盾構刀盤參數化建模系統開發

韓偉鋒，李鳳遠，王助鋒

(中鐵隧道集團有限公司盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001)

0 引言

在新產品的研制過程中，70% ～80%的研發費用耗費于設計階段。因此，如何開發和研究先進的設計方法與工具，以提高產品設計的效率就顯得至關重要。參數化設計的關鍵是幾何約束關系的提取和表達、幾何約束的求解以及參數化幾何模型的構造。20世紀70年代末及80年代初，英國劍橋大學的R.C.Hillyard和美國MIT大學的D.C.Gossard等率先將參數化設計用于CAD中;1985年，美國PTC公司首先推出參數化CAD系統Pro/Engineer。目前，雖然二維參數化設計技術已發展得較為成熟，在參數化繪圖方面已得到了廣泛應用，但是，三維參數只能處理的面類型主要是軸線、平面和軸對稱面，能處理的約束類型還很有限［1－5］。由于計算機圖形處理技術的發展，針對機械設計的軟件功能越來越強大，如當前使用較為廣泛的CATIA［6－7］，該軟件自身具備參數建模功能，且與 Visual Basic有直接接口［8］。

隨著國內鐵路、城市地鐵等重大基建項目的開展，同時在施工過程中人們對環境保護的需求，盾構已經成為隧道工程施工的首選裝備。盾構刀盤作為盾構機最為核心的部件之一，在盾構施工過程中開挖底層、支撐掌子面、攪拌渣土，其工作條件極其惡劣，受力復雜。盾構刀盤性能的好壞將直接影響盾構工作效率，因此在盾構施工中對盾構刀盤的可靠性要求特別高［9－10］。由于盾構刀盤具有工作環境惡劣、可靠性要求高的特性，工程技術人員在設計刀盤時要反復地計算，即使是同一種類型的刀盤只是尺寸有所變化，也要重復做同樣的工作。但是，一旦工程合同簽訂后，為保證工程施工期，盾構機設計時間要求一般都很緊張，為了減少盾構刀盤的設計時間，可以采用刀盤參數化建模來解決該問題。

目前國內雖然有一些關于盾構刀盤建模軟件的介紹與開發，但是大多軟件都只限于滿足刀盤有限元分析即可。一般進行有限元分析的模型屬于簡化模型，不能直接用于實際的工程設計中［11－14］，設計人員在進行工程設計時仍然需要把刀盤重新細化設計。結合使用CATIA和Visual Basic進行盾構刀盤建模軟件開發，該系統完成了盾構刀盤90%以上的設計工作，刀盤基體和刀盤上的各種刀具分屬于不同本體，刀盤基體可以用于后續的刀盤結構分析，而整個盾構刀盤三維模型可以直接用于工程設計。

采用CATIA完成盾構刀盤參數化建模后，通過Visual Basic封裝即可完成盾構刀盤參數化建模系統的開發。通過該系統輸入關鍵的邊界條件，系統即可快速生成盾構刀盤模型。由于在對盾構刀盤參數化建模過程中已經完成關鍵參數的計算，因此，根據邊界條件生成的刀盤模型各個方面的性能基本滿足設計要求。設計人員通過簡單的后處理即可快速完成刀盤的設計。

1 盾構刀盤結構

由于掘進地質的差異，盾構機的刀盤結構形式種類繁多，但從根本上刀盤可以分為軟土掘進刀盤和復合地層掘進刀盤2類。一般軟土刀盤刀具較為簡單，刀盤只有切刀和面板組成，建模比較簡單;復合地層所用的刀盤較為復雜，刀盤在建模過程中分為前面板、刀盤外圈梁、邊滾刀、刀盤輻條、小三角面板、中心滾刀、小切刀、輻條上滾刀、加強筋、邊刮刀和牛腿。

2 盾構刀盤建模種類

盾構刀盤結構較為復雜，在參數化建模過程中如果設置的變量條件太多，在建模過程中會很容易出錯，因此，根據刀盤的尺寸和結構形式的不同，對刀盤建立不同的模型。建模完成后采用VB編程調用不同的模型即可完成不同參數盾構刀盤的快速建模。

