蘭 磊，羅潮明，張中華，何 博

（中鐵工程服務(wù)有限公司科技分公司，四川 成都 610036）

0 引言

盾構(gòu)滾刀作為隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤的核心部件之一，其型號(hào)規(guī)格多，如何快速設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者針對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的參數(shù)化建模研究多集中在盾構(gòu)刀盤這一部件上，游思坤等[1]提出盾構(gòu)Top-Down設(shè)計(jì)建模方法，潘伶伶等[2]提出了TBM刀盤有限元參數(shù)化建模分析系統(tǒng)。盾構(gòu)滾刀、刮刀等刀具部件直接基于AutoCAD軟件進(jìn)行工程圖設(shè)計(jì)，然而盾構(gòu)滾刀種類較多，設(shè)計(jì)開發(fā)強(qiáng)度較大，且不利于管理滾刀圖紙。運(yùn)用Creo軟件建立一套盾構(gòu)滾刀參數(shù)化建模系統(tǒng)可提高盾構(gòu)滾刀及刀盤設(shè)計(jì)效率[3]。

本研究結(jié)合盾構(gòu)滾刀種類分析，以盾構(gòu)單刃滾刀參數(shù)化設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用Creo軟件對(duì)盾構(gòu)滾刀參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

（1）盾構(gòu)滾刀的種類及設(shè)計(jì)方法探討研究，對(duì)盾構(gòu)滾刀種類和組成結(jié)構(gòu)開展規(guī)集研究；

（2）基于自頂向下設(shè)計(jì)思維研究盾構(gòu)滾刀結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，最終建立盾構(gòu)滾刀參數(shù)化模型；

（3）基于模塊化的思路提出盾構(gòu)滾刀參數(shù)化模型分類管理。

1 盾構(gòu)滾刀及設(shè)計(jì)方法分析

1.1 盾構(gòu)滾刀種類分析

盾構(gòu)滾刀是一種破碎隧道開挖面渣石的開挖刀具，可安裝于頂管、TBM、盾構(gòu)等隧道施工設(shè)備的刀盤上，其作用是切削開挖面渣石并將渣石從開挖面上剝落下來。盾構(gòu)滾刀種類分辨如圖1所示，依據(jù)刀圈的形狀、尺寸規(guī)格及在刀盤上安裝位置的不同，有不同的分類，而若根據(jù)各細(xì)分規(guī)則組合進(jìn)行分辯，滾刀約有576種形式。

圖1 盾構(gòu)滾刀分類圖

1.2 設(shè)計(jì)方法研究

基于Creo平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，一種方法是自底向上設(shè)計(jì)，先把一個(gè)產(chǎn)品的每個(gè)零件都設(shè)計(jì)好，再分別拿到組件中進(jìn)行裝配，裝配完成后再檢查各零件的設(shè)計(jì)是否符合要求，是否存在干涉等情況，如果確認(rèn)需要修改，則分別更改單獨(dú)的零件，然后再在組件中再次進(jìn)行檢測(cè)，直到最后完全符合設(shè)計(jì)要求。由于整個(gè)過程是自下（零件）而上（組件）的，所以無法從一開始對(duì)產(chǎn)品有很好的規(guī)劃，產(chǎn)品到底有多少個(gè)零件只能到所有的零件完成后才能確定，這種方法在修改中也會(huì)因?yàn)闆]有事前的仔細(xì)規(guī)劃而事倍功半。

另一種方法是自頂向下設(shè)計(jì)，該方法首先將產(chǎn)品的主框架作為主組件，并將產(chǎn)品分解為組件、子組件，然后標(biāo)記主組件元件及其相關(guān)特征，最后了解組件內(nèi)部及組件之間的關(guān)系，并評(píng)估產(chǎn)品的裝配方式，掌握了這些信息，就能規(guī)劃設(shè)計(jì)并在模型中總體設(shè)計(jì)意圖。自頂向下設(shè)計(jì)既可以管理大型組件，又能有效地掌握設(shè)計(jì)意圖，使組織結(jié)構(gòu)明確，不僅能在同一設(shè)計(jì)小組間迅速傳遞設(shè)計(jì)信息、達(dá)到信息共享的目的，也能在不同的設(shè)計(jì)小組間同樣傳遞相同的設(shè)計(jì)信息，達(dá)到協(xié)同作戰(zhàn)的目的。這樣在設(shè)計(jì)初期，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏贤ü芾?，能讓不同的設(shè)計(jì)部門同步進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

鑒于以上兩種設(shè)計(jì)方法，本研究采用自頂向下設(shè)計(jì)方法進(jìn)行盾構(gòu)滾刀參數(shù)化建模。

2 盾構(gòu)滾刀參數(shù)化模型

2.1 盾構(gòu)滾刀參數(shù)模型分類

盾構(gòu)滾刀依據(jù)其細(xì)分規(guī)則，約有576種形式，若每一個(gè)都建立一個(gè)模型，其建模強(qiáng)度及管理難度都無法估量，因此依據(jù)自頂向下設(shè)計(jì)思路，結(jié)合滾刀組成特點(diǎn)，由于滾刀的分類區(qū)別主要是刀圈、安裝形式和適應(yīng)壓力的不同，故可如圖2所示，建立滾刀參數(shù)化結(jié)構(gòu)層次圖，便可快速完成各類盾構(gòu)滾刀的設(shè)計(jì)任務(wù)。

2.2 盾構(gòu)軸式單刃滾刀結(jié)構(gòu)組成

以常規(guī)軸式單刃滾刀參數(shù)化模型建立為例，其余七種盾構(gòu)滾刀參數(shù)化模型建立思路及步驟基本一致。軸式單刃滾刀的主要組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，由刀圈、刀軸、上端蓋、下端蓋、刀體、浮動(dòng)密封等主要零部件構(gòu)成。

