CN111337165B - 一种盾构螺旋输送机的压力测量系统及其计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构螺旋输送机的压力测量系统及其计算方法，包括参数模块、角度模块、密度模块、传感器模块、位置模块和数据处理模块；通过参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数，便于对不同的盾构螺旋输送机进行压力计算，适应范围广，提高了压力测量系统的使用效率；角度模块便于对盾构螺旋输送机的运作状态进行控制，传感器模块便于对盾构螺旋输送机的运作状态进行检测，密度模块便于对输送的渣土的性质进行检测，位置模块便于对盾构螺旋输送机所需测量压力的长度位置进行检测。在参数模块、角度模块、传感器模块、密度模块和位置模块的共同作用下，能够准确得到盾构螺旋输送机和渣土的状态，从而提高压力测量的精确度。

Description

一种盾构螺旋输送机的压力测量系统及其计算方法

技术领域

本发明涉及压力测量领域，具体涉及一种盾构螺旋输送机的压力测量系统及其计算方法。

背景技术

盾构螺旋输送机是通过螺旋叶片旋转不断推动物料移动进行输送的设备，且一般用来传送渣土，传送渣土的管道内部压力是衡量盾构螺旋输送机工作状态的重要指标，根据管道内部压力对盾构螺旋输送机的工作进行调整，可以有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。但是目前没有合适的测量装置用来对盾构螺旋输送机的管道内部压力进行测量，使得盾构螺旋输送机管道内部压力的测量工作很难进行。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种盾构螺旋输送机的压力测量系统及其计算方法，能够预测盾构螺旋输送机的管道内部压力，从而有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。

第一方面，本发明提出了一种盾构螺旋输送机的压力测量系统，包括：用于接收盾构螺旋输送机的结构参数的参数模块、用于接收螺旋轴的安装倾斜角度和渣土的输出角度的角度模块、用于检测渣土的密度的密度模块、用于检测盾构螺旋输送机的初始压力和扭矩的传感器模块、用于接收盾构螺旋输送机的长度位置信息的位置模块，以及数据处理模块；所述结构参数包括：螺旋叶片厚度、螺旋叶片螺距、螺旋叶片直径、螺旋轴直径和螺旋槽的槽深；所述数据处理模块分别与参数模块、角度模块、密度模块、传感器模块和位置模块连接。

根据本发明实施例的盾构螺旋输送机的压力测量系统，至少具有如下有益效果：通过参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数，便于对不同的盾构螺旋输送机进行压力计算，适应范围广，提高了压力测量系统的使用效率；角度模块便于对盾构螺旋输送机的运作状态进行控制，传感器模块便于对盾构螺旋输送机的运作状态进行检测，密度模块便于对输送的渣土的性质进行检测，位置模块便于对盾构螺旋输送机所需测量压力的长度位置进行检测。在参数模块、角度模块、传感器模块、密度模块和位置模块的共同作用下，能够准确得到盾构螺旋输送机和渣土的状态，从而提高压力测量的精确度。

第二方面，本发明实施例还提出了一种盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，包括如下步骤：

通过所述参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数；

利用所述数据处理模块对所述结构参数进行处理，得到螺旋叶片的叶片螺旋角、螺旋轴的轴螺旋角和螺旋槽的平均螺旋角；

通过所述角度模块接收螺旋轴的安装倾斜角度和渣土的输出角度；

通过所述密度模块获取渣土的密度；

通过所述传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力和剪切应力；所述剪切应力包括：上螺旋叶片剪切应力、下螺旋叶片剪切应力、螺旋轴剪切应力、螺旋壳剪切应力；

利用所述数据处理模块对所述结构参数、所述叶片螺旋角、所述轴螺旋角、所述平均螺旋角、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度、所述初始压力和所述剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型；

通过所述位置模块接收盾构螺旋输送机的长度位置信息，并输入到所述压力分布预测模型中进行处理，得到渣土对盾构螺旋输送机的压力。

根据本发明的一些实施例，通过所述角度模块接收螺旋槽的安装倾斜角度和渣土的输出角度，包括如下步骤：

通过所述角度模块接收螺旋槽的安装倾斜角度；

利用所述角度模块接收电机的运转速度；

利用所述数据处理模块对所述运转速度和所述结构参数进行处理，得到盾构螺旋输送机的实际体积输送率和理论最大体积输送率；

通过所述数据处理模块对所述叶片螺旋角、所述实际体积输送率和所述理论最大体积输送率进行处理，得到渣土的输出角度。

根据本发明的一些实施例，通过所述传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力和剪切应力，包括如下步骤：

通过所述传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力；

通过所述传感器模块获取盾构螺旋输送机的扭矩；

通过所述数据处理模块对所述结构参数、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度和所述扭矩进行处理，得到盾构螺旋输送机内各个面的剪切应力。

根据本发明的一些实施例，利用所述数据处理模块对所述结构参数、所述叶片螺旋角、所述轴螺旋角、所述平均螺旋角、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度、所述初始压力和所述剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型，包括如下步骤：

