CN110130907B - 一种用于衡量推进系统偏载的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于衡量推进系统偏载的方法，本方法包括以下步骤：通过安装在液压缸上的液压传感器测得每个液压缸的推力；确定所有液压缸中的最大推力，系统中信号采集及数据处理系统内置的数据比较模块比较每个液压缸推力，得到一个液压缸最大推力值；偏载计算模块对数据进行综合计算确定推力变化系数，进一步根据推力变化系数的值构建推力变化系数椭圆模型。通过公式计算可得椭圆的偏心率，偏心率可以衡量偏载的大小，偏心率的值越大表明推进系统存在的偏载越大。本发明能够精确衡量盾构推进系统每个液压缸偏载情况，有利于盾构施工人员采取相应措施避免偏载过大导致液压推进系统磨损及拼装管片的错台、开裂等隧道质量问题。

Description

一种用于衡量推进系统偏载的方法

技术领域

本发明属于盾构推进系统领域，具体为一种用于衡量推进系统偏载的方法。

背景技术

盾构是一种用于隧道开挖的大型工程机械，具有施工速度快、不受气候及地面交通影响及一次快速成型等优点。近年来，在国内一、二线城市地铁建设之中基本采用盾构进行施工，盾构已广泛应用于我国地下交通系统建设中。

在盾构的各个子系统中盾构推进系统是盾构的关键子系统，其主要承担着整个盾构的推进任务，盾构进行施工时推进液压缸一端作用在盾体上以克服盾构掘进负载，另一端顶推在后方已安装好的管片上，通过管片的反作用力实现整个盾构向前推进。现有盾构推进系统，由十几到几十根液压缸均匀布置而成，但是盾构掘进过程会产生的较大偏载会导致管片破裂，为防止盾构掘进过程产生较大偏载，目前所采用的四分区控制盾构推进系统，在液压缸数量分配上，多采用下分区的液压缸数量比上分区的数量多的原则，从而使得下区液压缸能够承受更大的压力，实现下区各液压缸受力均匀。

盾构在实际施工过程中，要获取施工岩土对象足够准确的力学数据信息通常较为困难，掘进时盾构与地层之间的作用具有随机性，而现有的四分区盾构推进系统，由于各区液压缸数量固定，因此不能较好的解决盾构面对实时地质条件、刀盘自重、纠偏及变向引起的偏载现象，需要提出一种偏载衡量方法，防止盾构推进系统偏载过大影响隧道管片拼装质量。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种用于衡量推进系统偏载的方法，其目的是为了衡量其偏载大小避免偏载过大损坏管片来保护盾构液压推进系统及隧道管片，减小盾构偏载对隧道管片拼装质量造成的不良影响。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于衡量推进系统偏载的方法，所述的盾构推进系统偏载衡量模型包括刀盘、液压缸、压力传感器、信号采集及数据处理系统、管片，在每个液压缸进油管处安装有压力传感器，压力传感器与信号采集及数据处理系统连接；所述信号采集及数据处理系统分别与客户端显示模块连接；包括以下步骤：

步骤1：压力传感器测得每个液压缸推力，盾构前行、转弯或者进行姿态纠偏时，压力传感器开始采集每个液压缸的实际顶推力数据F_i；

步骤2：数据比较模块对液压缸推力进行比较得到液压缸推力最大值，通过数据比较模块对所有液压缸的推力F_i进行比较，在所有液压缸中找出其中推力最大的一个值，其值记为F_max；

步骤3：偏载计算模块对数据进行综合计算得到推力变化系数d，通过液压缸推力最大值F_max与任意液压缸推力值F_i相减，再比上液压缸推力最大值F_max，可以得到推力变化系数d，推力变化系数计算公式为d＝(F_max-F_i)/F_max；

步骤4，确定推力变化系数椭圆偏心率e，所述的液压缸沿盾构轴线圆周分布，液压缸分布半径为r，第i个液压缸的力作用点在坐标系o-xy中的坐标为(x_i，y_i)，x_i、y_i、r之间的关系可以由如下方程表示：

位于坐标(x_i，y_i)处液压缸推力变化系数记为d_i，在z轴方向取值表示d_i的大小，所有的空间点坐标(x_i，y_i，d_i)在空间坐标系o-xyz上构成一个空间椭圆。空间椭圆的偏心率e可以由如下公式表示：

式中e为椭圆偏心率，r为液压缸布局半径，F_max为液压缸推力最大值，F_min为液压缸推力最小值；通过偏心率来衡量液压缸偏载程度，偏心率的值越大，推进系统的偏载越大。

进一步的，所述液压缸由液压换向阀控制液压缸的伸长量，从而实现盾构的前行和转弯。

进一步的，所述的信息采集及数据处理系统内置有偏载计算模块，通过偏载计算模块计算得到推力变化系数d，推力变化系数计算公式为d＝(F_max-F_i)/F_max。

本发明的有益效果：

1、一种用于衡量推进系统偏载新方法，面对盾构系统面对实时地质条件、自重、变向等载荷改变时引起偏载导致管片破裂问题，能够精确衡量盾构推进系统的偏载和力传递的均匀性。

2、通过本发明检测盾构偏载，能够避免液压系统的破坏，提高液压系统的使用寿命；同时为盾构操作人员提供参考，防止盾构推进系统偏载过大使得隧道管片发生错台、开裂等质量问题。

