CN108984817A - 一种tbm刀具磨损量实时评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种TBM刀具磨损量实时评估方法，涉及隧道掘进装备施工技术。首先建立某隧道施工参数、地质参数和刀具磨损量的工程数据样本库。通过对该隧道数据近三年的追踪，建立了地质参数、施工参数和滚刀磨损量的数学模型，从而对施工过程中刀具的磨损预测、维修更换提供指导。本发明方法克服了现有技术还存在无法定量评判TBM滚刀磨损的缺陷。同时基于现场施工数据建立分析模型的方法，避免了理论分析模型与实际掘进工况不适应的局限性。
Description
技术领域
本发明属于隧道掘进装备施工技术领域，是一种用于硬岩隧道掘进机TBM刀具磨损量实时评估方法，从而对刀具是否需要更换、维修提供指导，实现TBM刀群智能化、信息化管理。
背景技术
硬岩隧道掘进机(以下简称硬岩TBM)是一种专门应用于开挖岩石隧道与地下通道工程的大型高科技施工装备。刀盘掘进系统是硬岩TBM上最关键的掘进工具。在施工过程中，由于围岩类型复杂多变，刀盘系统在破岩过程中磨损问题十分严重。在一些工程中，刀具定期检查、修复与换刀所占费用以及所消耗的时间已经接近工程造价与施工时间的三分之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是硬岩隧道掘进机TBM刀盘系统滚刀磨损程度无法实时预估，需定期检查、更换刀具，耗时耗力，从而提供一种TBM刀具磨损量实时评估方法，从而对刀具是否需要更换、维修提供指导。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种TBM刀具磨损量实时评估方法，步骤如下：
S1，建立工程数据库。
所述工程数据包括地质参数、施工参数、刀具更换参数、刀具维修数量；施工参数是通过上位机记录的掘进参数进行汇总，刀具更换参数包括更换时间、更换数量和滚刀磨损量；地质参数包括围岩岩性和围岩等级，由现场工程师进行记录；地质参数、施工参数、刀具更换数据库通过桩号、掘进时间一一对应。
S2，构建滚刀磨损量占比K和安装半径R的关系模型。
S2.1，在工程数据库中按照不同岩性、不同围岩等级对换刀数据进行统计，获得每把不同安装半径R的滚刀的每米平均磨损量N，进而得到每把不同安装半径R滚刀的磨损量占比K：
其中：Num为滚刀总数量，Ki为第i个滚刀的磨损量占比，Ni为第i个滚刀的数量；
S2.2，采用最小二乘法得到滚刀安装半径R和磨损量占比K的关系模型：
K＝a*ebR；
其中：a,b均为模型系数。
S3，构建平均破碎比能SE和所有滚刀的每米平均磨损量M的关系模型。
S3.1，在工程数据库中，按照不同岩性、不同围岩等级对换刀数据进行统计，求取所有滚刀的每米平均磨损量M；
S3.2，在工程数据库中，按照不同岩性、不同围岩等级对设备掘进参数进行分类汇总，求取平均破碎比能SE，计算公式为：
F为推力，单位为kN；P为贯入度，单位为mm/min；T为刀盘扭矩，单位为kN.m；
S3.3，根据步骤S3.1和步骤S3.2，采用最小二乘法得到平均破碎比能SE和所有滚刀的每米平均磨损量M的关系模型：
M＝k1*SE2+k2*SE+k3；
其中：k1,k2,k3均为模型系数。
S4，给定每把滚刀的安装半径、当前磨损量和允许最大磨损量。
S5，从PLC中获得当前设备掘进参数，计算当前工况下的平均破碎比能SE。
S6，结合步骤S3和S5得到当前工况下所有滚刀的每米平均磨损量M，并根据掘进距离获得滚刀的总磨损量。
S7，结合步骤S2和步骤S6得到每把滚刀的磨损量，并结合步骤S4更新每把滚刀的当前磨损量。