2.3 盾構(gòu)軸式單刃滾刀參數(shù)化建模

2.3.1 盾構(gòu)滾刀參數(shù)化建模原則

基于Creo自頂向下設(shè)計(jì)方法對(duì)單刃滾刀進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵點(diǎn)是正確使用參照原則，如果前期設(shè)計(jì)參照混亂，將造成后期數(shù)據(jù)修改困難，同時(shí)確立統(tǒng)一的模板、建模規(guī)范及命名規(guī)范，便于后期維護(hù)及使用。盾構(gòu)軸式單刃滾刀設(shè)計(jì)開發(fā)過程中遵循的參照原則：

（1）對(duì)于盾構(gòu)軸式單刃滾刀及刀圈、刀軸等零部件設(shè)計(jì)時(shí)首先建立骨架，然后參照相應(yīng)的骨架進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，保證關(guān)鍵尺寸由骨架控制。

（2）盾構(gòu)軸式單刃滾刀零部件之間設(shè)計(jì)關(guān)系需要參照時(shí)，要明確參照的主次關(guān)系，避免循環(huán)參照的產(chǎn)生[4]。

（3）盾構(gòu)軸式單刃滾刀零部件之間非重要配合尺寸不得直接參考，避免零部件之間混亂的父子參照關(guān)系。

2.3.2 盾構(gòu)滾刀建模層次結(jié)構(gòu)確定

圖2 滾刀參數(shù)化結(jié)構(gòu)層次圖

在盾構(gòu)軸式單刃滾刀的設(shè)計(jì)中，需根據(jù)軸式單刃滾刀的組成結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)劃分層次結(jié)構(gòu)，如圖4所示，先建立單刃滾刀主控模型，然后在單刃滾刀主控模型下將單刃滾刀劃分為刀圈、刀體等6個(gè)參數(shù)化零部件模型和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模型庫，標(biāo)準(zhǔn)化模型庫參照單刃滾刀主控模型進(jìn)行裝配，刀圈、刀體等參數(shù)化零部件模型參照單刃滾刀主控模型及自身控制參數(shù)設(shè)計(jì)各自的骨架，最后進(jìn)行單刃滾刀組成零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖3 常規(guī)軸式單刃滾刀主要組成結(jié)構(gòu)圖

圖4 單刃滾刀參數(shù)化建模結(jié)構(gòu)框圖

2.3.3 建立盾構(gòu)滾刀參數(shù)化模型

依據(jù)單刃滾刀建模結(jié)構(gòu)框圖，運(yùn)用Creo三維軟件進(jìn)行盾構(gòu)軸式單刃滾刀參數(shù)化模型開發(fā)，具體建模流程如圖5所示，首先是明確統(tǒng)一的三維建模模板、二維工程圖模板、三維建模操作規(guī)范及相關(guān)參數(shù)命名規(guī)范等，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，然后是對(duì)單刃滾刀進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單刃滾刀骨架設(shè)計(jì)，其次是裝配上軸承、浮動(dòng)密封等標(biāo)準(zhǔn)件，以及完成刀軸、刀圈等參數(shù)化滾刀零部件骨架及詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖5 單刃滾刀參數(shù)化建模流程圖

最終建立的單刃滾刀參數(shù)化三維模型及校驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果可知，圖中干涉部分為刀軸和端蓋螺紋連接部位，因運(yùn)用Creo繪制螺紋時(shí)采用的是修飾螺紋畫法，內(nèi)外螺紋的螺牙部分會(huì)重疊，故會(huì)在螺紋連接處檢查出干涉情況，但連接處端蓋螺紋是以刀軸螺紋為參照進(jìn)行設(shè)計(jì)的，保證了螺紋繪制大小的一致性，因此可忽略螺紋干涉的情況，而除螺紋連接處有干涉外，其余滾刀零部件均無干涉，確保了滾刀零部件的設(shè)計(jì)合理可靠。

3 結(jié)論

結(jié)合盾構(gòu)滾刀種類分析，運(yùn)用Creo軟件對(duì)盾構(gòu)滾刀參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，以盾構(gòu)單刃滾刀參數(shù)化設(shè)計(jì)為例，證明該方法可以較大程度縮短盾構(gòu)滾刀的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高盾構(gòu)滾刀設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。對(duì)該方法進(jìn)行總結(jié)，得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)行盾構(gòu)滾刀參數(shù)化建模的關(guān)鍵點(diǎn)是正確使用參照原則，盾構(gòu)滾刀層次結(jié)構(gòu)劃分正確，正確產(chǎn)品通用模塊劃分，因此梳理分析盾構(gòu)滾刀種類及組成結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系、共通性與專有性參數(shù)至關(guān)重要。

（2）盾構(gòu)滾刀參數(shù)化建模系統(tǒng)在開發(fā)前應(yīng)明確統(tǒng)一的三維建模模板、二維工程圖模板、三維建模操作規(guī)范及相關(guān)參數(shù)命名規(guī)范等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)計(jì)開發(fā)出的盾構(gòu)滾刀參數(shù)化模型應(yīng)用的普遍性，提升模型維護(hù)的高效性。

（3）采用盾構(gòu)滾刀參數(shù)化模型系統(tǒng)進(jìn)行滾刀的設(shè)計(jì)，可將長達(dá)一周的設(shè)計(jì)周期縮短至數(shù)小時(shí)，能有效提升盾構(gòu)滾刀整刀及零部件設(shè)計(jì)效率。

圖6 單刃滾刀參數(shù)化三維模型及校驗(yàn)結(jié)果圖