全断面掘进机刀具的谱系化设计及查询推荐系统研究

　　摘要：随着全断面掘进机技术应用的增多，掘进机刀具快速发展，不仅数量多而且种类、形式多种多样，虽然满足了各种地层的开挖需要，但也使得刀具的管理、查询、选择和设计工作变得十分复杂和困难，因此亟需建立掘进机刀具查询推荐系统并梳理掘进机刀具谱系化设计思路。基于对刀具类型、特征和应用情况等信息的分析，从市场需求、谱系特征、演化脉络三个维度建立了全断面掘进机刀具的谱系;然后根据刀具的特征谱系，提出全断面掘进机刀具的编码规则，设计了全断面掘进机刀具的编码结构;基于MicrosoftVisualStudio建立了掘进机刀具查询推荐系统的Windows应用程序，包括刀具和工程实例查询模块、基于专家系统的全断面掘进机刀具推荐模块。研究成果不但有助于刀具制造商根据刀具的特征分类、刀具发展进程设计刀具，而且有助于工程技术人员运用查询推荐系统合理选择和配置刀具。

　　关键词：全断面掘进机;刀具;谱系化;查询推荐系统

　　引言全断面掘进机作为我国隧道工程施工的主流设备之一，具有环保、高效、安全、且对围岩扰动小等优点。掘进机刀具作为设备的关键部件，其选择和配置一直以来都是设计、施工技术人员关注的重点。由于全断面掘进机刀具种类繁多，其发展也日趋多样化，因此，对全断面掘进机刀具进行谱系化和刀具查询推荐系统的研究变得十分紧迫和更有意义。

　　机械工业论文范例： 浅谈数控加工中刀具选择和切削用量确定

　　产品的谱系主要由三个层面构成，即产品的市场需求，谱系产品以及谱系关系1]。当产品的纵向代系庞杂且横向产品多元化发展时，可通过谱系来表征产品的演进脉络、宏观分类以及发展趋势。产品的谱系化设计对分析产品发展趋势以及指导产品模块化设计具有重大意义。

　　目前，针对产品谱系化和查询推荐系统国内外的专家都有一些研究。在产品谱系化研究方面：楼俐等人以自动武器为研究对象，提出参照点法和模式划分法两种谱系模块划分方法;杨波等人将谱系理论引入产品设计，提出了产品谱系描述模型以及基于产品谱系的结构设计方法;张伶艳认为对产品进化谱系进行研究能够明确特定功能、性能需求下下层产品设计的思路，并能引导产品的创新设计。在查询推荐系统方面：英国DUNDEE大学研发的ITS系统可以根据算术逻辑方法和内部的数据库对数控刀具切削加工条件进行推荐;智能机械助手(SAM)是一种可根据不精确信息进行刀具推荐的模糊专家系统，由数据库、切削条件优化设计、刀具推荐等模块组成;刘赟基于专家系统建立了单条件和综合多因素的刀具智能推荐系统。

　　可见，目前尚未有学者对全断面掘进机刀具的谱系化设计进行研究，而关于刀具查询推荐系统的设计也大多局限在机械加工刀具上。全断面掘进机刀具种类繁多且发展也日趋多元化，对全断面掘进机刀具进行谱系化和查询推荐系统研究能有效帮助工程技术人员了解和掌握全断面掘进机刀具的特征分类、市场需求以及未来发展方向，有助于刀具制造商根据刀具的特征分类、刀具发展进程设计刀具，有助于工程技术人员运用查询推荐系统合理选择和配置刀具。

　　1全断面掘进机刀具的谱系化研究

　　谱系的思想最初源自生物进化遗传学，用于表达家族成员间的亲属关系以及特征遗传方式;随着不同学科的交叉、融合，由谱系概念衍生出来的谱系学渐渐在其他科学领域中应用，如语言学、哲学和遗传进化论。而谱系的含义也得以拓展，成为一种可用于描述具有历史演化继承关系事物的系统。因此在产品设计领域，谱系学法同样可以被借鉴使用9]。