S8，将每把滚刀的当前磨损量与最大允许磨损量进行对比，若存在每把滚刀的当前磨损量大于最大允许磨损量，则在上位机上显示出需更换滚刀的个数和刀号，提醒刀具班及时对刀具更换维修，保障设备的顺利掘进。
本发明依据掘进过程中上位机获取的施工参数对刀盘系统滚刀磨损程度进行实时预估，无需增加额外的传感器或工序，不影响现场施工。本发明方法克服了现有技术还存在无法定量评判TBM滚刀磨损的缺陷。同时基于现场施工数据建立分析模型的方法，避免了理论分析模型与实际掘进工况不适应的局限性。因此，实现对TBM刀群健康状态智能化、信息化管理，实时掌握刀具的磨损状态，变过去的定时检修为预知维修、主动维修，从而提高维修或更换的可靠性，提高施工效率，节约施工成本。而且本发明在主控室的显示屏上显示信息供主司机及时查看，从而对换刀时间、换刀数量进行智能决策。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明关系模型Y1的曲线图。
图2为本发明关系模型Y2的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种TBM刀具磨损量实时评估方法，步骤如下：
S1，建立工程数据库。
所述工程数据包括地质参数、施工参数、刀具更换参数、刀具维修数量；施工参数是通过上位机记录的掘进参数进行汇总，刀具更换参数包括更换时间、更换数量和滚刀磨损量；地质参数包括围岩岩性和围岩等级，由现场工程师进行记录；地质参数、施工参数、刀具更换数据库通过桩号、掘进时间一一对应。
S1，建立工程数据库。
所述工程数据包括地质参数、施工参数、刀具更换参数、刀具维修数量；施工参数是通过上位机记录的掘进参数进行汇总，刀具更换参数包括更换时间、更换数量和滚刀磨损量；地质参数包括围岩岩性和围岩等级，由现场工程师进行记录；地质参数、施工参数、刀具更换数据库通过桩号、掘进时间一一对应。
S2，构建滚刀磨损量占比K和安装半径R的关系模型，如图1所示。
S2.1，在工程数据库中按照不同岩性、不同围岩等级对换刀数据进行统计，获得每把不同安装半径R的滚刀的每米平均磨损量N，进而得到每把不同安装半径R滚刀的磨损量占比K：
其中：Num为滚刀总数量，Ki为第i个滚刀的磨损量占比，Ni为第i个滚刀的数量；
S2.2，采用最小二乘法得到滚刀安装半径R和磨损量占比K的关系模型：
K＝a*ebR；
其中：a,b均为模型系数。
S3，构建平均破碎比能SE和所有滚刀的每米平均磨损量M的关系模型，如图2所示。
S3.1，在工程数据库中，按照不同岩性、不同围岩等级对换刀数据进行统计，求取所有滚刀的每米平均磨损量M；
S3.2，在工程数据库中，按照不同岩性、不同围岩等级对设备掘进参数进行分类汇总，求取平均破碎比能SE，计算公式为：
F为推力，单位为kN；P为贯入度，单位为mm/min；T为刀盘扭矩，单位为kN.m；
S3.3，根据步骤S3.1和步骤S3.2，采用最小二乘法得到平均破碎比能SE和所有滚刀的每米平均磨损量M的关系模型：
M＝k1*SE2+k2*SE+k3；
其中：k1,k2,k3均为模型系数。
S4，给定每把滚刀的安装半径、当前磨损量和允许最大磨损量。
S5，从PLC中获得当前设备掘进参数，计算当前工况下的平均破碎比能SE。
S6，结合步骤S3和S5得到当前工况下所有滚刀的每米平均磨损量M，并根据掘进距离获得滚刀的总磨损量。
S7，结合步骤S2和步骤S6得到每把滚刀的磨损量，并结合步骤S4更新每把滚刀的当前磨损量。
S8，将每把滚刀的当前磨损量与最大允许磨损量进行对比，若存在每把滚刀的当前磨损量大于最大允许磨损量，则在上位机上显示出需更换滚刀的个数和刀号，提醒刀具班及时对刀具更换维修，保障设备的顺利掘进。
