CN109209408B - 全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全断面岩石掘进机刀盘连接法兰处应变监测方法，属于全断面岩石掘进机地下施工实时监测技术领域。本发明的监测方法针对主刀盘连接法兰的应变，进行了测点的安全性布局，这既节省了应变计的数量又能最大限度地对刀盘连接法兰进行安全性监测，以确保TBM安全可靠地进行工作。另外，提出了间接预测模型可以运用此模型在已测数据的基础上实现对其他位置的合理预测。

Description

全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变的监测方法

技术领域

本发明涉及一种全断面岩石掘进机刀盘连接法兰处应变实时监测方法，属于全断面岩石掘进机地下施工实时监测技术领域。

背景技术

全断面掘进装备(简称TBM)，是隧道掘进大型复杂成套装备，广泛应用于水利、交通等各种工程建设。由于TBM工作环境复杂多变，由于掘进时地层岩石高硬高耐磨性，加之TBM刀盘滚刀多点冲击破岩的特点，将产生强冲击载荷，这些载荷将传递到TBM自身，致使TBM会出现剧烈的振动现象，由于刀盘是主要掘进部位，其受到的振动最为剧烈，刀盘与后面盾体之间是以螺栓紧固连接，剧烈的振动可能造成连接法兰处螺栓损伤断裂，因此刀盘连接法兰位置更应进行重点监测。

TBM主机系统主要包含刀盘系统、支撑盾体、驱动电机、主梁、支撑靴等关键部位(图1所示)，刀盘系统(图1中1a)负责主要掘进工作，而其中刀盘(图2中2a)与后驱动部分(图2中2c)两者之间通过连接法兰(图2中2b)进行连接，但恶劣的载荷条件往往造成TBM剧烈振动，这也增加了连接法兰位置的受力和变形，为了保证刀盘和后方驱动之间的紧密连接和TBM的正常掘进，防止受力变形过大而使螺栓断裂，因此必须掌握刀盘连接法兰处应变情况，建立起实时监测系统对其应变情况进行监测，这既可以提醒工程施工人员进行及时的检修，避免进一步的破坏。

目前国内外对TBM刀盘连接法兰应变的监测方案相对研究较少。并且由于法兰本身螺栓较为密集，无法全部安装应变计进行检测。虽也有一些学者也做过一定的理论研究，但对法兰处简化较为严重，因此具有一定的局限性和较大的误差。

基于以上情况，本发明针对刀盘连接法兰(图2中2b)的应变，进行了测点的安全性布局，这既节省了应变计的数量又能最大限度地对刀盘连接法兰进行安全性监测。另外，提出了间接预测模型可以运用此模型在已测数据的基础上实现对其他位置的合理预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全断面岩石掘进机刀盘连接法兰处应变实时监测方法，利用应变计及其数据传输系统获取监测数据，实现对TBM刀盘连接法兰应变状态长期实时监测，并及时反馈给操作人员，防止TBM突发事故的产生，确保TBM安全可靠地工作。

本发明的技术方案：

全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变的监测方法，所用的系统为全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变监测系统，包含用于测量应变的应变计、接受无线信号的无线网关、显示测量数据的计算机、刀盘连接法兰测点布置模型和间接预测模型；通过布置在TBM刀盘连接法兰附近的应变片监测其运行过程中的应变状态，同时基于无线网络协议接受传输应变数据，实现对TBM刀盘连接法兰的实时监测；具体的系统内容分为以下两个方面：刀盘连接法兰应变测点布置模型和间接预测模型；

(1)刀盘连接法兰应变测点布置模型

对刀盘连接法兰的应变和振动的测量，由于测量现场工况以及刀盘连接法兰本身的结构的限制，导致无法对所有部位进行测量；提出一种连接法兰应变测点安全性布置方法，由于后方空间较小，因此将应变计布置于法兰前方，测点的安装方式局部放大图(图3所示)，测点布置模型如下：

y＝Na(e^-bx)^0.2+c(cos(dx+1))²

式中：a—主部系数5.248～5.532，b—幂指系数-0.2222～-0.01645，c—辅部系数1.827～2.153，d—辅弦系数-1.434～-1.342，以上系数均随着测点数目的增多而减少；N—总的螺栓间隔数；x—测点编号1～n；y—测点之间的螺栓间隔数；

