【技术实现步骤摘要】
一种预测掘进机刀具累计质量损失率的方法
本专利技术属于全断面隧道掘进机刀具磨损量预测
，特别涉及一种基于质量线损耗指数的预测掘进机刀具累计质量损失率的方法。
技术介绍
全断面隧道掘进机包括TBM和各类型掘进机，是当前在复杂地层环境下进行隧道暗挖施工的主要设备。通过主轴驱动刀盘旋转带动刀盘上的刀具对掌子面施加切应力和摩擦力、和液压千斤顶推动刀盘上的刀具向掌子面施加正应力，来压碎和切割掌子面，实现切土破岩掘进的目的。目前，刀具磨损主要通过理论法和统计法来实现。理论法基于受力分析，而岩石断裂和刀具磨损的机理不明、刀具和围岩的相互作用形式复杂难以明确，理论法未能提供有效的预测手段。统计法基于对试验及施工数据的统计分析，可用性较好。1(掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法，申请号：CN201110068077)和2(岩石隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的预测方法，申请号：CN201710910463)通过理论分析法建立计算方法，理论公式中存在较多关键参数在科研和生产中很难可靠而准确测得，且计算方法仅适用于掌子面均质的情况。3(用寿命系数对盘形滚刀磨损量进行预测的方法，申请号：CN201410386557)根据运动学原理，提出了计算盘形滚刀磨损深度的理论方法，但根据寿命系数的定义，该方法仅适用于滚刀始终在同种均质地层中运动的情况，且刀盘的角速度恒定，而实际工程中刀盘的角速度是变化的，假设刀盘旋转一周内角速度恒定来计算滚刀运动弧长，则偏差极大。4(一种基于CAI值的TBM滚刀磨损预测方法，申请号：CN201610976332)中的各步骤多含有需要根据实验室试验统计得到...
【技术保护点】
1.一种预测掘进机刀具累计质量损失率的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一记录并整理掘进机各类施工参数并按环分组编码：掘进机刀盘正面及边缘分布有K把刀具，根据刀具距离刀盘中心的距离，对所有刀具进行编号，记k号刀具距离刀盘中心的距离为Rk，Rk单位为毫米，k＝1,2,3,...,K；掘进机掘进第m环时，记录时刻为tm‑i时刻表示：在掘进第m环时，第i次记录掘进参数的时刻，Δtm‑i则表示第i次记录与第i‑1次记录之间的时间间隔，i＝1,2,...,Im，m＝1,2,...,M，m为某隧道区间中掘进机的掘进环号，M为隧道区间的总环数，i为某环中掘进机对掘进参数进行记录的记录时刻次序，Im为第m环中掘进参数的总记录次数；根据现场取样结果及勘察报告，确定掘进机掌子面，即隧道开挖横截面的地层信息，明确每一环掌子面土层种类、土层分层排列方式和分层厚度；在以刀盘圆心为极点、在刀盘正面所在平面上的极坐标系下，在不开仓检查的情况下推算每个记录时间间隔内刀具与掌子面接触轨迹弧长对应的地层；如果Δtm‑i内刀具与掌子面接触轨迹弧长lk‑m‑i经过多种地层，计算并统计lk‑m‑i在刀具经过的各地层中的分段长...
【技术特征摘要】
1.一种预测掘进机刀具累计质量损失率的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一记录并整理掘进机各类施工参数并按环分组编码：掘进机刀盘正面及边缘分布有K把刀具，根据刀具距离刀盘中心的距离，对所有刀具进行编号，记k号刀具距离刀盘中心的距离为Rk，Rk单位为毫米，k＝1,2,3,...,K；掘进机掘进第m环时，记录时刻为tm-i时刻表示：在掘进第m环时，第i次记录掘进参数的时刻，Δtm-i则表示第i次记录与第i-1次记录之间的时间间隔，i＝1,2,...,Im，m＝1,2,...,M，m为某隧道区间中掘进机的掘进环号，M为隧道区间的总环数，i为某环中掘进机对掘进参数进行记录的记录时刻次序，Im为第m环中掘进参数的总记录次数；根据现场取样结果及勘察报告，确定掘进机掌子面，即隧道开挖横截面的地层信息，明确每一环掌子面土层种类、土层分层排列方式和分层厚度；在以刀盘圆心为极点、在刀盘正面所在平面上的极坐标系下，在不开仓检查的情况下推算每个记录时间间隔内刀具与掌子面接触轨迹弧长对应的地层；如果Δtm-i内刀具与掌子面接触轨迹弧长lk-m-i经过多种地层，计算并统计lk-m-i在刀具经过的各地层中的分段长度的占比αk-m-i-Ω，Ω为lk-m-i经过的地层序号；tm-i＝tm-(i-1)+Δtm-i,i＝1,2,...,Im,m＝1,