基于系統工程的盾構刀盤設計總體規劃模型

武力，關天民，張佳媛

(大連交通大學 機械工程學院，大連 遼寧 116028)*

?

基于系統工程的盾構刀盤設計總體規劃模型

武力，關天民，張佳媛

(大連交通大學 機械工程學院，大連 遼寧 116028)*

基于面向系統工程的產品7D設計規劃法，對刀盤的設計進行了總體規劃.考慮產品的設計思想和設計環境，建立保證刀盤功能、滿足掘進性能的設計目標；制定滿足“用戶需求—功能—性能—評價檢驗”的設計步驟；確定從刀盤功能角度以及刀盤設計流程角度的設計內容；選用適合的刀盤設計方法和設計質量評價與檢驗方法.該總體規劃模型為盾構刀盤設計提供指導方法.

刀盤；設計；總體規劃；系統工程

0 引言

刀盤是盾構機的關鍵零部件，科學合理的規劃刀盤的設計模型是形成系統化的刀盤設計理論和方法的基礎.目前的盾構刀盤設計還是以工程經驗為主[1]，在此基礎上進行改進和分析[2-4].東北大學聞邦椿院士基于多年的設計經驗，考慮設計工作的復雜性以及由多因素綜合影響的特點，基于系統的設計并面向設計產品的功能和性能，提出了7D產品設計總體規劃模型[5].本文在7D產品設計規劃方法的基礎上，結合盾構刀盤設計實際特點，提出了盾構刀盤設計的總體規劃模型，該模型為盾構刀盤設計理論與方法的建立奠定基礎.

1 7D產品設計總體規劃方法

7D產品設計規劃是從產品的設計思想、設計環境、設計目標、設計步驟、設計內容、設計方法及設計質量評價與檢驗七個方面來對產品設計過程進行總體規劃[6].圖1為產品的7D設計總體規劃模型，圖2為產品設計總體規劃的7個映射域.

圖1 產品的7D設計總體規劃模型

圖2 產品設計總體規劃映射域

2 刀盤設計總體規劃模型

根據7D規劃設計方法對盾構機刀盤系統進行總體規劃.

2.1 設計思想

盾構機刀盤的設計思想要從保護環境、系統全面的設計角度出發.合理的設計能確保施工不會對地面環境造成破壞，不影響生態環境；而系統全面的設計能夠確保刀盤的功能和性能都能得到滿足，確保施工質量.

2.2 設計環境

影響產品的設計與開發的環境因素有很多，有國際與國內環境、市場環境、技術環境、資金環境等.產品的設計環境會對產品的設計產生種種約束，但如果合理地、充分地利用設計環境，也會給產品的設計創造良好的條件和前景.

(1) 國內環境

《國家中長期科學和技術發展綱要(2006-2020年)》將“重大裝備所需的關鍵基礎件和通用部件的設計、制造和批量生產的關鍵技術”作為制造業重點研究和優先發展的主題，開展盾構掘進機設計理論的研究符合國家中長期發展戰略.

(2) 市場環境

“十二五”期間，我國規劃建設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機進行施工.2011～2015年，投入使用了超過300臺盾構機，僅5年內市場價值就超過了200億元.國內大部分施工用盾構機還在依賴于進口產品，歐美和日本等公司設計生產的盾構機在中國市場上呈現壟斷局勢，其價格高昂，一般在人民幣3 000～7 000萬之間不等，而國產的盾構機價格相對便宜，一般在2 500萬元左右.

(3) 技術環境

目前世界上盾構機刀盤設計技術由少數大公司掌握，如美國魯賓斯公司、德國海瑞克公司以及日本三菱公司等.國際企業進行技術壟斷，國內盾構施工刀盤設計和服務受制于人，盾構機造價昂貴等是目前盾構機行業所面臨的尷尬處境.

我國盾構制造企業很少能夠做到完全獨立自主地進行盾構機的設計與生產，大部分是采取與國外合作的方式，但實際是由外國公司進行總體規劃和核心技術負責，國內企業只負責部分零部件的制造及組裝，無法掌握關鍵的核心技術，部分國產盾構機的主要零部件和核心技術也仍然依靠國外公司支持.

綜上所述，在這樣一個充滿挑戰同時又極具潛力的大環境面前，進行盾構機完全獨立自主設計生產，實現完全國產化是我國盾構機行業所面對的主要目標和任務.

