提升盾构机结构件质量：QC 与 QE 的融合实践

引言

城市地下空间业务量仅占小部分，目前主要方向为跨海、铁路（山区多使用 TBM 机型）、水利、矿山等。盾构机向大直径、长距离、智能化方向发展，其核心结构件如刀盘、盾体面临更严苛的质量要求。当前行业普遍存在设计缺陷引发制造返工、过程失控导致批量质量问题等现象，单一的质量控制或质量工程手段已难以满足需求。基于此，本文旨在突破传统质量管理的分段式局限，形成预防-控制-改进的全链条质量保障体系，对提升国产高端装备可靠性具有重要实践价值。

1QC 与 QE 的理论基础

质量控制的核心方法包括过程检验和统计过程控制。过程检验通过自检互检专检的三检制度确保每道工序达标，统计过程控制则利用控制图分析生产数据波动，识别异常趋势。抽样检验按照标准方案评估批次质量，盾构结构件属于大型、非标产品，每个项目均不相同，几乎没有批量。质量工具如鱼骨图用于追溯问题根源，预防人为失误。这些方法共同构建了从原材料到成品的全流程质量监控体系。质量工程的核心技术手段包括失效模式与效应分析，通过系统评估制造环节潜在缺陷及其影响程度。公差分析确保零部件配合精度，减少装配变异。实验设计方法优化工艺参数组合，提升产品性能稳定性。可靠性工程运用加速寿命试验预测产品耐久性。质量功能展开将客户需求转化为具体技术指标。质量控制与质量工程的协同机制体现在全流程质量管理的闭环整合。质量工程通过前期设计分析和工艺优化预防潜在缺陷，为生产过程奠定质量基础。质量控制则通过实时监测和检验确保制造过程稳定受控，同时将发现的问题反馈至设计端。两者形成从预防到纠正的良性循环，质量工程提供方法论支持，质量控制提供数据验证，共同推动质量持续改进。这种协同模式突破了传统事后检验的局限，实现质量管理的系统化和前瞻性。

2 盾构机结构件质量要求

盾构机核心部件的质量标准体系严格规范了各项性能指标。刀盘刀具需满足设计硬度要求以保证耐磨性，刀盘开口率需满足设计要求才能保证掌子面顺利切屑，主焊缝必须达到一级焊缝标准。盾体圆柱度偏差控制在图纸要求（不同直径、机型对盾体圆柱度的需求公差可能不同）范围内确保推进主机在推进过程中不会出现“卡盾”的问题，关键部位钢板厚度误差不超过规定值以保证盾体结构强度满足要求。螺旋输送机叶片硬度需符合耐磨等级，传动轴径向跳动量限制在技术规范内，叶片螺距满足设计要求以时限出渣顺畅。主驱动电机孔同轴度，尺寸链的严格控制，环件及密封的有效性决定了盾构机的“心脏”强有力的运转。管片拼装机主梁、回转系统、移动系统的制造精度直接决定了管片的拼装效率及制约着掘进进度。所有结构件均需通过无损探伤检测，动态载荷测试中疲劳寿命需达到设计循环次数。材料化学成分和力学性能必须符合工程设计要求，确保在复杂地质条件下的长期可靠性。

