基于系统工程的盾构刀盘设计总体规划模型

武力，关天民，张佳媛

(大连交通大学 机械工程学院，大连 辽宁 116028)*



基于系统工程的盾构刀盘设计总体规划模型

武力，关天民，张佳媛

(大连交通大学 机械工程学院，大连 辽宁 116028)*

基于面向系统工程的产品7D设计规划法，对刀盘的设计进行了总体规划.考虑产品的设计思想和设计环境，建立保证刀盘功能、满足掘进性能的设计目标；制定满足“用户需求—功能—性能—评价检验”的设计步骤；确定从刀盘功能角度以及刀盘设计流程角度的设计内容；选用适合的刀盘设计方法和设计质量评价与检验方法.该总体规划模型为盾构刀盘设计提供指导方法.

刀盘；设计；总体规划；系统工程

0 引言

刀盘是盾构机的关键零部件，科学合理的规划刀盘的设计模型是形成系统化的刀盘设计理论和方法的基础.目前的盾构刀盘设计还是以工程经验为主[1]，在此基础上进行改进和分析[2-4].东北大学闻邦椿院士基于多年的设计经验，考虑设计工作的复杂性以及由多因素综合影响的特点，基于系统的设计并面向设计产品的功能和性能，提出了7D产品设计总体规划模型[5].本文在7D产品设计规划方法的基础上，结合盾构刀盘设计实际特点，提出了盾构刀盘设计的总体规划模型，该模型为盾构刀盘设计理论与方法的建立奠定基础.

1 7D产品设计总体规划方法

7D产品设计规划是从产品的设计思想、设计环境、设计目标、设计步骤、设计内容、设计方法及设计质量评价与检验七个方面来对产品设计过程进行总体规划[6].图1为产品的7D设计总体规划模型，图2为产品设计总体规划的7个映射域.

图1 产品的7D设计总体规划模型

图2 产品设计总体规划映射域

2 刀盘设计总体规划模型

根据7D规划设计方法对盾构机刀盘系统进行总体规划.

2.1 设计思想

盾构机刀盘的设计思想要从保护环境、系统全面的设计角度出发.合理的设计能确保施工不会对地面环境造成破坏，不影响生态环境；而系统全面的设计能够确保刀盘的功能和性能都能得到满足，确保施工质量.

2.2 设计环境

影响产品的设计与开发的环境因素有很多，有国际与国内环境、市场环境、技术环境、资金环境等.产品的设计环境会对产品的设计产生种种约束，但如果合理地、充分地利用设计环境，也会给产品的设计创造良好的条件和前景.

(1) 国内环境

《国家中长期科学和技术发展纲要(2006-2020年)》将“重大装备所需的关键基础件和通用部件的设计、制造和批量生产的关键技术”作为制造业重点研究和优先发展的主题，开展盾构掘进机设计理论的研究符合国家中长期发展战略.

(2) 市场环境

“十二五”期间，我国规划建设城市轨道交通总长度1700 km，许多重大工程项目也大量引入了盾构机进行施工.2011～2015年，投入使用了超过300台盾构机，仅5年内市场价值就超过了200亿元.国内大部分施工用盾构机还在依赖于进口产品，欧美和日本等公司设计生产的盾构机在中国市场上呈现垄断局势，其价格高昂，一般在人民币3 000～7 000万之间不等，而国产的盾构机价格相对便宜，一般在2 500万元左右.

(3) 技术环境

目前世界上盾构机刀盘设计技术由少数大公司掌握，如美国鲁宾斯公司、德国海瑞克公司以及日本三菱公司等.国际企业进行技术垄断，国内盾构施工刀盘设计和服务受制于人，盾构机造价昂贵等是目前盾构机行业所面临的尴尬处境.

我国盾构制造企业很少能够做到完全独立自主地进行盾构机的设计与生产，大部分是采取与国外合作的方式，但实际是由外国公司进行总体规划和核心技术负责，国内企业只负责部分零部件的制造及组装，无法掌握关键的核心技术，部分国产盾构机的主要零部件和核心技术也仍然依靠国外公司支持.

综上所述，在这样一个充满挑战同时又极具潜力的大环境面前，进行盾构机完全独立自主设计生产，实现完全国产化是我国盾构机行业所面对的主要目标和任务.

