基于系統(tǒng)工程的盾構(gòu)刀盤設(shè)計總體規(guī)劃模型

武力，關(guān)天民，張佳媛

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 遼寧 116028)*

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基于系統(tǒng)工程的盾構(gòu)刀盤設(shè)計總體規(guī)劃模型

武力，關(guān)天民，張佳媛

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 遼寧 116028)*

基于面向系統(tǒng)工程的產(chǎn)品7D設(shè)計規(guī)劃法，對刀盤的設(shè)計進(jìn)行了總體規(guī)劃.考慮產(chǎn)品的設(shè)計思想和設(shè)計環(huán)境，建立保證刀盤功能、滿足掘進(jìn)性能的設(shè)計目標(biāo)；制定滿足“用戶需求—功能—性能—評價檢驗”的設(shè)計步驟；確定從刀盤功能角度以及刀盤設(shè)計流程角度的設(shè)計內(nèi)容；選用適合的刀盤設(shè)計方法和設(shè)計質(zhì)量評價與檢驗方法.該總體規(guī)劃模型為盾構(gòu)刀盤設(shè)計提供指導(dǎo)方法.

刀盤；設(shè)計；總體規(guī)劃；系統(tǒng)工程

0 引言

刀盤是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵零部件，科學(xué)合理的規(guī)劃刀盤的設(shè)計模型是形成系統(tǒng)化的刀盤設(shè)計理論和方法的基礎(chǔ).目前的盾構(gòu)刀盤設(shè)計還是以工程經(jīng)驗為主[1]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和分析[2-4].東北大學(xué)聞邦椿院士基于多年的設(shè)計經(jīng)驗，考慮設(shè)計工作的復(fù)雜性以及由多因素綜合影響的特點(diǎn)，基于系統(tǒng)的設(shè)計并面向設(shè)計產(chǎn)品的功能和性能，提出了7D產(chǎn)品設(shè)計總體規(guī)劃模型[5].本文在7D產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合盾構(gòu)刀盤設(shè)計實(shí)際特點(diǎn)，提出了盾構(gòu)刀盤設(shè)計的總體規(guī)劃模型，該模型為盾構(gòu)刀盤設(shè)計理論與方法的建立奠定基礎(chǔ).

1 7D產(chǎn)品設(shè)計總體規(guī)劃方法

7D產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃是從產(chǎn)品的設(shè)計思想、設(shè)計環(huán)境、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計步驟、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計方法及設(shè)計質(zhì)量評價與檢驗七個方面來對產(chǎn)品設(shè)計過程進(jìn)行總體規(guī)劃[6].圖1為產(chǎn)品的7D設(shè)計總體規(guī)劃模型，圖2為產(chǎn)品設(shè)計總體規(guī)劃的7個映射域.

圖1 產(chǎn)品的7D設(shè)計總體規(guī)劃模型

圖2 產(chǎn)品設(shè)計總體規(guī)劃映射域

2 刀盤設(shè)計總體規(guī)劃模型

根據(jù)7D規(guī)劃設(shè)計方法對盾構(gòu)機(jī)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃.

2.1 設(shè)計思想

盾構(gòu)機(jī)刀盤的設(shè)計思想要從保護(hù)環(huán)境、系統(tǒng)全面的設(shè)計角度出發(fā).合理的設(shè)計能確保施工不會對地面環(huán)境造成破壞，不影響生態(tài)環(huán)境；而系統(tǒng)全面的設(shè)計能夠確保刀盤的功能和性能都能得到滿足，確保施工質(zhì)量.

2.2 設(shè)計環(huán)境

影響產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)的環(huán)境因素有很多，有國際與國內(nèi)環(huán)境、市場環(huán)境、技術(shù)環(huán)境、資金環(huán)境等.產(chǎn)品的設(shè)計環(huán)境會對產(chǎn)品的設(shè)計產(chǎn)生種種約束，但如果合理地、充分地利用設(shè)計環(huán)境，也會給產(chǎn)品的設(shè)計創(chuàng)造良好的條件和前景.

(1) 國內(nèi)環(huán)境

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要(2006-2020年)》將“重大裝備所需的關(guān)鍵基礎(chǔ)件和通用部件的設(shè)計、制造和批量生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)”作為制造業(yè)重點(diǎn)研究和優(yōu)先發(fā)展的主題，開展盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)設(shè)計理論的研究符合國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略.

