚未有學(xué)者對全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的譜系化設(shè)計進(jìn)行研究，而關(guān)于刀具查詢推薦系統(tǒng)的設(shè)計也大多局限在機(jī)械加工刀具上。全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具種類繁多且發(fā)展也日趨多元化，對全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具進(jìn)行譜系化和查詢推薦系統(tǒng)研究能有效幫助工程技術(shù)人員了解和掌握全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的特征分類、市場需求以及未來發(fā)展方向，有助于刀具制造商根據(jù)刀具的特征分類、刀具發(fā)展進(jìn)程設(shè)計刀具，有助于工程技術(shù)人員運用查詢推薦系統(tǒng)合理選擇和配置刀具。

　　1全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的譜系化研究

　　譜系的思想最初源自生物進(jìn)化遺傳學(xué)，用于表達(dá)家族成員間的親屬關(guān)系以及特征遺傳方式;隨著不同學(xué)科的交叉、融合，由譜系概念衍生出來的譜系學(xué)漸漸在其他科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用，如語言學(xué)、哲學(xué)和遺傳進(jìn)化論。而譜系的含義也得以拓展，成為一種可用于描述具有歷史演化繼承關(guān)系事物的系統(tǒng)。因此在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，譜系學(xué)法同樣可以被借鑒使用9]。

　　1.1全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的譜系化設(shè)計

　　借鑒轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品的譜系設(shè)計思路1]，從市場需求、產(chǎn)品特征、演化脈絡(luò)三個層面梳理并建立掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品的譜系信息圖表，便于刀具制造商根據(jù)刀具的特征分類、刀具發(fā)展趨勢設(shè)計刀具。

　　1.1.1全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品需求譜系

　　產(chǎn)品的設(shè)計必須滿足其使用要求，包括產(chǎn)品性能要求以及與工程相關(guān)的要求。工程相關(guān)要求有使用環(huán)境、工程地質(zhì)條件、工程對象情況以及安全方面的考慮等。因此全斷面掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品需求可以從上述要求中確定，即可以將掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品需求分為性能需求和工程需求。

　　性能需求主要包括掘進(jìn)機(jī)類型、水平轉(zhuǎn)彎半徑、縱向爬坡能力、最大推力和刀盤轉(zhuǎn)速等性能參數(shù);工程需求主要體現(xiàn)在隧道設(shè)計、地層條件、工程安全等需求以及隧道職能等方面，各需求可根據(jù)實際情況進(jìn)一步細(xì)化，即可得到全斷面掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品需求分類。掘進(jìn)刀具作為全斷面掘進(jìn)機(jī)的核心部件之一，其必要的需求特征要素可以從全斷面掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品需求中提取。在全斷面掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品需求中工程地質(zhì)條件、隧道的斷面尺寸等因素對刀盤形式影響最大，從而在一定程度上決定了刀具配置，因此全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具需求譜系應(yīng)從地層需求和斷面直徑出發(fā)。

　　1.1.2全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品特征譜系

　　目前，全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具具有尺寸大、類型多、材質(zhì)復(fù)雜的三個特點10。全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具種類很多，從破巖角度看刀具有滾壓破巖、切削破巖和輔助破巖等形式;從刀具安裝連接方式上看又有插入式、焊接式和螺栓連接式三種;另外從刀具安裝的位置和功能作用看有固定刀具、旋轉(zhuǎn)刀具、超前刀具、外沿保護(hù)刀、背面保護(hù)刀等。因此可以從以上三個角度對掘進(jìn)機(jī)刀具進(jìn)行譜分類。然而按安裝方式與位置功能來做譜分類難以體現(xiàn)刀具特征形式。因此，刀具特征譜系可從破巖形式出發(fā)進(jìn)行譜化分類，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)分類。

　　1.1.3全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品演化譜系

　　目前，國內(nèi)市場掘進(jìn)機(jī)刀具供應(yīng)商眾多，但多數(shù)廠家并不具備完善的研發(fā)體系，也很少對產(chǎn)品在工程中的性能表現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)測記錄并進(jìn)行產(chǎn)品的更新和優(yōu)化。許多廠商并沒有形成面向市場的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，因此整體而言全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具還未形成明確的產(chǎn)品演化譜系。這里只對全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具中的盤形滾刀和硬質(zhì)合金刀具演化譜系進(jìn)行研究。

　　國內(nèi)的盤型滾刀為了適應(yīng)不同地層強(qiáng)度的需求，主要向大直徑、高耐磨、高承載力的方向發(fā)展。硬質(zhì)合金刀具主要包括切削刀具和輔助刀具，產(chǎn)品演化過程主要體現(xiàn)在硬質(zhì)合金材料及釬焊材料的選擇上。在軟硬不均地層和砂卵石地層，刀具將會承受高頻的沖擊載荷，常規(guī)牌號的鎢鈷類硬質(zhì)合金(G11C、G13C、G15C)已經(jīng)難以滿足工程需求而經(jīng)常出現(xiàn)崩刃和掉刃的情況。為提高沖擊韌性和耐磨性，刀具的硬質(zhì)合金朝著梯度硬質(zhì)合金和超粗晶粒方向發(fā)展。同時，硬質(zhì)合金刀具的釬焊材料也在不斷改進(jìn)，從早期采用的銅基釬料，到后來使用的銀基釬料(流動性較好)，一直到現(xiàn)在開始采用的“三明治”形式的釬焊材料(為適應(yīng)釬焊面積較大的硬質(zhì)合金刀具)。