刀盤參數化建模模型:

1)按照掘進地層不同分為2種刀盤。①軟土掘進刀盤;②復合地層掘進刀盤。

2)考慮到運輸的方便性和滾刀的安裝，按照刀盤的尺寸分為以下幾種結構。①6 m以下的小刀盤。由于空間位置的限制，邊滾刀的數量不能安裝的太多，可以適當增加邊滾刀的間距來減少邊滾刀的數量。②6～8 m的中型刀盤。根據實際空間位置限制和經驗設計，邊滾刀的數量可取11～12把，邊滾刀間距從刀盤外圓向內按照等差數列從0遞增到80 mm。③8 m以上的大型刀盤。為了運輸的方便，需要把刀盤分塊建立，邊滾刀的數量也可以適當增加，減小刀間距，增加邊滾刀的使用壽命。

通過刀盤分類可知，如果要完成盾構建模需要建立6類盾構刀盤模型。當然也可以只建立軟土刀盤、復合地層刀盤和硬巖刀盤3種模型，但是這種建模方式在建模過程中會增加參變量的數量和建模復雜程度。采用VB編程建立索引調用6類盾構刀盤模型即可完成整個盾構刀盤的建模。

3 刀盤建模參數

刀盤參數化建模并不是把所有的尺寸、數據和角度都參數化，否則由于參數太多，而普通的工程設計人員又不太清楚各個參數的意義以及各個參數與其他參數之間的關聯性，在輸入參數的過程非常容易出錯。即使在建模過程把各個參數的意義標定出來，由于參數的量太大，在輸入參數的過程中也是容易出錯的。所以，在參數化建模過程中必須先選定刀盤的關鍵參數，然后把不關鍵的數據使用已知的關鍵參數關聯、幾何關系約束和固定個別無關緊要的參數等。根據研究，刀盤的關鍵參數有刀盤直徑、刀盤筋板厚度、前面板厚度、中心滾刀間距、輻梁上滾刀間距和開口率等。

4 刀盤參數化建模

以適合復合地層掘進的海瑞克S261盾構刀盤結構為例，該刀盤為直徑在6～8 m復合地層刀盤的典型結構。其具體建模過程可以分為刀盤基體建模、各種刀具刀箱建模和把刀箱刀具安裝到刀盤基體上3部分。

4.1 刀盤基體建模

1)把刀盤直徑、刀盤厚度、前面板厚度、后面板厚度、筋板厚度、刀具相關主要尺寸、刀盤開口率、中心刀間距、邊滾刀遞增間距、邊滾刀與掘進方向角度、輻條上滾刀間距、小切刀起始半徑、小切刀刀間距、安裝小切刀輻條兩側筋板的夾角和牛腿等相關主要參數輸入到CATIA參數包內，以供建模過程中調用，如圖1(a)所示。

2)設計出各種滾刀軌跡，各種類型刀具的軌跡采用不同的線型表示，如圖1(b)所示。該種結構刀盤在6～8 m范圍內變化，可以初步考慮為邊滾刀數量不變。因為邊滾刀的主要作用一方面是讓盾構的掌子面與盾體側面有個過渡圓角，而不致于使掌子面和盾體側面變化太過于突然，另一方面是由于刀具安裝空間位置的限制，如果沒有邊滾刀，掌子面上所有滾刀的刀刃是到不了盾體的邊緣的。所以在6～8 m的直徑范圍邊滾刀的數量和刀間距都可以作為定值不變，而只需要其位置隨刀盤直徑的變化而變化。

3)根據已經完成的刀具軌跡線，完成邊滾刀和中心滾刀刀箱的安裝基體建模。在建模過程中邊滾刀刀箱安裝基體的傾斜角度按照邊滾刀與掘進方向的傾斜角度設定，中心滾刀與輻條上的正滾刀導向安裝基體與掘進方向平行，如圖1(c)所示。