(2) 市場環(huán)境

“十二五”期間，我國規(guī)劃建設(shè)城市軌道交通總長度1700 km，許多重大工程項目也大量引入了盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工.2011～2015年，投入使用了超過300臺盾構(gòu)機(jī)，僅5年內(nèi)市場價值就超過了200億元.國內(nèi)大部分施工用盾構(gòu)機(jī)還在依賴于進(jìn)口產(chǎn)品，歐美和日本等公司設(shè)計生產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)在中國市場上呈現(xiàn)壟斷局勢，其價格高昂，一般在人民幣3 000～7 000萬之間不等，而國產(chǎn)的盾構(gòu)機(jī)價格相對便宜，一般在2 500萬元左右.

(3) 技術(shù)環(huán)境

目前世界上盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計技術(shù)由少數(shù)大公司掌握，如美國魯賓斯公司、德國海瑞克公司以及日本三菱公司等.國際企業(yè)進(jìn)行技術(shù)壟斷，國內(nèi)盾構(gòu)施工刀盤設(shè)計和服務(wù)受制于人，盾構(gòu)機(jī)造價昂貴等是目前盾構(gòu)機(jī)行業(yè)所面臨的尷尬處境.

我國盾構(gòu)制造企業(yè)很少能夠做到完全獨(dú)立自主地進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計與生產(chǎn)，大部分是采取與國外合作的方式，但實(shí)際是由外國公司進(jìn)行總體規(guī)劃和核心技術(shù)負(fù)責(zé)，國內(nèi)企業(yè)只負(fù)責(zé)部分零部件的制造及組裝，無法掌握關(guān)鍵的核心技術(shù)，部分國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)的主要零部件和核心技術(shù)也仍然依靠國外公司支持.

綜上所述，在這樣一個充滿挑戰(zhàn)同時又極具潛力的大環(huán)境面前，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)完全獨(dú)立自主設(shè)計生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化是我國盾構(gòu)機(jī)行業(yè)所面對的主要目標(biāo)和任務(wù).

2.3 設(shè)計目標(biāo)

對于使用者來說，產(chǎn)品質(zhì)量指的是產(chǎn)品的使用質(zhì)量，而對于設(shè)計者來說，產(chǎn)品的質(zhì)量應(yīng)該指產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，它包含兩方面內(nèi)容：一是產(chǎn)品的功能(包括主功能和輔功能)，即滿足工作需要的屬性.例如在盾構(gòu)刀盤的設(shè)計中，刀盤的主功能就是破碎剝離巖土，施工時，盾構(gòu)機(jī)刀盤在旋轉(zhuǎn)的同時盾構(gòu)機(jī)整體向前推進(jìn)，安裝在刀盤上的刀具對刀盤前方土體進(jìn)行挖掘.輔功能就是攪拌排出渣土和支撐掘進(jìn)面防止坍塌，被切削刮落下來的渣土通過刀盤上的開口進(jìn)入土艙，同時刀盤系統(tǒng)向土艙內(nèi)注入添加劑，通過刀盤的攪拌，經(jīng)過螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸排出；刀盤的非開口部分則負(fù)責(zé)對刀盤前方土體進(jìn)行支護(hù)，防止土體塌落引發(fā)地表塌陷，或擠土推進(jìn)導(dǎo)致地表隆起.二是產(chǎn)品的綜合性能(包括結(jié)構(gòu)性能、使用性能等).機(jī)械產(chǎn)品的性能可以體現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，性能優(yōu)越的產(chǎn)品能夠完成自身功能、獲得良好工作結(jié)果并且擁有較長的工作壽命.面向產(chǎn)品性能的設(shè)計是保證機(jī)械產(chǎn)品具有優(yōu)越工作性能的一種有效方法.如體現(xiàn)盾構(gòu)刀盤工作性能的排土率、刀具壽命、掘進(jìn)面穩(wěn)定性、刀盤功率等；體現(xiàn)刀盤結(jié)構(gòu)性能的刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等.因此，產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量可以通過產(chǎn)品的功能與工作性能兩方面來體現(xiàn)[6].

構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)模型可以把產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)通過產(chǎn)品所要實(shí)現(xiàn)的主輔功能與兩大性能予以表述.圖3所示是盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計目標(biāo)映射域，目標(biāo)包括刀盤要實(shí)現(xiàn)主功能和輔助功能以及滿足結(jié)構(gòu)性能和使用性能兩大性能要求.