本发明依据掘进过程中上位机获取的施工参数对刀盘系统滚刀磨损程度进行实时预估，无需增加额外的传感器或工序，不影响现场施工。本发明方法克服了现有技术还存在无法定量评判TBM滚刀磨损的缺陷。同时基于现场施工数据建立分析模型的方法，避免了理论分析模型与实际掘进工况不适应的局限性。因此，实现对TBM刀群健康状态智能化、信息化管理，实时掌握刀具的磨损状态，变过去的定时检修为预知维修、主动维修，从而提高维修或更换的可靠性，提高施工效率，节约施工成本。而且本发明在主控室的显示屏上显示信息供主司机及时查看，从而对换刀时间、换刀数量进行智能决策。
上面所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种TBM刀具磨损量实时评估方法，其特征在于，步骤如下：
S1，建立工程数据库；
所述工程数据包括设备参数、地质参数、施工参数、刀具磨损量、刀具更换数量、刀具维修数量；
S2，构建滚刀磨损量占比K和安装半径R的关系模型：
K＝a*ebR；
其中：a,b均为模型系数；
S3，构建平均破碎比能SE和所有滚刀的每米平均磨损量M的关系模型：
M＝k1*SE2+k2*SE+k3；
其中：k1,k2,k3均为模型系数；
S4，给定每把滚刀的安装半径、当前磨损量和允许最大磨损量；
S5，从PLC中获得当前设备掘进参数，计算当前工况下的平均破碎比能SE；
S6，结合步骤S3和S5得到当前工况下所有滚刀的每米平均磨损量M，并根据掘进距离获得滚刀的总磨损量；
S7，结合步骤S2和步骤S6得到每把滚刀的磨损量，并结合步骤S4更新每把滚刀的当前磨损量；
S8，将每把滚刀的当前磨损量与最大允许磨损量进行对比，若存在每把滚刀的当前磨损量大于最大允许磨损量，则在上位机上显示出需更换滚刀的个数和刀号，提醒刀具班及时对刀具更换维修，保障设备的顺利掘进。
2.根据权利要求1所述的TBM刀具磨损量实时评估方法，其特征在于，在步骤S1中，所述施工参数是通过上位机记录的掘进参数汇总得到，刀具更换参数包括更换时间、更换数量和滚刀磨损量，由现场工程师记录或通过滚刀磨损在线监测装置获取；地质参数包括围岩岩性和围岩等级，由现场工程师进行记录；地质参数、施工参数、刀具更换数据库通过桩号、掘进时间一一对应。
3.根据权利要求1所述的TBM刀具磨损量实时评估方法，其特征在于，在步骤S2中，具体步骤为：
S2.1，在工程数据库中按照不同岩性、不同围岩等级对换刀数据进行统计，获得每把不同安装半径R的滚刀的每米平均磨损量N，进而得到每把不同安装半径R滚刀的磨损量占比K：
其中：Num为滚刀总数量，Ki为第i个滚刀的磨损量占比，Ni为第i个滚刀的数量；
S2.2，采用最小二乘法得到滚刀安装半径R和磨损量占比K的关系模型：
K＝a*ebR；
其中：a,b均为模型系数。
4.根据权利要求1所述的TBM刀具磨损量实时评估方法，其特征在于，在步骤S3中，具体步骤为：
S3.1，在工程数据库中，按照不同岩性、不同围岩等级对换刀数据进行统计，求取所有滚刀的每米平均磨损量M；
S3.2，在工程数据库中，按照不同岩性、不同围岩等级对设备掘进参数进行分类汇总，求取平均破碎比能SE，计算公式为：
F为推力，单位为kN；P为贯入度，单位为mm/min；T为刀盘扭矩，单位为kN.m；
S3.3，根据步骤S3.1和步骤S3.2，采用最小二乘法得到平均破碎比能SE和所有滚刀的每米平均磨损量M的关系模型：
M＝k1*SE2+k2*SE+k3；
其中：k1,k2,k3均为模型系数。
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