盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模系統(tǒng)開發(fā)

韓偉鋒，李鳳遠(yuǎn)，王助鋒

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

0 引言

在新產(chǎn)品的研制過程中，70% ～80%的研發(fā)費(fèi)用耗費(fèi)于設(shè)計(jì)階段。因此，如何開發(fā)和研究先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法與工具，以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率就顯得至關(guān)重要。參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取和表達(dá)、幾何約束的求解以及參數(shù)化幾何模型的構(gòu)造。20世紀(jì)70年代末及80年代初，英國(guó)劍橋大學(xué)的R.C.Hillyard和美國(guó)MIT大學(xué)的D.C.Gossard等率先將參數(shù)化設(shè)計(jì)用于CAD中;1985年，美國(guó)PTC公司首先推出參數(shù)化CAD系統(tǒng)Pro/Engineer。目前，雖然二維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，在參數(shù)化繪圖方面已得到了廣泛應(yīng)用，但是，三維參數(shù)只能處理的面類型主要是軸線、平面和軸對(duì)稱面，能處理的約束類型還很有限［1－5］。由于計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的軟件功能越來越強(qiáng)大，如當(dāng)前使用較為廣泛的CATIA［6－7］，該軟件自身具備參數(shù)建模功能，且與 Visual Basic有直接接口［8］。

隨著國(guó)內(nèi)鐵路、城市地鐵等重大基建項(xiàng)目的開展，同時(shí)在施工過程中人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的需求，盾構(gòu)已經(jīng)成為隧道工程施工的首選裝備。盾構(gòu)刀盤作為盾構(gòu)機(jī)最為核心的部件之一，在盾構(gòu)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(fù)雜。盾構(gòu)刀盤性能的好壞將直接影響盾構(gòu)工作效率，因此在盾構(gòu)施工中對(duì)盾構(gòu)刀盤的可靠性要求特別高［9－10］。由于盾構(gòu)刀盤具有工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高的特性，工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)刀盤時(shí)要反復(fù)地計(jì)算，即使是同一種類型的刀盤只是尺寸有所變化，也要重復(fù)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(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)間要求一般都很緊張，為了減少盾構(gòu)刀盤的設(shè)計(jì)時(shí)間，可以采用刀盤參數(shù)化建模來解決該問題。

目前國(guó)內(nèi)雖然有一些關(guān)于盾構(gòu)刀盤建模軟件的介紹與開發(fā)，但是大多軟件都只限于滿足刀盤有限元分析即可。一般進(jìn)行有限元分析的模型屬于簡(jiǎn)化模型，不能直接用于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中［11－14］，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)仍然需要把刀盤重新細(xì)化設(shè)計(jì)。結(jié)合使用CATIA和Visual Basic進(jìn)行盾構(gòu)刀盤建模軟件開發(fā)，該系統(tǒng)完成了盾構(gòu)刀盤90%以上的設(shè)計(jì)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(xù)的刀盤結(jié)構(gòu)分析，而整個(gè)盾構(gòu)刀盤三維模型可以直接用于工程設(shè)計(jì)。

采用CATIA完成盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模后，通過Visual Basic封裝即可完成盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模系統(tǒng)的開發(fā)。通過該系統(tǒng)輸入關(guān)鍵的邊界條件，系統(tǒng)即可快速生成盾構(gòu)刀盤模型。由于在對(duì)盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模過程中已經(jīng)完成關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，因此，根據(jù)邊界條件生成的刀盤模型各個(gè)方面的性能基本滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)人員通過簡(jiǎn)單的后處理即可快速完成刀盤的設(shè)計(jì)。

1 盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)

由于掘進(jìn)地質(zhì)的差異，盾構(gòu)機(jī)的刀盤結(jié)構(gòu)形式種類繁多，但從根本上刀盤可以分為軟土掘進(jìn)刀盤和復(fù)合地層掘進(jìn)刀盤2類。一般軟土刀盤刀具較為簡(jiǎn)單，刀盤只有切刀和面板組成，建模比較簡(jiǎn)單;復(fù)合地層所用的刀盤較為復(fù)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(qiáng)筋、邊刮刀和牛腿。

