盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究

【摘要】隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對交通的要求也越來越高。盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，具有集挖掘、運(yùn)輸、導(dǎo)向糾偏等功能，因此被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水利建設(shè)工程項(xiàng)目中。但是由于盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的“量體裁衣”特點(diǎn)，這就需要設(shè)計(jì)人員在結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上不斷提高盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，進(jìn)而不斷提高企業(yè)的經(jīng)營效益，使企業(yè)立于不敗之地，同時(shí)帶動(dòng)其它行業(yè)的快速發(fā)展，因而具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)機(jī)；刀盤；交互設(shè)計(jì)；操控界面

1、前言

隨著社會的飛速發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，人們對交通的需求也越來越高。盾構(gòu)機(jī)即盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，具有挖土、運(yùn)輸渣土、糾偏導(dǎo)向、拼裝隧道襯砌等功能，是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械，目前被廣泛應(yīng)用于地鐵、公路、鐵路、水電等隧道工程項(xiàng)目。盾構(gòu)機(jī)在設(shè)計(jì)過程中通常涉及到地質(zhì)、電氣、控制、力學(xué)等多門學(xué)科知識，因此，盡管盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但卻具有極高的可靠性，自動(dòng)化程度非常高。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造都是“量體裁衣”即根據(jù)不同的需求有針對性的進(jìn)行制造，所以要想滿足市場的需求就必須不斷提高盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)效率及制造質(zhì)量，進(jìn)而使企業(yè)在激烈的市場競爭中搶占先機(jī)，立于不敗之地。正是由于盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，因而對技術(shù)人員的知識結(jié)構(gòu)和技能水平也有很高的要求。本文基于盾構(gòu)機(jī)“量體裁衣”的特點(diǎn)，對盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的快速設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)而不斷提高企業(yè)的核心競爭力，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

2、盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)成及主要工作原理

2.1盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)成

盾構(gòu)機(jī)主要由盾體、刀盤、氣閘、排渣機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、管片拼裝機(jī)及輔助設(shè)備組成。盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件是刀盤和刀盤的驅(qū)動(dòng)裝置，刀盤由多種刀具組成，盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行過程中刀具和土層直接接觸，土層的切削效率受刀具的布局影響較大。通常情況下，盾構(gòu)機(jī)的直徑在6.3m之內(nèi)，總長度約為64m，盾體長約為8m，總配置功率約為1575W，掘進(jìn)扭矩在5200KN/m之內(nèi)，推進(jìn)力在36500KN之內(nèi)，總重量約為405t，掘進(jìn)速度最低為8cm/min。

2.2盾構(gòu)機(jī)的主要工作原理

盾構(gòu)機(jī)的主要工作原理就是通過護(hù)盾沿隧道邊緣在向前推進(jìn)的同時(shí)對隧道內(nèi)的土壤進(jìn)行挖掘。護(hù)盾即是一種鋼制組件，它在盾構(gòu)挖掘過程中起到臨時(shí)支撐的作用，同時(shí)承受著土層、地下水壓的壓力，盾構(gòu)機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中基本都在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行工作。盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)主要是完成對刀盤的設(shè)計(jì)及建立虛擬驅(qū)動(dòng)樣機(jī)，主要包括建立CAD模型并對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，建立盾構(gòu)機(jī)虛擬工作環(huán)境，虛擬進(jìn)行設(shè)備操作等等。

3、盾構(gòu)機(jī)的虛擬樣機(jī)及數(shù)字化分析

首先建立盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件的三維CAD模型，并在此基礎(chǔ)上生成驅(qū)動(dòng)虛擬樣機(jī)，對關(guān)鍵部件如刀盤、刀具、軸承、接頭、動(dòng)力箱等進(jìn)行虛擬連接，使其無論在外觀上還是在機(jī)理上都能最大限度的接近于實(shí)物并且能夠反映出實(shí)物的特性。設(shè)計(jì)人員可以采用三維可視化處理，模擬盾構(gòu)機(jī)在隧道挖掘過程中的整個(gè)過程，然后根據(jù)理想狀態(tài)對虛擬樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，分析測量出關(guān)鍵部件及樣機(jī)的尺寸關(guān)系，以便于生產(chǎn)過程中的修改及后續(xù)“量體裁衣”時(shí)的改型工作。