刀盘连接法兰应变测点布置模型说明：

(1.1)布置测点时考虑对称原则，因此以法兰顶点位置螺栓为起始点，先布置法兰一半测点，另一半以对称形式布置；

(1.2)当最后一个测点位置超出布置范围，则以最后一个代替即可。

(2)间接预测模型

刀盘连接法兰应变测点布置模型可实现刀盘连接法兰处的测点安全合理布置，在已知测点位置的数值后，需要实现对其他位置应变的推算，因此提出间接预测模型如下：

式中：ε₀—待预测点应变；ε_i—测点Si应变；N—参与预测的测点数目；σ—测点的相互影响系数，0.8～1.5，随着参与预测的测点增大而减小；δ—区域变换系数，1.2～1.9，随着参与预测的测点增大而减小；γ₀—待预测点径向距离参数，3～7，随投影点A0距离O1点的距离增大而增大；γ_i—参与预测的测点径向距离系数，随投影点Ai距离O1点的距离增大而增大；γ—拟圆半径系数，9～9.5,随着圆心O1到O距离的增大而减小；ρ_i—投影点距离系数3～9,随投影点Ai距离待预测点投影点A0的距离增大而减小；μ—修正系数，1.1～1.6，随着圆心O1与O距离的减小而减小；

间接预测模型模型说明：

(2.1)本间接预测模型首先从参与预测的测点Si(i＝1,2…N)中选择距离最远的两个点作为两个外缘点，分别以这两点为圆心，分别以它们到待预测点的直线距离为半径做圆，两圆在法兰内部的交点即为圆心O1；它们的连线就是投影线；

(2.2)测点在投影线上的投影点Ai(i＝1,2…N)即为相应的测点Si(i＝1,2…N)与O1连线和投影响的交点。

本发明的有益效果：本发明的监测方法针对主刀盘连接法兰的应变，进行了测点的安全性布局，这既节省了应变计的数量又能最大限度地对刀盘连接法兰进行安全性监测，以确保TBM安全可靠地进行工作。另外，提出了间接预测模型可以运用此模型在已测数据的基础上实现对其他位置的合理预测。

附图说明

图1是TBM总体图。

图2是刀盘和驱动部分示意图。

图3是刀盘连接法兰处测点布置局部放大图。

图4是测点应变间接预测模型。

图中：1a刀盘；1b支撑盾体；1c主梁；1d支撑靴；

2a刀盘；2b刀盘连接法兰；2c驱动部分；

3a应变计；

Si(i＝1,2…N)为测量点；SO为待预测点；

Ai(i＝1,2…N)为测量点的直线投影点；A0为待预测点的直线投影点；

O为法兰圆心；O1为拟圆圆心。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案详细说明本发明的具体实施方式，图1为某工程的TBM主机系统示意图，体现刀盘所在位置，TBM刀盘在工作过程中不停地切割岩石，刀盘受岩石冲击作用产生受载较大，其后便是连接法兰如图2，经过连接法兰载荷传递到后面部件，由于法兰后方空间较小，因此将应变计布置于法兰前方。

一种全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变的监测方法，所用的全断面岩石掘进机连接法兰应变监测系统，包含用于测量应变的应变计、接受无线信号的无线网关、显示测量数据的计算机、刀盘连接法兰应变测点布置模型和间接预测模型；通过布置在刀盘连接法兰处的应变片来监测其应变状态，同时基于无线网络协议接受传输应变数据，实现对TBM刀盘刀盘连接法兰应变的实时监测；具体包括刀盘连接法兰应变测点布置模型、间接预测模型；

1、刀盘连接法兰应变测点布置模型

对刀盘连接法兰的应变和振动的测量，由于测量现场工况以及刀盘连接法兰本身的结构的限制，导致无法对所有部位进行测量。下面提出一种连接法兰应变测点安全性布置方法，测点布置模型如下：

y＝Na(e^-bx)^0.2+c(cos(dx+1))²

a—主部系数5.248～5.532；

b—幂指系数-0.2222～-0.01645；

c—辅部系数1.827～2.153；

d—辅弦系数-1.434～-1.342；

以上系数均随着测点数目的增多而减少；

N—总的螺栓间隔数；

x—测点编号1～n；

y—测点之间的螺栓间隔数；

模型说明：

(1)布置测点时考虑对称原则，因此以法兰顶点位置螺栓为起始点，先布置法兰一半测点，另一半以对称形式布置。

(2)当最后一个测点位置超出布置范围了则以最后一个代替即可。

2、间接预测模型

以上模型可以实现刀盘连接法兰处的测点安全合理布置，在已知测点位置的数值以后，需要实现对其他位置应变的推算，因此提出了间接预测模型如下：

式中：

ε₀—待预测点应变；

ε_i—测点Si应变；

N—参与预测的测点数目；

σ—测点的相互影响系数，0.8～1.5,随着参与预测的测点增大而减小；

δ—区域变换系数，1.2～1.9，随着参与预测的测点增大而减小；

γ₀—待预测点径向距离参数，3～7，随投影点A0距离O1点的距离增大而增大；γ_i—参与预测的测点径向距离系数，随投影点Ai距离O1点的距离增大而增大；γ—拟圆半径系数，9～9.5,随着圆心O1到O距离的增大而减小；