圖3 盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計目標(biāo)的映射域

2.4 設(shè)計步驟

盾構(gòu)機(jī)刀盤系統(tǒng)設(shè)計步驟為：

(1)獲取用戶信息，如施工路段的地層情況、隧道的直徑、隧道埋深等等；

(2)根據(jù)用戶要求編制設(shè)計任務(wù)書，確定設(shè)計方案；

(3)實(shí)施設(shè)計工作，進(jìn)行面向盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的設(shè)計；

(4)最后要對設(shè)計完成的刀盤進(jìn)行評價和檢驗.

圖4展示了盾構(gòu)機(jī)刀盤系統(tǒng)設(shè)計過程的4個映射域及設(shè)計過程模型.

圖4 盾構(gòu)機(jī)刀盤的設(shè)計過程模型

2.5 設(shè)計內(nèi)容

圖5所示是盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計內(nèi)容模型.

圖5 盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計內(nèi)容模型

刀盤設(shè)計內(nèi)容從刀盤結(jié)構(gòu)功能和刀盤設(shè)計流程兩個角度來闡述.其中，從刀盤功能結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，設(shè)計內(nèi)容包括盤體結(jié)構(gòu)、刀具布置、工作參數(shù)以及控制參數(shù)四個方面；從刀盤設(shè)計流程角度出發(fā)，設(shè)計內(nèi)容包括功能設(shè)計、方案設(shè)計、分析模擬以及設(shè)計評價四個方面.

2.6 設(shè)計方法

目前盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計大都采用經(jīng)驗加理論計算和分析的設(shè)計，尚未形成完善的設(shè)計理論與方法.借助先進(jìn)的設(shè)計理論與方法，如采用基于知識庫的方案設(shè)計、虛擬仿真分析方法同時給出刀盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作控制參數(shù).

2.7 設(shè)計質(zhì)量評價與檢驗

圖6為產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的檢驗與評估模型.如圖所示，對產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的評價可以從評價方法、試驗和用戶檢驗三個角度進(jìn)行[7].試驗和用戶檢驗對于盾構(gòu)刀盤來說造價較高，可采用模糊評價方法對性能進(jìn)行檢驗.

圖6 產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的檢驗與評估模型

3 結(jié)論

本文提出了刀盤設(shè)計的7個映射域，包括設(shè)計思想、設(shè)計環(huán)境、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計步驟、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計方法及設(shè)計質(zhì)量評價與檢驗.指出盾構(gòu)刀盤功能

包括掘進(jìn)支護(hù)和攪拌排出碴土，性能包括掘進(jìn)面穩(wěn)定、刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、排土率、刀具壽命和刀盤功率；設(shè)計目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)刀盤的功能和性能.關(guān)鍵設(shè)計步驟為實(shí)現(xiàn)功能的方案設(shè)計和滿足性能的仿真分析，從功能結(jié)構(gòu)和設(shè)計流程角度規(guī)劃了刀盤設(shè)計內(nèi)容，設(shè)計方法應(yīng)將基于案例知識的方案設(shè)計與仿真分析相結(jié)合，質(zhì)量檢驗宜選用模糊評價法.

[1]王旭,張海東,邊野,等. 盾構(gòu)機(jī)刀盤的地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2013(3):108-114.

[2]宋天田,周順華. 復(fù)合地層條件下盾構(gòu)刀盤設(shè)計研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報,2007(3):479-482.

[3]劉守法. 新型盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計與有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2010(3):59-60.

[4]鄭曉燕. 盾構(gòu)刀盤設(shè)計和刀具配置分析[J]. 煤礦機(jī)械,2010(8):75-77.

[5]聞邦椿．產(chǎn)品設(shè)計方法學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[6]聞邦椿，張國忠，柳洪義．面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的綜合設(shè)計理論與方法[M]．北京：科學(xué)出版社，2007．

[7]秦壽康．綜合評價原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003．

Overall Planning Model of Cutterhead System Design of Shield Machine based on System Engineering

WU Li, GUAN Tianmin, ZHANG Jiayuan

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028,China)

The cutterhead design is overall planned based on 7D design planning method faced to system engineering. Considering the design idea and the design environment, the design goal to ensure the function of cutter head and meet the driving performance is provided. The design procedure satisfied “user demand-function-performance-evaluation test” is formulated. The cutterhead design content in the aspect of function and design procedure are determined. The cutterhead design method and appraisal method are selected. The overall planning model provides guidance for the cutterhead design of shield machine.

cutterhead; design; overall planning; system engineering

1673-9590(2016)04-0076-04

2015-07-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51105048)

武力(1979-),女，副教授，碩士，從事主要從事隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤刀具設(shè)計的研究E-mail:wuli@djtu.edu.cn.

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