其次，盾構(gòu)機(jī)在挖掘推進(jìn)過程中刀盤和盾構(gòu)都在不同程度上受到土層的壓力，不同的土層對刀盤產(chǎn)生的作用力也不同，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們要根據(jù)不同的土層采用不同的刀具，使盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生不同的挖掘力。在具體設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員也需要根據(jù)不同的工作環(huán)境及受力狀態(tài)建立與之相匹配的力學(xué)模型，因此要對盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行細(xì)致的分析，如刀具的壽命、切削效率、刀盤驅(qū)動(dòng)的性能等，然后根據(jù)分析結(jié)果判斷盾構(gòu)機(jī)的總體機(jī)械性能是否滿足客戶的需求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

最后，由于盾構(gòu)機(jī)的顯著特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，我們在進(jìn)行數(shù)字分析時(shí)必須要對樣機(jī)模型進(jìn)行簡化處理，進(jìn)而提高運(yùn)算效率。

4、盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與維護(hù)

4.1刀盤及其驅(qū)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)

在進(jìn)行刀盤及其驅(qū)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)時(shí)必須要建立在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和分析。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要被存儲在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中；試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要是指根據(jù)刀盤及驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫；實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是根據(jù)現(xiàn)場施工及維護(hù)數(shù)據(jù)建立起來的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫；模型數(shù)據(jù)則是設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累的和以往設(shè)計(jì)的各類刀盤的模型數(shù)據(jù)庫。通常情況下，我們采用的數(shù)據(jù)庫平臺是SQL Server，該數(shù)據(jù)庫平臺能夠充分保證系統(tǒng)各模塊之間的數(shù)據(jù)共享，與此同時(shí)，我們要對大量的數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并利用XML文本技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，通過對源數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，綜合各類不同的數(shù)據(jù)庫資源，對當(dāng)前的設(shè)計(jì)環(huán)境提供切實(shí)可行的參考數(shù)據(jù)。

刀盤及其驅(qū)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)對于提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，所以我們在進(jìn)行交互設(shè)計(jì)時(shí)必須要建立標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)流程，而且在整個(gè)流程設(shè)計(jì)過程中都要有交互式的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從建立模型到數(shù)字化分析，再到模型優(yōu)化和圖紙輸出。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行交互設(shè)計(jì)時(shí)也會產(chǎn)生交互式的指導(dǎo)場景，這就大大降低了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，進(jìn)而提高了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)質(zhì)量的效率。

4.2操控界面虛擬設(shè)計(jì)

我們根據(jù)虛擬模型，結(jié)合刀盤及其驅(qū)動(dòng)裝置和盾構(gòu)機(jī)整機(jī)，對操控界面進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和布局，操控界面主要包括觸動(dòng)按鈕、實(shí)際按鈕、監(jiān)控界面等。我們只有為觸動(dòng)按鈕、實(shí)際按鈕和虛擬模型建立聯(lián)系，才能在觸動(dòng)按鈕時(shí)使盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行檢查和維護(hù)。

4.3盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件維護(hù)

刀具是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，我們在充分考慮地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上必須定期對刀具進(jìn)行檢查維護(hù)。更換刀盤時(shí)一定要切斷閘門，確保刀盤不會意外啟動(dòng)，同時(shí)液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)都要停止維護(hù)，刀具在更換時(shí)最好采用新的螺母，務(wù)必保持刀具的潔凈，安裝刀具時(shí)要將擋圈始終指向刀盤中心。

5、結(jié)束語

隨著社會的飛速發(fā)展，我國公路、鐵路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)入了大規(guī)模的建設(shè)時(shí)期，盾構(gòu)機(jī)適用于鐵路建設(shè)、水利建設(shè)等工程項(xiàng)目中，因此盾構(gòu)機(jī)的需求日益增加。本文作者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)，對盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)成及主要工作原理進(jìn)行全面的闡述，對盾構(gòu)機(jī)的虛擬樣機(jī)及數(shù)字化分析進(jìn)行了細(xì)致的詮釋，并進(jìn)一步對刀盤及其驅(qū)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的說明，有效解決了盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和核心競爭力，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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