3 常见盾构机结构件的质量问题

在盾构机结构件制造过程中，质量问题主要集中在焊接、消除应力、机加工、表面处理等几个方面。焊接缺陷主要表现为焊缝根部未熔透、层间未熔合、焊接变形大等缺陷，这类缺陷在厚板焊接中尤为突出。因此，焊接过程工艺控制尤为关键，所有焊接工序需在专项的工艺文件指导下施焊。例如通过优化坡口设计、制定特定的焊接顺序、焊接方式、预热温度、控制层间温度等方式来避免和解决。结构件焊后的应力消除工序也尤为重要和关键，经常出现因应力消除不当导致产结构件在应力消除阶段出现例如结构严重变形、加工后残余应力过大导致精加工尺寸变形等问题。因此，消除应力的方案选择需结合结构件的结构特点、焊接工艺而定。结构件尺寸精度问题集中在大型部件加工环节，一是关键接口尺寸加工问题，多由尺寸标注错误、加工基准选择错误等原因引发；二是由于切削力引起的弹性变形和残余应力释放导致的尺寸回弹，此类原因常造成法兰对接面平面度和尺寸超差。材料性能方面，重点在于异种钢焊接接头的硬度梯度控制和热处理工艺优化，避免出现软化区。此外，大型结构件喷砂后产生的二次应力变形也需要在工艺规划阶段予以充分考虑。这些制造环节的质量控制直接关系到盾构机的装配精度和使用可靠性。表面处理是保障盾构机结构件耐腐蚀性与服役寿命的关键环节。喷砂除锈后需控制表面粗糙度在 Rz 40-80μm 范围内，确保涂层附着力达标。涂装工艺应采用环氧底漆 ⁺ 聚氨酯面漆体系，膜厚控制在 120-160μm ，避免针孔或流挂缺陷。对于关键受力部位，还需进行磷化处理以增强防腐性能。表面处理前必须完成清洁度检测（ISO 8501-1 标准），防止杂质影响附着效果，从而提升整机密封性与抗疲劳能力，延长设备运行周期。

4 提升盾构机结构件质量：QC 与QE 融合的实践路径

4.1 人工主导的焊接工艺控制

在盾构机制造过程中，焊接作业仍以人工操作为主要生产方式。由于结构件几何形状复杂，自动化焊接设备难以满足工艺要求，焊工需根据WPS（焊接工艺规程）手动调节焊接电流、电压和行走速度等关键参数。层间温度控制依赖手持式红外测温仪进行间断性检测，热输入量波动范围较大。焊缝质量主要通过目视检验（VT）和抽样 RT 检测进行验证，实时监控手段。这种生产模式导致焊接过程稳定性不足，对操作人员的专业技能要求严格。

4.2 非标单件生产的质量管控

盾构机制造采用完全定制化生产模式，每台设备均为独立非标产品，不具备批量生产的重复性特征。这一特性导致传统首件检验制度无法实施，质量基准需针对每个项目单独建立。过程控制主要依赖关键节点设置质量门，通过巡检记录表对坡口尺寸、焊缝外观等特性进行抽样检测。最终检验采用全尺寸测量，但受限于单件生产特点，难以形成稳定的过程能力指数。

4.3 反馈与持续改进

4.3.1 质量数据追溯体系

基于 MES 系统构建全流程质量追溯网络，通过 DMC 码实现设计BOM、工艺路线与制造数据的全生命周期关联。SPC 过程控制模块实时监控关键特性，当CPK 值低于1.33 时触发自动预警机制。质量数据仓库采用分布式架构，集成 IoT 设备采集的工艺参数、三坐标测量数据等多源信息，支持OLAP 多维分析。通过BI 可视化看板动态展示过程能力指数、缺陷柏拉图等关键指标，实现质量状态实时监控。系统确保从原材料入厂到成品出库的全要素可追溯，质量数据查询响应时间控制在3 秒以内。

结束语

总之，通过QC 与 QE 的深度融合，实现了盾构机结构件质量从源头设计到制造交付的系统性提升。未来，可进一步探索数字孪生技术在质量预测中的应用，通过虚拟调试提前识别潜在风险；同时结合AI 质检实现缺陷自动判定，推动质量管理向智能化方向发展。

参考文献

[1]屠垒.基于推拼同步盾构机的管片拼装机结构和控制方法研究[J].城市道桥与防洪,2024,(06):192-195+24-25.

[2]袁文征,高文梁,吴浩,闫阳.盾构机滚刀刀箱的瞬时冲击分析及结构优化[J].机械设计,2024,41(09):111-118.

[3]蔡云秀,李斗,李飞.单胞结构对盾构机复合材料刀圈增强体抗压性能的影响[J].中国铸造装备与技术,2024,59(02):50-54.

[4]陈耕,吴浩.盾构机拖车有限元结构分析合理性研究及应用[J].机械设计与制造工程,2024,53(02):39-43.

[5] 杨 志 . 盾 构 机 刀 盘 结 构 和 刀 具 布 置 设 计 研 究 [J]. 江 西 建材,2024,(01):271-273.