Creo参数化设计技术在盾构滚刀设计中的应用研究

兰 磊，罗潮明，张中华，何 博

（中铁工程服务有限公司科技分公司，四川 成都 610036）

0 引言

盾构滚刀作为隧道掘进机刀盘的核心部件之一，其型号规格多，如何快速设计至关重要。目前国内外有关学者针对隧道掘进机设备的参数化建模研究多集中在盾构刀盘这一部件上，游思坤等[1]提出盾构Top-Down设计建模方法，潘伶伶等[2]提出了TBM刀盘有限元参数化建模分析系统。盾构滚刀、刮刀等刀具部件直接基于AutoCAD软件进行工程图设计，然而盾构滚刀种类较多，设计开发强度较大，且不利于管理滚刀图纸。运用Creo软件建立一套盾构滚刀参数化建模系统可提高盾构滚刀及刀盘设计效率[3]。

本研究结合盾构滚刀种类分析，以盾构单刃滚刀参数化设计为例，运用Creo软件对盾构滚刀参数化设计进行研究。

（1）盾构滚刀的种类及设计方法探讨研究，对盾构滚刀种类和组成结构开展规集研究；

（2）基于自顶向下设计思维研究盾构滚刀结构相关设计参数间的关联规律，最终建立盾构滚刀参数化模型；

（3）基于模块化的思路提出盾构滚刀参数化模型分类管理。

1 盾构滚刀及设计方法分析

1.1 盾构滚刀种类分析

盾构滚刀是一种破碎隧道开挖面渣石的开挖刀具，可安装于顶管、TBM、盾构等隧道施工设备的刀盘上，其作用是切削开挖面渣石并将渣石从开挖面上剥落下来。盾构滚刀种类分辨如图1所示，依据刀圈的形状、尺寸规格及在刀盘上安装位置的不同，有不同的分类，而若根据各细分规则组合进行分辩，滚刀约有576种形式。

图1 盾构滚刀分类图

1.2 设计方法研究

基于Creo平台进行产品设计时，一种方法是自底向上设计，先把一个产品的每个零件都设计好，再分别拿到组件中进行装配，装配完成后再检查各零件的设计是否符合要求，是否存在干涉等情况，如果确认需要修改，则分别更改单独的零件，然后再在组件中再次进行检测，直到最后完全符合设计要求。由于整个过程是自下（零件）而上（组件）的，所以无法从一开始对产品有很好的规划，产品到底有多少个零件只能到所有的零件完成后才能确定，这种方法在修改中也会因为没有事前的仔细规划而事倍功半。

另一种方法是自顶向下设计，该方法首先将产品的主框架作为主组件，并将产品分解为组件、子组件，然后标记主组件元件及其相关特征，最后了解组件内部及组件之间的关系，并评估产品的装配方式，掌握了这些信息，就能规划设计并在模型中总体设计意图。自顶向下设计既可以管理大型组件，又能有效地掌握设计意图，使组织结构明确，不仅能在同一设计小组间迅速传递设计信息、达到信息共享的目的，也能在不同的设计小组间同样传递相同的设计信息，达到协同作战的目的。这样在设计初期，通过严谨的沟通管理，能让不同的设计部门同步进行产品的设计和开发。

鉴于以上两种设计方法，本研究采用自顶向下设计方法进行盾构滚刀参数化建模。

2 盾构滚刀参数化模型

2.1 盾构滚刀参数模型分类

盾构滚刀依据其细分规则，约有576种形式，若每一个都建立一个模型，其建模强度及管理难度都无法估量，因此依据自顶向下设计思路，结合滚刀组成特点，由于滚刀的分类区别主要是刀圈、安装形式和适应压力的不同，故可如图2所示，建立滚刀参数化结构层次图，便可快速完成各类盾构滚刀的设计任务。

2.2 盾构轴式单刃滚刀结构组成

以常规轴式单刃滚刀参数化模型建立为例，其余七种盾构滚刀参数化模型建立思路及步骤基本一致。轴式单刃滚刀的主要组成结构如图3所示，由刀圈、刀轴、上端盖、下端盖、刀体、浮动密封等主要零部件构成。