　　總之，不管是盤形滾刀還是硬質(zhì)合金刀具，為滿足復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，在產(chǎn)品演化發(fā)展上看，都是朝著高抗沖擊性、高耐磨性和長壽命方向發(fā)展。

　　1.1.4全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品譜系構(gòu)建將上文建立的掘進(jìn)機(jī)刀具需求譜系、演化脈絡(luò)譜系以及特征譜系進(jìn)行整合，最終形成如圖所示的掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品綜合譜系。該信息圖以產(chǎn)品需求譜系作為頂層設(shè)計，根據(jù)目標(biāo)工程的地質(zhì)條件確定所需要的刀盤形式及刀具配置，從而明確目標(biāo)新刀具的譜系位置;而根據(jù)現(xiàn)有刀具產(chǎn)品功能特點和性能參數(shù)所構(gòu)建的特征譜系可以為新產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化提供實例庫和基礎(chǔ)模板;而全斷面刀具的演化脈絡(luò)譜系則指明了刀具的發(fā)展趨勢，為產(chǎn)品更新?lián)Q代及創(chuàng)新設(shè)計提供方向。該綜合譜系集成大量的掘進(jìn)刀具需求關(guān)系、特征分類以及發(fā)展方向的信息，可方便快捷地為刀具設(shè)計人員提供全面的參考。然而刀具的譜系化設(shè)計是一個動態(tài)發(fā)展過程，會根據(jù)刀具材料工藝、制造技術(shù)等的發(fā)展而改變，與此同時，全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的譜系也得以延續(xù)和豐富。

　　1.2全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具編碼設(shè)計為方便對全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具進(jìn)行選型設(shè)計、配置以及刀具管理，同時也是為了方便建立刀具查詢推薦系統(tǒng)，首先須對全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具進(jìn)行編碼設(shè)計。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品特征譜系的研究內(nèi)容，參考《盾構(gòu)切削刀具標(biāo)準(zhǔn)JBT118612014》中型號編制的相關(guān)內(nèi)容，同時借鑒數(shù)控機(jī)床刀具的編碼原則11，故全斷面掘進(jìn)機(jī)的編碼設(shè)計采用混合編碼結(jié)構(gòu)。

　　2全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具查詢推薦系統(tǒng)的研究全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具查詢推薦系統(tǒng)以MicrosoftVisualStudio軟件中的Windows窗體(由.NETFramework提供框架)作為開發(fā)平臺，后臺數(shù)據(jù)庫由SQLServer軟件建立。利用VisualStudio.NET的可視化設(shè)計功能設(shè)計Windows應(yīng)用程序的用戶界面。同時，查詢推薦系統(tǒng)采用C#語言編程，構(gòu)建可在.NETFramework上運行的各種安全、可靠的應(yīng)用程序。

　　3結(jié)論與討論

　　(1)從市場需求、產(chǎn)品特征、演化脈絡(luò)三個層面梳理并建立了全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的譜系信息圖表;同時提出了掘進(jìn)機(jī)刀具的編碼原則，并結(jié)合全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具的特征譜系，對刀具的編碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。

　　(2)建立了全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具查詢推薦系統(tǒng)。查詢模塊分為刀具查詢和工程實例查詢。刀具查詢可根據(jù)輸入的刀具破巖形式、編號等關(guān)鍵參數(shù)查詢相應(yīng)刀具的材料性能、特征參數(shù)等方面的內(nèi)容;工程實例查詢可查詢到已完工的工程實例數(shù)據(jù)，包括相應(yīng)工程的工程地質(zhì)、掘進(jìn)機(jī)情況、刀具配置等方面的內(nèi)容;全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具推薦模塊可根據(jù)使用者輸入的工程地質(zhì)參數(shù)、給出相應(yīng)的刀具配置建議。

　　(3)本文在對全斷面掘進(jìn)機(jī)刀具產(chǎn)品譜系化設(shè)計和刀具查詢推薦系統(tǒng)的研究中取得了一些進(jìn)展，但還有一些問題需要進(jìn)一步探索。首先，由于涉及到刀具發(fā)展演化的資料較少，因此對刀具演化脈絡(luò)譜系的研究不夠全面，還有待豐富和擴(kuò)展。其次，盡管刀具推薦模塊利用了專家系統(tǒng)思想，但知識庫建立過程中只考慮了四種典型地層，且推薦模塊輸入?yún)��?shù)較為單一，刀具推薦模塊的深度和廣度還有待進(jìn)一步加強(qiáng)和擴(kuò)充。

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　　作者：黃鴻穎，管會生，趙康，劉成