4)添加輻條筋板及刀盤的各種加強筋，如圖1(d)所示。

5)外圈梁及前后面板建模，如圖1(e)所示。

6)牛腿及主軸承連接法蘭盤建模，如圖1(f)所示。

4.2 各種刀具刀箱建模

完成雙刃滾刀、單刃滾刀、切刀、邊刮刀和刀箱的建模，所有刀具為標準模型，不存在參數化問題，可以把不同類型和不同型號的刀具作為標準件存放在模型庫內，以供不同需求來調用，各種刀具模型如圖2所示。

圖2 各種刀具模型Fig.2 Models of different cutting tools

4.3 刀具刀箱與刀盤基體裝配

在CATIA裝配模式下通過調用模型庫內的刀具與刀箱，完成各種刀具刀箱與刀盤基體的參數化裝配。在裝配過程中所有零部件的相對位置均采用參數化安裝。邊滾刀為單體刀，連同其刀箱一起安裝在已經設計好的邊滾刀安裝基體內。由于隨著刀盤直徑或者刀間距的變化，輻條上的滾刀數量在不斷變化，輻條上的滾刀采用極坐標方式定位，每把滾刀由一角度參數和一軸向尺寸定位，這樣輻條上的正滾刀數量可以隨著刀盤直徑和刀間距的變化而變化。

5 建模系統的封裝

運用CATIA完成盾構刀盤參數化建模后，把所有參數輸出到EXCEL表格內，并且與CATIA內部參數名稱相關聯。EXCEL表格內的數據與CATIA主程序中已經編制完成的盾構刀盤的各個數據一一相對應且相關，CATIA主程序中的參數與EXCEL表格內的數據有一個地方的數據有改動，另外一個地方的數據也會有相應的變化，且整個盾構刀盤模型會隨著新數據進行更新變換。

盾構刀盤各個參數關系編輯采用CATIA完成，對建模系統的封裝采用Visual Basic完成。軟件封裝的主要過程為通過VB編寫程序啟動CATIA，然后軟件自動調用已經建好的模型。軟件輸入窗口的文本框和已經完成的EXCEL表格相關聯，改變軟件輸入窗中文本框的內容可以改變EXCEL表中的數據，EXCEL表中的數據又會改變CATIA主程序的參數，最后整個模型會根據軟件輸入窗口中的數據而改變。盾構刀盤建模軟件的數據控制思路如圖3所示。

6 實例驗證

廣州地鐵五號線三魚文隧道所使用的海瑞克S261盾構機刀盤，見如圖4。該刀盤直徑6 280 mm，刀盤厚度550 mm，中心刀間距90 mm，數量8把;輻梁上正滾刀刀間距100 mm，前面板厚度60 mm，筋板厚度40 mm。以該刀盤為例，完成封裝后刀盤參數化建模系統的參數設計界面，如圖5所示，輸入刀盤的各個參數。圖6為系統更新再生后的刀盤模型，從分析軟件對刀盤各個部位的分析結果來看，其各個部位的設計均符合實際要求。

7 結論與討論

采用盾構刀盤參數化建模系統快速生成盾構刀盤模型不僅可以用于刀盤結構分析，而且可以直接用于工程設計中，很大程度上減少盾構機設計人員的勞動強度和加快盾構機設計速度。通過對盾構刀盤快速建模軟件開發的介紹，工程設計人員可以根據盾構刀盤參數化建模方法結合在開發設計過程中所遇到的設計共性問題，完成其他關鍵零部件的二次開發設計。該建模方法雖然可以完成機械裝備關鍵零部件二次開發設計工作，但該方法做出二次開發程序在軟件封裝過程中主要是采用程序調用方式完成的，所以在二次開發程序的使用過程中所有CATIA主模型的程序文件存放路徑不能改變，否則在程序調用過程中將會出現文件丟失。希望工程人員在使用該方法進行二次開發過程中可以克服該問題。

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