　　1.1全断面掘进机刀具的谱系化设计

　　借鉴转向架产品的谱系设计思路1]，从市场需求、产品特征、演化脉络三个层面梳理并建立掘进机刀具产品的谱系信息图表，便于刀具制造商根据刀具的特征分类、刀具发展趋势设计刀具。

　　1.1.1全断面掘进机刀具产品需求谱系

　　产品的设计必须满足其使用要求，包括产品性能要求以及与工程相关的要求。工程相关要求有使用环境、工程地质条件、工程对象情况以及安全方面的考虑等。因此全断面掘进机产品需求可以从上述要求中确定，即可以将掘进机产品需求分为性能需求和工程需求。

　　性能需求主要包括掘进机类型、水平转弯半径、纵向爬坡能力、最大推力和刀盘转速等性能参数;工程需求主要体现在隧道设计、地层条件、工程安全等需求以及隧道职能等方面，各需求可根据实际情况进一步细化，即可得到全断面掘进机产品需求分类。掘进刀具作为全断面掘进机的核心部件之一，其必要的需求特征要素可以从全断面掘进机产品需求中提取。在全断面掘进机产品需求中工程地质条件、隧道的断面尺寸等因素对刀盘形式影响最大，从而在一定程度上决定了刀具配置，因此全断面掘进机刀具需求谱系应从地层需求和断面直径出发。

　　1.1.2全断面掘进机刀具产品特征谱系

　　目前，全断面掘进机刀具具有尺寸大、类型多、材质复杂的三个特点10。全断面掘进机刀具种类很多，从破岩角度看刀具有滚压破岩、切削破岩和辅助破岩等形式;从刀具安装连接方式上看又有插入式、焊接式和螺栓连接式三种;另外从刀具安装的位置和功能作用看有固定刀具、旋转刀具、超前刀具、外沿保护刀、背面保护刀等。因此可以从以上三个角度对掘进机刀具进行谱分类。然而按安装方式与位置功能来做谱分类难以体现刀具特征形式。因此，刀具特征谱系可从破岩形式出发进行谱化分类，并在此基础上进行详细分类。

　　1.1.3全断面掘进机刀具产品演化谱系

　　目前，国内市场掘进机刀具供应商众多，但多数厂家并不具备完善的研发体系，也很少对产品在工程中的性能表现进行监测记录并进行产品的更新和优化。许多厂商并没有形成面向市场的系列化、标准化产品，因此整体而言全断面掘进机刀具还未形成明确的产品演化谱系。这里只对全断面掘进机刀具中的盘形滚刀和硬质合金刀具演化谱系进行研究。

　　国内的盘型滚刀为了适应不同地层强度的需求，主要向大直径、高耐磨、高承载力的方向发展。硬质合金刀具主要包括切削刀具和辅助刀具，产品演化过程主要体现在硬质合金材料及钎焊材料的选择上。在软硬不均地层和砂卵石地层，刀具将会承受高频的冲击载荷，常规牌号的钨钴类硬质合金(G11C、G13C、G15C)已经难以满足工程需求而经常出现崩刃和掉刃的情况。为提高冲击韧性和耐磨性，刀具的硬质合金朝着梯度硬质合金和超粗晶粒方向发展。同时，硬质合金刀具的钎焊材料也在不断改进，从早期采用的铜基钎料，到后来使用的银基钎料(流动性较好)，一直到现在开始采用的“三明治”形式的钎焊材料(为适应钎焊面积较大的硬质合金刀具)。