2.3 盾构轴式单刃滚刀参数化建模

2.3.1 盾构滚刀参数化建模原则

基于Creo自顶向下设计方法对单刃滚刀进行参数化设计，其关键点是正确使用参照原则，如果前期设计参照混乱，将造成后期数据修改困难，同时确立统一的模板、建模规范及命名规范，便于后期维护及使用。盾构轴式单刃滚刀设计开发过程中遵循的参照原则：

（1）对于盾构轴式单刃滚刀及刀圈、刀轴等零部件设计时首先建立骨架，然后参照相应的骨架进行详细设计，保证关键尺寸由骨架控制。

（2）盾构轴式单刃滚刀零部件之间设计关系需要参照时，要明确参照的主次关系，避免循环参照的产生[4]。

（3）盾构轴式单刃滚刀零部件之间非重要配合尺寸不得直接参考，避免零部件之间混乱的父子参照关系。

2.3.2 盾构滚刀建模层次结构确定

图2 滚刀参数化结构层次图

在盾构轴式单刃滚刀的设计中，需根据轴式单刃滚刀的组成结构和基本参数划分层次结构，如图4所示，先建立单刃滚刀主控模型，然后在单刃滚刀主控模型下将单刃滚刀划分为刀圈、刀体等6个参数化零部件模型和3个标准化模型库，标准化模型库参照单刃滚刀主控模型进行装配，刀圈、刀体等参数化零部件模型参照单刃滚刀主控模型及自身控制参数设计各自的骨架，最后进行单刃滚刀组成零部件的详细设计。

图3 常规轴式单刃滚刀主要组成结构图

图4 单刃滚刀参数化建模结构框图

2.3.3 建立盾构滚刀参数化模型

依据单刃滚刀建模结构框图，运用Creo三维软件进行盾构轴式单刃滚刀参数化模型开发，具体建模流程如图5所示，首先是明确统一的三维建模模板、二维工程图模板、三维建模操作规范及相关参数命名规范等，建立统一的标准，然后是对单刃滚刀进行整体布局设计，在此基础上进行单刃滚刀骨架设计，其次是装配上轴承、浮动密封等标准件，以及完成刀轴、刀圈等参数化滚刀零部件骨架及详细设计。

图5 单刃滚刀参数化建模流程图

最终建立的单刃滚刀参数化三维模型及校验结果如图6所示，根据校验结果可知，图中干涉部分为刀轴和端盖螺纹连接部位，因运用Creo绘制螺纹时采用的是修饰螺纹画法，内外螺纹的螺牙部分会重叠，故会在螺纹连接处检查出干涉情况，但连接处端盖螺纹是以刀轴螺纹为参照进行设计的，保证了螺纹绘制大小的一致性，因此可忽略螺纹干涉的情况，而除螺纹连接处有干涉外，其余滚刀零部件均无干涉，确保了滚刀零部件的设计合理可靠。

3 结论

结合盾构滚刀种类分析，运用Creo软件对盾构滚刀参数化设计进行了研究，以盾构单刃滚刀参数化设计为例，证明该方法可以较大程度缩短盾构滚刀的设计时间，提高盾构滚刀设计质量，减少设计人员的设计强度。对该方法进行总结，得出以下结论：

（1）进行盾构滚刀参数化建模的关键点是正确使用参照原则，盾构滚刀层次结构划分正确，正确产品通用模块划分，因此梳理分析盾构滚刀种类及组成结构之间的相互关系、共通性与专有性参数至关重要。

（2）盾构滚刀参数化建模系统在开发前应明确统一的三维建模模板、二维工程图模板、三维建模操作规范及相关参数命名规范等基础标准，确保设计开发出的盾构滚刀参数化模型应用的普遍性，提升模型维护的高效性。

（3）采用盾构滚刀参数化模型系统进行滚刀的设计，可将长达一周的设计周期缩短至数小时，能有效提升盾构滚刀整刀及零部件设计效率。

图6 单刃滚刀参数化三维模型及校验结果图