附图说明

图1为本发明偏载衡量系统示意图。

图2为本发明推力变化系数椭圆模型示意图。

图中：1、管片；2、液压缸；3、压力传感器；4、刀盘。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1-图2所示，本发明的具体实施例：一种用于衡量推进系统偏载的方法，所述的盾构推进系统偏载衡量模型包括刀盘4、液压缸2、压力传感器3、信号采集及数据处理系统、管片1，在每个液压缸进油管处安装有压力传感器，压力传感器与信号采集及数据处理系统连接；所述信号采集及数据处理系统分别与客户端显示模块和报警模块连接；所述信号采集及数据处理系统内设置数据对比模块和偏载计算模块，包括以下步骤：

步骤1：压力传感器测得每个液压缸推力，盾构前行、转弯或者进行姿态纠偏时，压力传感器开始采集每个液压缸的实际顶推力数据F_i；

步骤2：数据比较模块对液压缸推力进行比较得到液压缸推力最大值，通过数据比较模块对所有液压缸的推力F_i进行比较，在所有液压缸中找出其中推力最大的一个值，其值记为F_max；

步骤3：偏载计算模块对数据进行综合计算得到推力变化系数d，通过液压缸推力最大值F_max与任意液压缸推力值F_i相减，再比上液压缸推力最大值F_max，可以得到推力变化系数d，推力变化系数计算公式为d＝(F_max-F_i)/F_max；

步骤4：确定推力变化系数椭圆偏心率；所有液压缸沿盾构轴线圆周分布，液压缸分布半径为r，第i个液压缸的力作用点在坐标系o-xy中的坐标为(x_i，y_i)，x_i、y_i、r之间的关系可以由如下方程表示：

位于坐标(x_i，y_i)处液压缸推力变化系数记为d_i，在z轴方向取值表示d_i的大小，当液压缸推力不均匀存在偏载时，所有的空间点坐标(x_i，y_i，d_i)在空间坐标系o-xyz上构成一个空间椭圆，如图2所示。空间椭圆的偏心率e计算公式为：

式中e为椭椭圆偏心率，r为液压缸布局半径，F_max为液压缸推力最大值，F_min为液压缸推力最小值。通过偏心率来衡量液压缸偏载程度，偏心率的值越大，推进系统的偏载越大。

下面以含有六个液压缸2、管片1、刀盘4、压力传感器3的衡量系统为例对本发明做进一步解释。

将压力传感器3安装在液压缸2进油管道处，压力传感器3与信号采集及数据处理系统连接，将采集到的数据传输到信号采集及数据处理系统进行处理，所述信号采集及数据处理系统还连接有客户显示系统。

上述信息采集及数据处理系统内置有数据比较模块，通过数据比较模块对所有液压缸的推力F_i进行比较，在所有液压缸2推力中找出其中推力最大的一个值，其值记为F_max。

上述信息采集及数据处理系统内置有偏载计算模块，通过偏载计算模块计算得到推力变化系数d，按照如下公式计算每个液压缸相对应的推力变化系数d₁、d₂、d₃、d₄、d₅、d₆，

d_i＝(F_max-F_i)/F_max，其中F_i为第i个液压缸推力，F_max为所有液压缸中推力的最大值，空间点(x_i，y_i，d_i)将在空间坐标系o-xyz内构成空间椭圆，如图2所示，空间椭圆参数为：

b＝r

式中a表示椭圆长轴，b表示椭圆短轴，F_min表示液压缸推力最小值。

本实施例分别取两组推进系统液压缸的推力数据，液压缸排布半径为r＝3m，推力取值分别为(70t、72t、75t、76t、78t、80t)和(10t、12t、15t、16t、18t、20t)，t为力学单位吨。

下面分别通过偏心率计算公式计算两种情况下的偏心率：

由计算结果可知第一种情况下的推进系统偏载比第二种情况小，本发明提出的推力变化系数椭圆模型能够精确描述盾构推进系统力传递均匀性，通过椭圆偏心率值衡量推进系统偏载的大小，偏心率越大表明推进系统偏载越大，改进后的推力变化系数椭圆模型能够准确衡量推进系统的偏载程度。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于衡量推进系统偏载的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1：在每个液压缸上安装检测其推力的压力传感器，所述压力传感器与信号采集及数据处理系统连接；所述信号采集及数据处理系统与客户端显示模块连接；

步骤2：确定每个液压缸的推力；当盾构前行、转弯或者进行姿态纠偏时，压力传感器开始采集每个液压缸的实际顶推力数据F_i；

步骤3：确定所有液压缸中顶推力最大值；通过数据比较模块对所有液压缸的推力F_i进行比较，在所有液压缸中找出其中推力最大值，其值记为F_max；

步骤4：确定推力变化系数；推力变化系数计算公式为：

d＝(F_max-F_i)/F_max

其中F_i为步骤2中任意液压缸顶推力数据，F_max为步骤3中顶推力最大值，d为推力变化系数；

步骤5：确定推力变化系数椭圆偏心率；所有液压缸沿盾构轴线圆周分布，液压缸分布半径为r，第i个液压缸的力作用点在坐标系o-xy中的坐标为(x_i，y_i)，x_i、y_i、r之间的关系可以由如下方程表示：

位于坐标(x_i，y_i)处液压缸推力变化系数记为d_i，在z轴方向取值表示d_i的大小，所有的空间点坐标(x_i，y_i，d_i)在空间坐标系o-xyz上构成一个空间椭圆，空间椭圆的偏心率e计算公式为：

式中e为椭圆偏心率，r为液压缸布局半径，F_max为液压缸推力最大值，F_min为液压缸推力最小值。

2.根据权利要求1所述的一种用于衡量推进系统偏载的方法，其特征在于：所述的信息采集及数据处理系统内置有偏载计算模块和数据比较模块，通过数据比较模块实现推力F_i的比较,通过偏载计算模块计算得到推力变化系数d和椭圆偏心率e。

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