盾构机关键部件快速设计技术研究

【摘要】随着国民经济水平的不断提高，人们对交通的要求也越来越高。盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，具有集挖掘、运输、导向纠偏等功能，因此被广泛应用于公路、铁路、水利建设工程项目中。但是由于盾构机设计的“量体裁衣”特点，这就需要设计人员在结合经验数据、模拟数据的基础上不断提高盾构机关键部件的设计质量和效率，进而不断提高企业的经营效益，使企业立于不败之地，同时带动其它行业的快速发展，因而具有一定的理论和现实意义。

【关键词】盾构机；刀盘；交互设计；操控界面

1、前言

随着社会的飞速发展，国民经济水平不断提高，人们对交通的需求也越来越高。盾构机即盾构隧道掘进机，具有挖土、运输渣土、纠偏导向、拼装隧道衬砌等功能，是一种隧道掘进的专用工程机械，目前被广泛应用于地铁、公路、铁路、水电等隧道工程项目。盾构机在设计过程中通常涉及到地质、电气、控制、力学等多门学科知识，因此，尽管盾构机结构复杂，但却具有极高的可靠性，自动化程度非常高。通常情况下，盾构机的设计制造都是“量体裁衣”即根据不同的需求有针对性的进行制造，所以要想满足市场的需求就必须不断提高盾构机关键部件的设计效率及制造质量，进而使企业在激烈的市场竞争中抢占先机，立于不败之地。正是由于盾构机设计的独特性，因而对技术人员的知识结构和技能水平也有很高的要求。本文基于盾构机“量体裁衣”的特点，对盾构机关键部件的快速设计技术进行研究，进而不断提高企业的核心竞争力，提高企业经济效益，具有一定的理论及现实意义。

2、盾构机的构成及主要工作原理

2.1盾构机的构成

盾构机主要由盾体、刀盘、气闸、排渣机构、电气系统、管片拼装机及辅助设备组成。盾构机的关键部件是刀盘和刀盘的驱动装置，刀盘由多种刀具组成，盾构机在运行过程中刀具和土层直接接触，土层的切削效率受刀具的布局影响较大。通常情况下，盾构机的直径在6.3m之内，总长度约为64m，盾体长约为8m，总配置功率约为1575W，掘进扭矩在5200KN/m之内，推进力在36500KN之内，总重量约为405t，掘进速度最低为8cm/min。

2.2盾构机的主要工作原理

盾构机的主要工作原理就是通过护盾沿隧道边缘在向前推进的同时对隧道内的土壤进行挖掘。护盾即是一种钢制组件，它在盾构挖掘过程中起到临时支撑的作用，同时承受着土层、地下水压的压力，盾构机在整个运行过程中基本都在护盾的掩护下进行工作。盾构机关键部件的设计主要是完成对刀盘的设计及建立虚拟驱动样机，主要包括建立CAD模型并对其进行参数设计，建立盾构机虚拟工作环境，虚拟进行设备操作等等。

3、盾构机的虚拟样机及数字化分析

首先建立盾构机关键部件的三维CAD模型，并在此基础上生成驱动虚拟样机，对关键部件如刀盘、刀具、轴承、接头、动力箱等进行虚拟连接，使其无论在外观上还是在机理上都能最大限度的接近于实物并且能够反映出实物的特性。设计人员可以采用三维可视化处理，模拟盾构机在隧道挖掘过程中的整个过程，然后根据理想状态对虚拟样机进行优化，分析测量出关键部件及样机的尺寸关系，以便于生产过程中的修改及后续“量体裁衣”时的改型工作。

其次，盾构机在挖掘推进过程中刀盘和盾构都在不同程度上受到土层的压力，不同的土层对刀盘产生的作用力也不同，因此在实际设计过程中，我们要根据不同的土层采用不同的刀具，使盾构机产生不同的挖掘力。在具体设计过程中，设计人员也需要根据不同的工作环境及受力状态建立与之相匹配的力学模型，因此要对盾构机的关键部件进行细致的分析，如刀具的寿命、切削效率、刀盘驱动的性能等，然后根据分析结果判断盾构机的总体机械性能是否满足客户的需求，并在此基础上进行优化。

最后，由于盾构机的显著特点就是结构复杂，我们在进行数字分析时必须要对样机模型进行简化处理，进而提高运算效率。

4、盾构机关键部件设计与维护

4.1刀盘及其驱动的交互设计

在进行刀盘及其驱动的交互设计时必须要建立在经验数据基础上，同时进行相应的计算和分析。经验数据主要包括实验数据、实际施工经验数据和模型数据。经验数据主要被存储在系统的数据库中；试验数据主要是指根据刀盘及驱动试验数据建立的数据库；实际施工经验数据是根据现场施工及维护数据建立起来的实际施工经验数据库；模型数据则是设计人员根据设计经验积累的和以往设计的各类刀盘的模型数据库。通常情况下，我们采用的数据库平台是SQL Server，该数据库平台能够充分保证系统各模块之间的数据共享，与此同时，我们要对大量的数据建立统一的数据标准，并利用XML文本技术对数据进行统一的转化。在此基础上，实现源数据与目标数据的统一，通过对源数据和目标数据的计算和分析，综合各类不同的数据库资源，对当前的设计环境提供切实可行的参考数据。

刀盘及其驱动的交互设计对于提高设计的效率和质量起到了至关重要的作用，所以我们在进行交互设计时必须要建立标准化的设计流程，而且在整个流程设计过程中都要有交互式的设计指导，从建立模型到数字化分析，再到模型优化和图纸输出。设计人员在进行交互设计时也会产生交互式的指导场景，这就大大降低了设计人员的工作强度，进而提高了设计人员的设计质量的效率。

4.2操控界面虚拟设计

我们根据虚拟模型，结合刀盘及其驱动装置和盾构机整机，对操控界面进行虚拟设计和布局，操控界面主要包括触动按钮、实际按钮、监控界面等。我们只有为触动按钮、实际按钮和虚拟模型建立联系，才能在触动按钮时使盾构机运行，进而实现对盾构机的关键部件进行检查和维护。

4.3盾构机关键部件维护

刀具是盾构机的关键部件之一，我们在充分考虑地质情况的基础上必须定期对刀具进行检查维护。更换刀盘时一定要切断闸门，确保刀盘不会意外启动，同时液压系统、电气系统和空气压缩系统都要停止维护，刀具在更换时最好采用新的螺母，务必保持刀具的洁净，安装刀具时要将挡圈始终指向刀盘中心。

5、结束语

随着社会的飞速发展，我国公路、铁路基础设施进入了大规模的建设时期，盾构机适用于铁路建设、水利建设等工程项目中，因此盾构机的需求日益增加。本文作者结合自己的工作经验，对盾构机的构成及主要工作原理进行全面的阐述，对盾构机的虚拟样机及数字化分析进行了细致的诠释，并进一步对刀盘及其驱动的交互设计做了详细的说明，有效解决了盾构机关键部件设计的质量和效率，提高了企业的经济效益和核心竞争力，具有一定的现实意义。

参考文献

[1]黄宏伟，闰玉茹，胡群芳.复合式土压平衡盾构刀盘失效风险分析[J].岩土力学，2009.

[2]陈小雄.现代隧道工程理论与隧道施工[M].成都：西南交通大学出版社，2006.