2 盾構(gòu)刀盤建模種類

盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在參數(shù)化建模過程中如果設(shè)置的變量條件太多，在建模過程中會(huì)很容易出錯(cuò)，因此，根據(jù)刀盤的尺寸和結(jié)構(gòu)形式的不同，對(duì)刀盤建立不同的模型。建模完成后采用VB編程調(diào)用不同的模型即可完成不同參數(shù)盾構(gòu)刀盤的快速建模。

刀盤參數(shù)化建模模型:

1)按照掘進(jìn)地層不同分為2種刀盤。①軟土掘進(jìn)刀盤;②復(fù)合地層掘進(jìn)刀盤。

2)考慮到運(yùn)輸?shù)姆奖阈院蜐L刀的安裝，按照刀盤的尺寸分為以下幾種結(jié)構(gòu)。①6 m以下的小刀盤。由于空間位置的限制，邊滾刀的數(shù)量不能安裝的太多，可以適當(dāng)增加邊滾刀的間距來減少邊滾刀的數(shù)量。②6～8 m的中型刀盤。根據(jù)實(shí)際空間位置限制和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，邊滾刀的數(shù)量可取11～12把，邊滾刀間距從刀盤外圓向內(nèi)按照等差數(shù)列從0遞增到80 mm。③8 m以上的大型刀盤。為了運(yùn)輸?shù)姆奖?，需要把刀盤分塊建立，邊滾刀的數(shù)量也可以適當(dāng)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(gòu)建模需要建立6類盾構(gòu)刀盤模型。當(dāng)然也可以只建立軟土刀盤、復(fù)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(huì)增加參變量的數(shù)量和建模復(fù)雜程度。采用VB編程建立索引調(diào)用6類盾構(gòu)刀盤模型即可完成整個(gè)盾構(gòu)刀盤的建模。

3 刀盤建模參數(shù)

刀盤參數(shù)化建模并不是把所有的尺寸、數(shù)據(jù)和角度都參數(shù)化，否則由于參數(shù)太多，而普通的工程設(shè)計(jì)人員又不太清楚各個(gè)參數(shù)的意義以及各個(gè)參數(shù)與其他參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，在輸入?yún)?shù)的過程非常容易出錯(cuò)。即使在建模過程把各個(gè)參數(shù)的意義標(biāo)定出來，由于參數(shù)的量太大，在輸入?yún)?shù)的過程中也是容易出錯(cuò)的。所以，在參數(shù)化建模過程中必須先選定刀盤的關(guān)鍵參數(shù)，然后把不關(guān)鍵的數(shù)據(jù)使用已知的關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)、幾何關(guān)系約束和固定個(gè)別無關(guān)緊要的參數(shù)等。根據(jù)研究，刀盤的關(guān)鍵參數(shù)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(shù)化建模

以適合復(fù)合地層掘進(jìn)的海瑞克S261盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)為例，該刀盤為直徑在6～8 m復(fù)合地層刀盤的典型結(jié)構(gòu)。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(guān)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(jìn)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(cè)筋板的夾角和牛腿等相關(guān)主要參數(shù)輸入到CATIA參數(shù)包內(nèi)，以供建模過程中調(diào)用，如圖1(a)所示。

