Creo參數化設計技術在盾構滾刀設計中的應用研究

蘭 磊，羅潮明，張中華，何 博

（中鐵工程服務有限公司科技分公司，四川 成都 610036）

0 引言

盾構滾刀作為隧道掘進機刀盤的核心部件之一，其型號規格多，如何快速設計至關重要。目前國內外有關學者針對隧道掘進機設備的參數化建模研究多集中在盾構刀盤這一部件上，游思坤等[1]提出盾構Top-Down設計建模方法，潘伶伶等[2]提出了TBM刀盤有限元參數化建模分析系統。盾構滾刀、刮刀等刀具部件直接基于AutoCAD軟件進行工程圖設計，然而盾構滾刀種類較多，設計開發強度較大，且不利于管理滾刀圖紙。運用Creo軟件建立一套盾構滾刀參數化建模系統可提高盾構滾刀及刀盤設計效率[3]。

本研究結合盾構滾刀種類分析，以盾構單刃滾刀參數化設計為例，運用Creo軟件對盾構滾刀參數化設計進行研究。

（1）盾構滾刀的種類及設計方法探討研究，對盾構滾刀種類和組成結構開展規集研究；

（2）基于自頂向下設計思維研究盾構滾刀結構相關設計參數間的關聯規律，最終建立盾構滾刀參數化模型；

（3）基于模塊化的思路提出盾構滾刀參數化模型分類管理。

1 盾構滾刀及設計方法分析

1.1 盾構滾刀種類分析

盾構滾刀是一種破碎隧道開挖面渣石的開挖刀具，可安裝于頂管、TBM、盾構等隧道施工設備的刀盤上，其作用是切削開挖面渣石并將渣石從開挖面上剝落下來。盾構滾刀種類分辨如圖1所示，依據刀圈的形狀、尺寸規格及在刀盤上安裝位置的不同，有不同的分類，而若根據各細分規則組合進行分辯，滾刀約有576種形式。

圖1 盾構滾刀分類圖

1.2 設計方法研究

基于Creo平臺進行產品設計時，一種方法是自底向上設計，先把一個產品的每個零件都設計好，再分別拿到組件中進行裝配，裝配完成后再檢查各零件的設計是否符合要求，是否存在干涉等情況，如果確認需要修改，則分別更改單獨的零件，然后再在組件中再次進行檢測，直到最后完全符合設計要求。由于整個過程是自下（零件）而上（組件）的，所以無法從一開始對產品有很好的規劃，產品到底有多少個零件只能到所有的零件完成后才能確定，這種方法在修改中也會因為沒有事前的仔細規劃而事倍功半。

另一種方法是自頂向下設計，該方法首先將產品的主框架作為主組件，并將產品分解為組件、子組件，然后標記主組件元件及其相關特征，最后了解組件內部及組件之間的關系，并評估產品的裝配方式，掌握了這些信息，就能規劃設計并在模型中總體設計意圖。自頂向下設計既可以管理大型組件，又能有效地掌握設計意圖，使組織結構明確，不僅能在同一設計小組間迅速傳遞設計信息、達到信息共享的目的，也能在不同的設計小組間同樣傳遞相同的設計信息，達到協同作戰的目的。這樣在設計初期，通過嚴謹的溝通管理，能讓不同的設計部門同步進行產品的設計和開發。

鑒于以上兩種設計方法，本研究采用自頂向下設計方法進行盾構滾刀參數化建模。

2 盾構滾刀參數化模型

2.1 盾構滾刀參數模型分類

盾構滾刀依據其細分規則，約有576種形式，若每一個都建立一個模型，其建模強度及管理難度都無法估量，因此依據自頂向下設計思路，結合滾刀組成特點，由于滾刀的分類區別主要是刀圈、安裝形式和適應壓力的不同，故可如圖2所示，建立滾刀參數化結構層次圖，便可快速完成各類盾構滾刀的設計任務。

2.2 盾構軸式單刃滾刀結構組成

以常規軸式單刃滾刀參數化模型建立為例，其余七種盾構滾刀參數化模型建立思路及步驟基本一致。軸式單刃滾刀的主要組成結構如圖3所示，由刀圈、刀軸、上端蓋、下端蓋、刀體、浮動密封等主要零部件構成。