2.3 设计目标

对于使用者来说，产品质量指的是产品的使用质量，而对于设计者来说，产品的质量应该指产品的设计质量，它包含两方面内容：一是产品的功能(包括主功能和辅功能)，即满足工作需要的属性.例如在盾构刀盘的设计中，刀盘的主功能就是破碎剥离岩土，施工时，盾构机刀盘在旋转的同时盾构机整体向前推进，安装在刀盘上的刀具对刀盘前方土体进行挖掘.辅功能就是搅拌排出渣土和支撑掘进面防止坍塌，被切削刮落下来的渣土通过刀盘上的开口进入土舱，同时刀盘系统向土舱内注入添加剂，通过刀盘的搅拌，经过螺旋输送机的旋转运输排出；刀盘的非开口部分则负责对刀盘前方土体进行支护，防止土体塌落引发地表塌陷，或挤土推进导致地表隆起.二是产品的综合性能(包括结构性能、使用性能等).机械产品的性能可以体现产品的设计质量，性能优越的产品能够完成自身功能、获得良好工作结果并且拥有较长的工作寿命.面向产品性能的设计是保证机械产品具有优越工作性能的一种有效方法.如体现盾构刀盘工作性能的排土率、刀具寿命、掘进面稳定性、刀盘功率等；体现刀盘结构性能的刀盘结构强度等.因此，产品的设计质量可以通过产品的功能与工作性能两方面来体现[6].

构建产品设计目标模型可以把产品的设计目标通过产品所要实现的主辅功能与两大性能予以表述.图3所示是盾构机刀盘设计目标映射域，目标包括刀盘要实现主功能和辅助功能以及满足结构性能和使用性能两大性能要求.

图3 盾构机刀盘设计目标的映射域

2.4 设计步骤

盾构机刀盘系统设计步骤为：

(1)获取用户信息，如施工路段的地层情况、隧道的直径、隧道埋深等等；

(2)根据用户要求编制设计任务书，确定设计方案；

(3)实施设计工作，进行面向盾构机掘进性能的设计；

(4)最后要对设计完成的刀盘进行评价和检验.

图4展示了盾构机刀盘系统设计过程的4个映射域及设计过程模型.

图4 盾构机刀盘的设计过程模型

2.5 设计内容

图5所示是盾构机刀盘设计内容模型.

图5 盾构机刀盘设计内容模型

刀盘设计内容从刀盘结构功能和刀盘设计流程两个角度来阐述.其中，从刀盘功能结构角度出发，设计内容包括盘体结构、刀具布置、工作参数以及控制参数四个方面；从刀盘设计流程角度出发，设计内容包括功能设计、方案设计、分析模拟以及设计评价四个方面.

2.6 设计方法

目前盾构机刀盘设计大都采用经验加理论计算和分析的设计，尚未形成完善的设计理论与方法.借助先进的设计理论与方法，如采用基于知识库的方案设计、虚拟仿真分析方法同时给出刀盘的结构参数和操作控制参数.

2.7 设计质量评价与检验

图6为产品设计质量的检验与评估模型.如图所示，对产品设计质量的评价可以从评价方法、试验和用户检验三个角度进行[7].试验和用户检验对于盾构刀盘来说造价较高，可采用模糊评价方法对性能进行检验.

图6 产品设计质量的检验与评估模型

3 结论

本文提出了刀盘设计的7个映射域，包括设计思想、设计环境、设计目标、设计步骤、设计内容、设计方法及设计质量评价与检验.指出盾构刀盘功能

包括掘进支护和搅拌排出碴土，性能包括掘进面稳定、刀盘结构强度、排土率、刀具寿命和刀盘功率；设计目标为实现刀盘的功能和性能.关键设计步骤为实现功能的方案设计和满足性能的仿真分析，从功能结构和设计流程角度规划了刀盘设计内容，设计方法应将基于案例知识的方案设计与仿真分析相结合，质量检验宜选用模糊评价法.

[1]王旭,张海东,边野,等. 盾构机刀盘的地质适应性设计研究[J]. 现代隧道技术,2013(3):108-114.

[2]宋天田,周顺华. 复合地层条件下盾构刀盘设计研究[J]. 地下空间与工程学报,2007(3):479-482.

[3]刘守法. 新型盾构机刀盘设计与有限元分析[J]. 机械设计与制造,2010(3):59-60.

[4]郑晓燕. 盾构刀盘设计和刀具配置分析[J]. 煤矿机械,2010(8):75-77.

[5]闻邦椿．产品设计方法学[M]．北京：机械工业出版社,2011.

[6]闻邦椿，张国忠，柳洪义．面向产品广义质量的综合设计理论与方法[M]．北京：科学出版社，2007．

[7]秦寿康．综合评价原理与应用[M].北京：电子工业出版社,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

国家自然科学基金资助项目(51105048)

武力(1979-),女，副教授，硕士，从事主要从事隧道掘进机刀盘刀具设计的研究E-mail:wuli@djtu.edu.cn.

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