2.3 設計目標

對于使用者來說，產品質量指的是產品的使用質量，而對于設計者來說，產品的質量應該指產品的設計質量，它包含兩方面內容：一是產品的功能(包括主功能和輔功能)，即滿足工作需要的屬性.例如在盾構刀盤的設計中，刀盤的主功能就是破碎剝離巖土，施工時，盾構機刀盤在旋轉的同時盾構機整體向前推進，安裝在刀盤上的刀具對刀盤前方土體進行挖掘.輔功能就是攪拌排出渣土和支撐掘進面防止坍塌，被切削刮落下來的渣土通過刀盤上的開口進入土艙，同時刀盤系統向土艙內注入添加劑，通過刀盤的攪拌，經過螺旋輸送機的旋轉運輸排出；刀盤的非開口部分則負責對刀盤前方土體進行支護，防止土體塌落引發地表塌陷，或擠土推進導致地表隆起.二是產品的綜合性能(包括結構性能、使用性能等).機械產品的性能可以體現產品的設計質量，性能優越的產品能夠完成自身功能、獲得良好工作結果并且擁有較長的工作壽命.面向產品性能的設計是保證機械產品具有優越工作性能的一種有效方法.如體現盾構刀盤工作性能的排土率、刀具壽命、掘進面穩定性、刀盤功率等；體現刀盤結構性能的刀盤結構強度等.因此，產品的設計質量可以通過產品的功能與工作性能兩方面來體現[6].

構建產品設計目標模型可以把產品的設計目標通過產品所要實現的主輔功能與兩大性能予以表述.圖3所示是盾構機刀盤設計目標映射域，目標包括刀盤要實現主功能和輔助功能以及滿足結構性能和使用性能兩大性能要求.

圖3 盾構機刀盤設計目標的映射域

2.4 設計步驟

盾構機刀盤系統設計步驟為：

(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)根據用戶要求編制設計任務書，確定設計方案；

(3)實施設計工作，進行面向盾構機掘進性能的設計；

(4)最后要對設計完成的刀盤進行評價和檢驗.

圖4展示了盾構機刀盤系統設計過程的4個映射域及設計過程模型.

圖4 盾構機刀盤的設計過程模型

2.5 設計內容

圖5所示是盾構機刀盤設計內容模型.

圖5 盾構機刀盤設計內容模型

刀盤設計內容從刀盤結構功能和刀盤設計流程兩個角度來闡述.其中，從刀盤功能結構角度出發，設計內容包括盤體結構、刀具布置、工作參數以及控制參數四個方面；從刀盤設計流程角度出發，設計內容包括功能設計、方案設計、分析模擬以及設計評價四個方面.

2.6 設計方法

目前盾構機刀盤設計大都采用經驗加理論計算和分析的設計，尚未形成完善的設計理論與方法.借助先進的設計理論與方法，如采用基于知識庫的方案設計、虛擬仿真分析方法同時給出刀盤的結構參數和操作控制參數.

2.7 設計質量評價與檢驗

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

圖6 產品設計質量的檢驗與評估模型

3 結論

本文提出了刀盤設計的7個映射域，包括設計思想、設計環境、設計目標、設計步驟、設計內容、設計方法及設計質量評價與檢驗.指出盾構刀盤功能

包括掘進支護和攪拌排出碴土，性能包括掘進面穩定、刀盤結構強度、排土率、刀具壽命和刀盤功率；設計目標為實現刀盤的功能和性能.關鍵設計步驟為實現功能的方案設計和滿足性能的仿真分析，從功能結構和設計流程角度規劃了刀盤設計內容，設計方法應將基于案例知識的方案設計與仿真分析相結合，質量檢驗宜選用模糊評價法.

[1]王旭,張海東,邊野,等. 盾構機刀盤的地質適應性設計研究[J]. 現代隧道技術,2013(3):108-114.

[2]宋天田,周順華. 復合地層條件下盾構刀盤設計研究[J]. 地下空間與工程學報,2007(3):479-482.

[3]劉守法. 新型盾構機刀盤設計與有限元分析[J]. 機械設計與制造,2010(3):59-60.

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

[5]聞邦椿．產品設計方法學[M]．北京：機械工業出版社,2011.

[6]聞邦椿，張國忠，柳洪義．面向產品廣義質量的綜合設計理論與方法[M]．北京：科學出版社，2007．

[7]秦壽康．綜合評價原理與應用[M].北京：電子工業出版社,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機刀盤刀具設計的研究E-mail:wuli@djtu.edu.cn.

A