2.3 盾構軸式單刃滾刀參數化建模

2.3.1 盾構滾刀參數化建模原則

基于Creo自頂向下設計方法對單刃滾刀進行參數化設計，其關鍵點是正確使用參照原則，如果前期設計參照混亂，將造成后期數據修改困難，同時確立統一的模板、建模規范及命名規范，便于后期維護及使用。盾構軸式單刃滾刀設計開發過程中遵循的參照原則：

（1）對于盾構軸式單刃滾刀及刀圈、刀軸等零部件設計時首先建立骨架，然后參照相應的骨架進行詳細設計，保證關鍵尺寸由骨架控制。

（2）盾構軸式單刃滾刀零部件之間設計關系需要參照時，要明確參照的主次關系，避免循環參照的產生[4]。

（3）盾構軸式單刃滾刀零部件之間非重要配合尺寸不得直接參考，避免零部件之間混亂的父子參照關系。

2.3.2 盾構滾刀建模層次結構確定

圖2 滾刀參數化結構層次圖

在盾構軸式單刃滾刀的設計中，需根據軸式單刃滾刀的組成結構和基本參數劃分層次結構，如圖4所示，先建立單刃滾刀主控模型，然后在單刃滾刀主控模型下將單刃滾刀劃分為刀圈、刀體等6個參數化零部件模型和3個標準化模型庫，標準化模型庫參照單刃滾刀主控模型進行裝配，刀圈、刀體等參數化零部件模型參照單刃滾刀主控模型及自身控制參數設計各自的骨架，最后進行單刃滾刀組成零部件的詳細設計。

圖3 常規軸式單刃滾刀主要組成結構圖

圖4 單刃滾刀參數化建模結構框圖

2.3.3 建立盾構滾刀參數化模型

依據單刃滾刀建模結構框圖，運用Creo三維軟件進行盾構軸式單刃滾刀參數化模型開發，具體建模流程如圖5所示，首先是明確統一的三維建模模板、二維工程圖模板、三維建模操作規范及相關參數命名規范等，建立統一的標準，然后是對單刃滾刀進行整體布局設計，在此基礎上進行單刃滾刀骨架設計，其次是裝配上軸承、浮動密封等標準件，以及完成刀軸、刀圈等參數化滾刀零部件骨架及詳細設計。

圖5 單刃滾刀參數化建模流程圖

最終建立的單刃滾刀參數化三維模型及校驗結果如圖6所示，根據校驗結果可知，圖中干涉部分為刀軸和端蓋螺紋連接部位，因運用Creo繪制螺紋時采用的是修飾螺紋畫法，內外螺紋的螺牙部分會重疊，故會在螺紋連接處檢查出干涉情況，但連接處端蓋螺紋是以刀軸螺紋為參照進行設計的，保證了螺紋繪制大小的一致性，因此可忽略螺紋干涉的情況，而除螺紋連接處有干涉外，其余滾刀零部件均無干涉，確保了滾刀零部件的設計合理可靠。

3 結論

結合盾構滾刀種類分析，運用Creo軟件對盾構滾刀參數化設計進行了研究，以盾構單刃滾刀參數化設計為例，證明該方法可以較大程度縮短盾構滾刀的設計時間，提高盾構滾刀設計質量，減少設計人員的設計強度。對該方法進行總結，得出以下結論：

（1）進行盾構滾刀參數化建模的關鍵點是正確使用參照原則，盾構滾刀層次結構劃分正確，正確產品通用模塊劃分，因此梳理分析盾構滾刀種類及組成結構之間的相互關系、共通性與專有性參數至關重要。

（2）盾構滾刀參數化建模系統在開發前應明確統一的三維建模模板、二維工程圖模板、三維建模操作規范及相關參數命名規范等基礎標準，確保設計開發出的盾構滾刀參數化模型應用的普遍性，提升模型維護的高效性。

（3）采用盾構滾刀參數化模型系統進行滾刀的設計，可將長達一周的設計周期縮短至數小時，能有效提升盾構滾刀整刀及零部件設計效率。

圖6 單刃滾刀參數化三維模型及校驗結果圖