2,...,M(1)tm-0＝0,m＝1,2,...,M(2)如式(1)，当i＝1,2,...,(Im-1)时，第m环内的第tm-(i-1)时刻和第tm-i时刻之间的记录时间间隔为Δtm-i，Δtm-i为人工设定值、可以不均等；如式(2)，一环管片拼装完成后开启下一环掘进，每环起始时刻均为0；如式(3)，当i＝Im时，Δtm-i是计算值而非人工设定值；在掘进m环过程中的第1次记录和第Im-1次记录之间，掘进机在第tm-i时刻对掘进参数进行记录；刀盘和刀具在第时刻后到第m环掘进完成并停止的实际运行时长不超过人工设定的记录时间间隔，它是第m环总掘进时长和段内总掘进时长的差；段内总掘进时长CAm如式(4)所示；将极坐标系的极轴逆时针转过得到位置射线，位置射线上距离极点Rk的位置即为按照不同时刻刀具在掌子面上的位置；记录第m环初始时刻k号刀具的初始相位为极轴按逆时针方向转至k号刀具所在刀盘正面半径的所夹弧度，按照式(5)计算Δtm-i内k号刀具转过的角度θk-m-i，按照式(6)计算在第m环内第tm-I时刻刀具所在相位表示不超过的最大正整数；人工设定掘进机每Δtm-i全面记录一次掘进参数nm-i、Tm-i、pm-i、vm-i、Fm-i；第时刻的掘进参数nm-i、Tm-i、pm-i、vm-i、Fm-i取掘进机在该环内最后记录的十组掘进速率不为零的掘进参数中最小掘进速率所对应的一组掘进参数作为第时刻的掘进参数；nm-i，单位为圈每分钟，即r/min，为掘进机在掘进第m环时第i记录时刻次序记录的刀盘转速；Tm-i，单位为10^6Nm，即MNm，为掘进机在掘进第m环时第i记录时刻次序记录的刀盘扭矩；pm-i，单位为Bar，为掘进机在掘进第m环时第i记录时刻次序记录的土仓压力；vm-i单位为毫米每分钟，即mm/min，为掘进机在掘进第m环时第i记录时刻次序记录的掘进速率；Fm-i单位为10^7N，为掘进机在掘进第m环时第i记录时刻次序记录的有效推力；步骤二掌子面的地层分布统计和刀具与掌子面接触轨迹弧长的计算：如式(7)，掘进第m环、i＝1,2,...,Im,m＝1,2,...,M时，第tm-i时刻记录的掘进速率vm-i，乘以记录时间间隔Δtm-i，得到Δtm-i内的掘进距离Dm-i；如式(8)，当i＝1,2,...,Im,m＝1,2,...,M时，在Δtm-i内，k号刀具在第m环内的刀具与掌子面接触轨迹弧长在刀盘旋转方向上的投影距离Sk-m-i，为半径Rk在Δtm-i内按照角速度nm-i旋转得到的圆弧长度；在Δtm-i内，若k号刀具与掌子面接触轨迹弧长经过若干种地层，则αk-m-i-Ω×lk-m-i为k号刀具与掌子面接触轨迹弧长在各地层内的分段弧长，lk-m-i＝∑(αk-m-i-Ω×lk-m-i)为在Δtm-i内刀具与掌子面接触轨迹弧长；如式(9)，将k号刀具与掌子面接触点轨迹所在圆柱侧面展开为平面，当i＝1,2,...,Im,m＝1,2,...,M时，则∑(αk-m-i-Ω×lk-m-i)和Sk-m-i、Dm-i分别构成直角三角形的斜边和直角邻边，满足勾股定理；如式(10)，k号刀具在第m环内的刀具与掌子面接触轨迹弧长Lk-m为第m环内各记录时间间隔内lk-m-i的总和；以Δtm-I内为例，刀具与掌子面接触轨迹弧长lk-m-I经过多种地层，根据Rk、和得到刀具在Δtm-I起止时刻的位置，测量得出lk-m-I在各地层内分段的分段弧长的圆心角后除以刀盘转动角速度，从而得到Δtm-I内刀具在各地层内的运动时间，根据相似三角形原理，Δtm-I内刀具在各地层内的运动时间在Δtm-I内的所占比例即lk-m-I在不同地层中的分段长度的占比αk-m-I-Ω；Dm-i＝vm-i×Δtm-i,i＝1,2,...,Im,m＝1,2,...,M(7)步骤三定义刀具的质量线损耗指数MLI为掘进前后的刀具质量损失率除以刀具与掌子面接触轨迹弧长得到的值：当k号刀具在第e环到第h环内与掌子面接触轨迹仅处于一种地层Ω时，则进行以下计算；当刀具在第e环到第h环内连续掘进并在第h环完成时开仓换刀，将替换下来的刀具洗净烘干并称量质量，同时准确记录磨损状态；将从未使用且干净完好时刀具的洗净干燥后实测净质量记为单位为克，记录精度0.1克，该刀具产生磨损后拆卸下来洗净干燥后实测净质量记为单位为克，记录精度0.1克；如式(11)，在施工现场实测并计算得到的k号刀具在第e环到第h环内，包含第e环和第h环，切割破碎地层Ω的质量线损耗指数即实测得到的k号刀具在第e环到第h环内原始洗净干燥后实测净质量和磨损后的洗净干燥后实测净质量之差占的比例，和k号刀具在第e环到第