ρ_i—投影点距离系数3～9,随投影点Ai距离待预测点投影点A0的距离增大而减小；

μ—修正系数，1.1～1.6，随着圆心O1与O距离的减小而减小；

模型说明：

(1)本模型首先从参与预测的测点Si(i＝1,2…N)中选择距离最远的两个点作为两个外缘点，以分别以这两点为圆心，分别以它们到待预测点的直线距离为半径做圆，两圆在法兰内部的交点即为圆心O1。而它们的连线就是投影线。

(2)测点在投影线上的投影点Ai(i＝1,2…N)即为相应的测点Si(i＝1,2…N)与O1连线和投影响的交点。

按照设计的安全性位置布置应变计，对测量点进行应变得分测量，应变计配合电压节点测量应变信号，通过天线放大信号并传输至网关。对于间接预测模型最主要是刀盘连接法兰其他未布置应变片位置的间接预测，当从安全性布置的测点得到数据以后，可以应用此模型进行其他位置应变的推算和预测。TBM工作时产生的实时应变信号就可以显示在TBM主机操作室的计算机上，并生成TBM的工作日志，以实现预期的功能要求。

Claims (1)

1.一种全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变的监测方法，所用的系统为全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变监测系统，包含用于测量应变的应变计、接受无线信号的无线网关、显示测量数据的计算机、刀盘连接法兰应变测点布置模型和间接预测模型；通过布置在全断面岩石掘进机刀盘连接法兰附近的应变片监测其运行过程中的应变状态，同时基于无线网络协议接受传输应变数据，实现对全断面岩石掘进机刀盘连接法兰的实时监测；其特征在于，全断面岩石掘进机刀盘连接法兰应变的监测方法分为刀盘连接法兰应变测点布置模型和间接预测模型；

(1)刀盘连接法兰应变测点布置模型

对刀盘连接法兰的应变和振动的测量，由于测量现场工况以及刀盘连接法兰本身的结构的限制，导致无法对所有部位进行测量；提出一种连接法兰应变测点安全性布置方法，由于后方空间较小，因此将应变计布置于法兰前方，刀盘连接法兰应变测点布置模型如下：

y＝Na(e^-bx)^0.2+c(cos(dx+1))²

式中：a—主部系数5.248～5.532，b—幂指系数-0.2222～-0.01645，c—辅部系数1.827～2.153，d—辅弦系数-1.434～-1.342，以上系数均随着测点数目的增多而减少；N—总的螺栓间隔数；x—测点编号1～n；y—测点之间的螺栓间隔数；

刀盘连接法兰应变测点布置模型说明：

(1.1)布置测点时考虑对称原则，因此以法兰顶点位置螺栓为起始点，先布置法兰一半测点，另一半以对称形式布置；

(1.2)当最后一个测点位置超出布置范围，则以最后一个代替即可；

(2)间接预测模型

刀盘连接法兰应变测点布置模型可实现刀盘连接法兰处的测点安全合理布置，在已知测点位置的数值后，需要实现对其他位置应变的推算，因此提出间接预测模型如下：

式中：ε₀—待预测点应变；ε_i—测点Si应变；N—参与预测的测点数目；σ—测点的相互影响系数，0.8～1.5，随着参与预测的测点增大而减小；δ—区域变换系数，1.2～1.9，随着参与预测的测点增大而减小；γ₀—待预测点径向距离参数，3～7，随投影点A0距离O1点的距离增大而增大；γ_i—参与预测的测点径向距离系数，随投影点Ai距离O1点的距离增大而增大；γ—拟圆半径系数，9～9.5,随着圆心O1到O距离的增大而减小；ρ_i—投影点距离系数3～9,随投影点Ai距离待预测点投影点A0的距离增大而减小；μ—修正系数，1.1～1.6，随着圆心O1与O距离的减小而减小；

间接预测模型模型说明：

(2.1)本间接预测模型首先从参与预测的测点Si(i＝1,2…N)中选择距离最远的两个点作为两个外缘点，分别以这两点为圆心，分别以它们到待预测点的直线距离为半径做圆，两圆在法兰内部的交点即为圆心O1；它们的连线就是投影线；

(2.2)测点在投影线上的投影点Ai(i＝1,2…N)即为相应的测点Si(i＝1,2…N)与O1连线和投影响的交点。

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