　　总之，不管是盘形滚刀还是硬质合金刀具，为满足复杂的工程地质条件，在产品演化发展上看，都是朝着高抗冲击性、高耐磨性和长寿命方向发展。

　　1.1.4全断面掘进机刀具产品谱系构建将上文建立的掘进机刀具需求谱系、演化脉络谱系以及特征谱系进行整合，最终形成如图所示的掘进机刀具产品综合谱系。该信息图以产品需求谱系作为顶层设计，根据目标工程的地质条件确定所需要的刀盘形式及刀具配置，从而明确目标新刀具的谱系位置;而根据现有刀具产品功能特点和性能参数所构建的特征谱系可以为新产品的设计和优化提供实例库和基础模板;而全断面刀具的演化脉络谱系则指明了刀具的发展趋势，为产品更新换代及创新设计提供方向。该综合谱系集成大量的掘进刀具需求关系、特征分类以及发展方向的信息，可方便快捷地为刀具设计人员提供全面的参考。然而刀具的谱系化设计是一个动态发展过程，会根据刀具材料工艺、制造技术等的发展而改变，与此同时，全断面掘进机刀具的谱系也得以延续和丰富。

　　1.2全断面掘进机刀具编码设计为方便对全断面掘进机刀具进行选型设计、配置以及刀具管理，同时也是为了方便建立刀具查询推荐系统，首先须对全断面掘进机刀具进行编码设计。根据掘进机刀具产品特征谱系的研究内容，参考《盾构切削刀具标准JBT118612014》中型号编制的相关内容，同时借鉴数控机床刀具的编码原则11，故全断面掘进机的编码设计采用混合编码结构。

　　2全断面掘进机刀具查询推荐系统的研究全断面掘进机刀具查询推荐系统以MicrosoftVisualStudio软件中的Windows窗体(由.NETFramework提供框架)作为开发平台，后台数据库由SQLServer软件建立。利用VisualStudio.NET的可视化设计功能设计Windows应用程序的用户界面。同时，查询推荐系统采用C#语言编程，构建可在.NETFramework上运行的各种安全、可靠的应用程序。

　　3结论与讨论

　　(1)从市场需求、产品特征、演化脉络三个层面梳理并建立了全断面掘进机刀具的谱系信息图表;同时提出了掘进机刀具的编码原则，并结合全断面掘进机刀具的特征谱系，对刀具的编码结构进行了设计。

　　(2)建立了全断面掘进机刀具查询推荐系统。查询模块分为刀具查询和工程实例查询。刀具查询可根据输入的刀具破岩形式、编号等关键参数查询相应刀具的材料性能、特征参数等方面的内容;工程实例查询可查询到已完工的工程实例数据，包括相应工程的工程地质、掘进机情况、刀具配置等方面的内容;全断面掘进机刀具推荐模块可根据使用者输入的工程地质参数、给出相应的刀具配置建议。

　　(3)本文在对全断面掘进机刀具产品谱系化设计和刀具查询推荐系统的研究中取得了一些进展，但还有一些问题需要进一步探索。首先，由于涉及到刀具发展演化的资料较少，因此对刀具演化脉络谱系的研究不够全面，还有待丰富和扩展。其次，尽管刀具推荐模块利用了专家系统思想，但知识库建立过程中只考虑了四种典型地层，且推荐模块输入参数较为单一，刀具推荐模块的深度和广度还有待进一步加强和扩充。

　　参考文献References

　　张海柱面向产品谱系的高速列车转向架定制设计方法研究[D].西南交通大学,2017ZhangHaizhu.Researchoncustomizeddesignmethodofhighspeedtrainbogieforproductgenealogy[D].

　　SouthwestJiaotongUniversity,2017楼俐徐诚张飞猛自动武器谱系模块划分算法的研究与应用[J].火力与指挥控制,2012,37(6):138143

　　LouLi,XuCheng,ZhangFeimeng.Researchandapplicationofmoduledivisionalgorithmforautomaticweaponpedigree[J].FirepowerandCommandControl,2012,37(6):138143

　　杨波高常青王伟李海涛基于产品系谱的概念结构多方案设计方法[J].组合机床与自动化加工技术,2012(3):610+16

　　YangBo,GaoChangqing,WangWei,LiHaitao.Multischemedesignmethodofconceptualstructurebasedonproductgenealogy[J].ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechnology,2012(3):610+16

　　作者：黄鸿颖，管会生，赵康，刘成