摘要：隨著全斷面掘進機技術應用的增多，掘進機刀具快速發展，不僅數量多而且種類、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、選擇和設計工作變得十分復雜和困難，因此亟需建立掘進機刀具查詢推薦系統并梳理掘進機刀具譜系化設計思路。基于對刀具類型、特征和應用情況等信息的分析，從市場需求、譜系特征、演化脈絡三個維度建立了全斷面掘進機刀具的譜系;然后根據刀具的特征譜系，提出全斷面掘進機刀具的編碼規則，設計了全斷面掘進機刀具的編碼結構;基于MicrosoftVisualStudio建立了掘進機刀具查詢推薦系統的Windows應用程序，包括刀具和工程實例查詢模塊、基于專家系統的全斷面掘進機刀具推薦模塊。研究成果不但有助于刀具制造商根據刀具的特征分類、刀具發展進程設計刀具，而且有助于工程技術人員運用查詢推薦系統合理選擇和配置刀具。

　　關鍵詞：全斷面掘進機;刀具;譜系化;查詢推薦系統

　　引言全斷面掘進機作為我國隧道工程施工的主流設備之一，具有環保、高效、安全、且對圍巖擾動小等優點。掘進機刀具作為設備的關鍵部件，其選擇和配置一直以來都是設計、施工技術人員關注的重點。由于全斷面掘進機刀具種類繁多，其發展也日趨多樣化，因此，對全斷面掘進機刀具進行譜系化和刀具查詢推薦系統的研究變得十分緊迫和更有意義。

　　機械工業論文范例： 淺談數控加工中刀具選擇和切削用量確定

　　產品的譜系主要由三個層面構成，即產品的市場需求，譜系產品以及譜系關系1]。當產品的縱向代系龐雜且橫向產品多元化發展時，可通過譜系來表征產品的演進脈絡、宏觀分類以及發展趨勢。產品的譜系化設計對分析產品發展趨勢以及指導產品模塊化設計具有重大意義。

　　目前，針對產品譜系化和查詢推薦系統國內外的專家都有一些研究。在產品譜系化研究方面：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品設計，提出了產品譜系描述模型以及基于產品譜系的結構設計方法;張伶艷認為對產品進化譜系進行研究能夠明確特定功能、性能需求下下層產品設計的思路，并能引導產品的創新設計。在查詢推薦系統方面：英國DUNDEE大學研發的ITS系統可以根據算術邏輯方法和內部的數據庫對數控刀具切削加工條件進行推薦;智能機械助手(SAM)是一種可根據不精確信息進行刀具推薦的模糊專家系統，由數據庫、切削條件優化設計、刀具推薦等模塊組成;劉赟基于專家系統建立了單條件和綜合多因素的刀具智能推薦系統。

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

　　1全斷面掘進機刀具的譜系化研究

　　譜系的思想最初源自生物進化遺傳學，用于表達家族成員間的親屬關系以及特征遺傳方式;隨著不同學科的交叉、融合，由譜系概念衍生出來的譜系學漸漸在其他科學領域中應用，如語言學、哲學和遺傳進化論。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系事物的系統。因此在產品設計領域，譜系學法同樣可以被借鑒使用9]。

　　1.1全斷面掘進機刀具的譜系化設計

　　借鑒轉向架產品的譜系設計思路1]，從市場需求、產品特征、演化脈絡三個層面梳理并建立掘進機刀具產品的譜系信息圖表，便于刀具制造商根據刀具的特征分類、刀具發展趨勢設計刀具。

　　1.1.1全斷面掘進機刀具產品需求譜系

　　產品的設計必須滿足其使用要求，包括產品性能要求以及與工程相關的要求。工程相關要求有使用環境、工程地質條件、工程對象情況以及安全方面的考慮等。因此全斷面掘進機產品需求可以從上述要求中確定，即可以將掘進機產品需求分為性能需求和工程需求。

　　性能需求主要包括掘進機類型、水平轉彎半徑、縱向爬坡能力、最大推力和刀盤轉速等性能參數;工程需求主要體現在隧道設計、地層條件、工程安全等需求以及隧道職能等方面，各需求可根據實際情況進一步細化，即可得到全斷面掘進機產品需求分類。掘進刀具作為全斷面掘進機的核心部件之一，其必要的需求特征要素可以從全斷面掘進機產品需求中提取。在全斷面掘進機產品需求中工程地質條件、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，因此全斷面掘進機刀具需求譜系應從地層需求和斷面直徑出發。

　　1.1.2全斷面掘進機刀具產品特征譜系

　　目前，全斷面掘進機刀具具有尺寸大、類型多、材質復雜的三個特點10。全斷面掘進機刀具種類很多，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、旋轉刀具、超前刀具、外沿保護刀、背面保護刀等。因此可以從以上三個角度對掘進機刀具進行譜分類。然而按安裝方式與位置功能來做譜分類難以體現刀具特征形式。因此，刀具特征譜系可從破巖形式出發進行譜化分類，并在此基礎上進行詳細分類。