2)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)刀盤在6～8 m范圍內(nèi)變化，可以初步考慮為邊滾刀數(shù)量不變。因?yàn)檫厺L刀的主要作用一方面是讓盾構(gòu)的掌子面與盾體側(cè)面有個(gè)過渡圓角，而不致于使掌子面和盾體側(cè)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(shù)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(jù)已經(jīng)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(jìn)方向的傾斜角度設(shè)定，中心滾刀與輻條上的正滾刀導(dǎo)向安裝基體與掘進(jìn)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)模型，不存在參數(shù)化問題，可以把不同類型和不同型號(hào)的刀具作為標(biāo)準(zhǔn)件存放在模型庫(kù)內(nèi)，以供不同需求來調(diào)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(diào)用模型庫(kù)內(nèi)的刀具與刀箱，完成各種刀具刀箱與刀盤基體的參數(shù)化裝配。在裝配過程中所有零部件的相對(duì)位置均采用參數(shù)化安裝。邊滾刀為單體刀，連同其刀箱一起安裝在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的邊滾刀安裝基體內(nèi)。由于隨著刀盤直徑或者刀間距的變化，輻條上的滾刀數(shù)量在不斷變化，輻條上的滾刀采用極坐標(biāo)方式定位，每把滾刀由一角度參數(shù)和一軸向尺寸定位，這樣輻條上的正滾刀數(shù)量可以隨著刀盤直徑和刀間距的變化而變化。

5 建模系統(tǒng)的封裝

運(yùn)用CATIA完成盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模后，把所有參數(shù)輸出到EXCEL表格內(nèi)，并且與CATIA內(nèi)部參數(shù)名稱相關(guān)聯(lián)。EXCEL表格內(nèi)的數(shù)據(jù)與CATIA主程序中已經(jīng)編制完成的盾構(gòu)刀盤的各個(gè)數(shù)據(jù)一一相對(duì)應(yīng)且相關(guān)，CATIA主程序中的參數(shù)與EXCEL表格內(nèi)的數(shù)據(jù)有一個(gè)地方的數(shù)據(jù)有改動(dòng)，另外一個(gè)地方的數(shù)據(jù)也會(huì)有相應(yīng)的變化，且整個(gè)盾構(gòu)刀盤模型會(huì)隨著新數(shù)據(jù)進(jìn)行更新變換。

盾構(gòu)刀盤各個(gè)參數(shù)關(guān)系編輯采用CATIA完成，對(duì)建模系統(tǒng)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(dòng)CATIA，然后軟件自動(dòng)調(diào)用已經(jīng)建好的模型。軟件輸入窗口的文本框和已經(jīng)完成的EXCEL表格相關(guān)聯(lián)，改變軟件輸入窗中文本框的內(nèi)容可以改變EXCEL表中的數(shù)據(jù)，EXCEL表中的數(shù)據(jù)又會(huì)改變CATIA主程序的參數(shù)，最后整個(gè)模型會(huì)根據(jù)軟件輸入窗口中的數(shù)據(jù)而改變。盾構(gòu)刀盤建模軟件的數(shù)據(jù)控制思路如圖3所示。

6 實(shí)例驗(yàn)證

廣州地鐵五號(hào)線三魚文隧道所使用的海瑞克S261盾構(gòu)機(jī)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(shù)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(shù)化建模系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)界面，如圖5所示，輸入刀盤的各個(gè)參數(shù)。圖6為系統(tǒng)更新再生后的刀盤模型，從分析軟件對(duì)刀盤各個(gè)部位的分析結(jié)果來看，其各個(gè)部位的設(shè)計(jì)均符合實(shí)際要求。

7 結(jié)論與討論

采用盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模系統(tǒng)快速生成盾構(gòu)刀盤模型不僅可以用于刀盤結(jié)構(gòu)分析，而且可以直接用于工程設(shè)計(jì)中，很大程度上減少盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和加快盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)速度。通過對(duì)盾構(gòu)刀盤快速建模軟件開發(fā)的介紹，工程設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)盾構(gòu)刀盤參數(shù)化建模方法結(jié)合在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中所遇到的設(shè)計(jì)共性問題，完成其他關(guān)鍵零部件的二次開發(fā)設(shè)計(jì)。該建模方法雖然可以完成機(jī)械裝備關(guān)鍵零部件二次開發(fā)設(shè)計(jì)工作，但該方法做出二次開發(fā)程序在軟件封裝過程中主要是采用程序調(diào)用方式完成的，所以在二次開發(fā)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(diào)用過程中將會(huì)出現(xiàn)文件丟失。希望工程人員在使用該方法進(jìn)行二次開發(fā)過程中可以克服該問題。

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