h环内与掌子面接触轨迹弧长总量的比值；对所有在两次刀具质量量测之间的时间内刀具和掌子面间接触点的运动轨迹所在地层没有发生变化的刀具质量样本进行统计，得到属于地层Ω的质量线损耗指数集合；步骤四消除刀具安装角度的影响，对进行规范化处理：位于刀盘外侧、安装角度不垂直于刀盘正面的边缘刀具的磨损深度与刀具安装半径Rk的比值，为分布于刀盘正面的刀具磨损深度与刀具安装半径Rk的比值的50％左右；所以，刀具安装角度对的变化影响极大；如式(12)，通过对掘进某地层第e环至h环时的边缘刀具的实测乘以2得到等效质量线损耗指数，对掘进某地层第e环至h环时的正面刀具的实测乘以1得到等效质量线损耗指数，从而将边缘刀具的实测值折算并入刀盘正面刀具的质量线损耗指数集合，所有进行回归分析的应变量都是相当于正面刀具的等效质量线损耗指数即近似为分布于刀盘正面的刀具的情况下掘进取得的实测值，对实测值消除了刀具安装角度的影响；步骤五选取掘进参数代表值：k号刀具掘进第e环至第h环时存在若干组掘进参数，且根据步骤三，k号刀具在掘进第e环至第h环时和掌子面间接触点的运动轨迹所在地层没有发生变化，利用掘进参数预测每个就必须对应一组掘进参数代表值Ene,h、Eve,h、ETe,h、EFe,h、Epe,h；Ene,h为k号刀具在第e环至第h环之间时的等效刀盘转速，且k号刀具在第e环至第h环之间时刀具和掌子面间接触点的运动轨迹始终在地层Ω中；将第e环至第h环之间的刀盘转速实测值nm-i按从小到大的顺序进行排列得到数列{ne,h,j,j＝1,2,...}，并分别统计各数列{ne,h,j,j＝1,2,...}内刀盘转速实测值ne,h,j在第e环至第h环之间出现的次数tne,h,j，将tne,h,j除以第e环至第h环之间掘进参数总记录次数得到第e环至第h环之间刀盘转速实测值ne,h,j的出现频率如式(13)所示；如式(14)所示，用高斯分布概率分布模型来拟合ne,h,j和之间的关系，其中λ为振幅，期望值为μne,h，σne,h为标准差；与μne,h在数值上最接近的ne,h,j即为Ene,h；Eve,h为k号刀具在第e环至第h环之间时的等效掘进速率；Ene,h是数列{ne,h,j,j＝1,2,...}中的一个值，在第e环至第h环之间有若干个和Ene,h大小相同的nm-i，把nm-i＝Ene,h时的vm-i进行求和平均得到平均值与在数值上最接近的且同时刻nm-i＝Ene,h的掘进速率实测值的大小即为Eve,h；ETe,h为k号刀具在第e环至第h环之间时的等效刀盘扭矩；Eve,h是一个值，在第e环至第h环之间有若干个和Eve,h大小相同的vm-i，把vm-i＝Eve,h且nm-i＝Ene,h时的Tm-i进行求和平均得到平均值与在数值上最接近且同时刻vm-i＝Eve,h、nm-i＝Ene,h的刀盘扭矩实测值的大小即为ETe,h；EFe,h为k号刀具在第e环至第h环之间时的等效有效推力；ETe,h是一个值，在第e环至第h环之间有若干个和ETe,h大小相同的Tm-i，把Tm-i＝ETe,h且vm-i＝Eve,h且nm-i＝Ene,h时的Fm-i进行求和平均得到平均值与在数值上最接近且同时刻Tm-i＝ETe,h、vm-i＝Eve,h、nm-i＝Ene,h的有效推力实测值的大小即为EFe,h；土仓不带压掘进时等效土仓压力为0；土仓带压掘进时，Epe,h为k号刀具在第e环至第h环之间时的等效土仓压力；EFe,h是一个值，在第e环至第h环之间有若干个和EFe,h大小相同的Fm-i，把Fm-i＝EFe,h且Tm-i＝ETe,h且vm-i＝Eve,h且nm-i＝Ene,h时的pm-i进行求和平均得到平均值与在数值上最接近且同时刻Fm-i＝EFe,h、Tm-i＝ETe,h、vm-i＝Eve,h、nm-i＝Ene,h的有效推力实测值的大小即为Epe,h；步骤六构造自变量：对一元一次的基本自变量Ene,h、Eve,h、ETe,h、EFe,h、Epe,h分别进行扩幂，形成关于Ene,h的自变量集、关于Eve,h的自变量集、关于ETe,h的自变量集、关于EFe,h的自变量集、关于Epe,h的自变量集；回归分析中，参与回归分析的自变量的数量级不宜离散过大，因为回归迭代计算时同时存在过大或过小的样本值会使计算结果难以收敛，获...
【专利技术属性】
技术研发人员：施烨辉，李彤，田开洋，谈金忠，程荷兰，王卫国，孙银娟，韩爱民，孙义杰，黄凌莉，
申请(专利权)人：南京坤拓土木工程科技有限公司，南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。