　　1.1.3全斷面掘進機刀具產品演化譜系

　　目前，國內市場掘進機刀具供應商眾多，但多數廠家并不具備完善的研發體系，也很少對產品在工程中的性能表現進行監測記錄并進行產品的更新和優化。許多廠商并沒有形成面向市場的系列化、標準化產品，因此整體而言全斷面掘進機刀具還未形成明確的產品演化譜系。這里只對全斷面掘進機刀具中的盤形滾刀和硬質合金刀具演化譜系進行研究。

　　國內的盤型滾刀為了適應不同地層強度的需求，主要向大直徑、高耐磨、高承載力的方向發展。硬質合金刀具主要包括切削刀具和輔助刀具，產品演化過程主要體現在硬質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，常規牌號的鎢鈷類硬質合金(G11C、G13C、G15C)已經難以滿足工程需求而經常出現崩刃和掉刃的情況。為提高沖擊韌性和耐磨性，刀具的硬質合金朝著梯度硬質合金和超粗晶粒方向發展。同時，硬質合金刀具的釬焊材料也在不斷改進，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)，一直到現在開始采用的“三明治”形式的釬焊材料(為適應釬焊面積較大的硬質合金刀具)。

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

　　1.1.4全斷面掘進機刀具產品譜系構建將上文建立的掘進機刀具需求譜系、演化脈絡譜系以及特征譜系進行整合，最終形成如圖所示的掘進機刀具產品綜合譜系。該信息圖以產品需求譜系作為頂層設計，根據目標工程的地質條件確定所需要的刀盤形式及刀具配置，從而明確目標新刀具的譜系位置;而根據現有刀具產品功能特點和性能參數所構建的特征譜系可以為新產品的設計和優化提供實例庫和基礎模板;而全斷面刀具的演化脈絡譜系則指明了刀具的發展趨勢，為產品更新換代及創新設計提供方向。該綜合譜系集成大量的掘進刀具需求關系、特征分類以及發展方向的信息，可方便快捷地為刀具設計人員提供全面的參考。然而刀具的譜系化設計是一個動態發展過程，會根據刀具材料工藝、制造技術等的發展而改變，與此同時，全斷面掘進機刀具的譜系也得以延續和豐富。

　　1.2全斷面掘進機刀具編碼設計為方便對全斷面掘進機刀具進行選型設計、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，首先須對全斷面掘進機刀具進行編碼設計。根據掘進機刀具產品特征譜系的研究內容，參考《盾構切削刀具標準JBT118612014》中型號編制的相關內容，同時借鑒數控機床刀具的編碼原則11，故全斷面掘進機的編碼設計采用混合編碼結構。

　　2全斷面掘進機刀具查詢推薦系統的研究全斷面掘進機刀具查詢推薦系統以MicrosoftVisualStudio軟件中的Windows窗體(由.NETFramework提供框架)作為開發平臺，后臺數據庫由SQLServer軟件建立。利用VisualStudio.NET的可視化設計功能設計Windows應用程序的用戶界面。同時，查詢推薦系統采用C#語言編程，構建可在.NETFramework上運行的各種安全、可靠的應用程序。

　　3結論與討論

　　(1)從市場需求、產品特征、演化脈絡三個層面梳理并建立了全斷面掘進機刀具的譜系信息圖表;同時提出了掘進機刀具的編碼原則，并結合全斷面掘進機刀具的特征譜系，對刀具的編碼結構進行了設計。

　　(2)建立了全斷面掘進機刀具查詢推薦系統。查詢模塊分為刀具查詢和工程實例查詢。刀具查詢可根據輸入的刀具破巖形式、編號等關鍵參數查詢相應刀具的材料性能、特征參數等方面的內容;工程實例查詢可查詢到已完工的工程實例數據，包括相應工程的工程地質、掘進機情況、刀具配置等方面的內容;全斷面掘進機刀具推薦模塊可根據使用者輸入的工程地質參數、給出相應的刀具配置建議。

　　(3)本文在對全斷面掘進機刀具產品譜系化設計和刀具查詢推薦系統的研究中取得了一些進展，但還有一些問題需要進一步探索。首先，由于涉及到刀具發展演化的資料較少，因此對刀具演化脈絡譜系的研究不夠全面，還有待豐富和擴展。其次，盡管刀具推薦模塊利用了專家系統思想，但知識庫建立過程中只考慮了四種典型地層，且推薦模塊輸入參數較為單一，刀具推薦模塊的深度和廣度還有待進一步加強和擴充。

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　　作者：黃鴻穎，管會生，趙康，劉成