利用所述数据处理模块对所述结构参数进行处理，得到渣土的尺寸与螺旋结构参数间的关系常数；

通过所述数据处理模块对所述关系常数、所述叶片螺旋角、所述轴螺旋角、所述平均螺旋角、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度、所述初始压力和所述剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的压力测量系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的压力测量系统的计算方法的整体流程图；

图3是根据本发明实施例的盾构螺旋输送机的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的螺旋叶片上的螺旋角定义示意图；

图5是根据本发明实施例的渣土微元体的结构示意图；

图6是图5中的渣土微元体的放大示意图；

图7是根据本发明实施例的1-6号测试点的压力分布图。

附图标记：

渣土微元体10、螺旋槽11、螺旋壳体12、螺旋叶片13、螺旋轴14。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

如图1所示，根据本发明实施例的一种盾构螺旋输送机的压力测量系统，包括：用于接收盾构螺旋输送机的结构参数的参数模块、用于接收螺旋轴14的安装倾斜角度和渣土的输出角度的角度模块、用于检测渣土的密度的密度模块、用于检测盾构螺旋输送机的初始压力和扭矩的传感器模块、用于接收盾构螺旋输送机的长度位置信息的位置模块，以及数据处理模块；结构参数包括：螺旋叶片厚度、螺旋叶片螺距、螺旋叶片直径、螺旋轴直径和螺旋槽11的槽深；数据处理模块分别与参数模块、角度模块、密度模块、传感器模块和位置模块连接。

例如，如图1、图3和图5所示，盾构螺旋输送机的结构一般包括：螺旋轴14和螺旋叶片13，螺旋叶片13沿螺旋轴14外周缠绕设置，螺旋叶片13与螺旋壳体12之间形成螺旋槽11。在旋转时，螺旋叶片13绕螺旋轴14进行转动，由于螺旋槽11设置于螺旋叶片13与螺旋壳体12之间，从而使螺旋槽11也进行受力转动；由于螺旋槽11内装载有渣土，因此渣土也进行从动，从而与盾构螺旋输送机内的各个接触面之间产生摩擦力，使得改性渣土能够被盾构螺旋输送机进行外排。进一步，盾构螺旋输送机设置有进渣口和出渣口。

通过参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数，包括：螺旋叶片厚度、螺旋叶片螺距、螺旋叶片直径、螺旋轴直径和螺旋槽11的槽深，便于对不同的盾构螺旋输送机进行压力计算，适应范围广，提高了压力测量系统的使用效率。角度模块便于对盾构螺旋输送机的运作状态进行控制；例如是螺旋轴14在正常运作时，螺旋槽11的倾斜角度，以及渣土在输出盾构螺旋输送机时的输出角度。

传感器模块便于对盾构螺旋输送机的运作状态进行检测；其中，传感器模块可以通过压力传感器对盾构螺旋输送机的初始压力进行检测，并且可以通过扭矩传感器对盾构螺旋输送机的扭矩进行检测。密度模块便于对输送的渣土的性质进行检测；其中，密度模块可以通过密度测试仪对渣土的密度进行检测。位置模块能够接收用户输入的长度位置信息，且该长度位置定义为：盾构螺旋输送机上所需测量压力的位置与进渣口之间的距离。

在参数模块、角度模块、传感器模块和密度模块的共同作用下，能够准确得到盾构螺旋输送机和渣土的状态，从而提高压力测量的精确度。在位置模块和数据处理模块的共同作用下，能够预测盾构螺旋输送机的管道内部压力，从而有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。

如图2所示，根据本发明实施例的一种盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，包括如下步骤：

步骤S100：通过参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数；

步骤S200：利用数据处理模块对结构参数进行处理，得到螺旋叶片13的叶片螺旋角、螺旋轴14的轴螺旋角和螺旋槽11的平均螺旋角；

步骤S300：通过角度模块接收螺旋轴14的安装倾斜角度和渣土的输出角度；

步骤S400：通过密度模块获取渣土的密度；

步骤S500：通过传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力和剪切应力；剪切应力包括：上螺旋叶片剪切应力、下螺旋叶片剪切应力、螺旋轴剪切应力、螺旋壳体剪切应力；

步骤S600：利用数据处理模块对结构参数、叶片螺旋角、轴螺旋角、平均螺旋角、安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力和剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型；

步骤S700：通过位置模块接收盾构螺旋输送机的长度位置信息，并输入到压力分布预测模型中进行处理，得到渣土对盾构螺旋输送机的压力。

例如，如图2和图3所示，步骤S100参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数，其中结构参数包括：螺旋叶片厚度、螺旋叶片螺距、螺旋叶片直径、螺旋轴直径和螺旋槽11的槽深。其中，螺旋叶片螺距为相邻的两个螺旋叶片13之间的距离，螺旋叶片直径为螺旋叶片13在水平方向上的投影所形成的圆的直径，螺旋槽11的槽深为螺旋叶片13的外侧边缘到螺旋轴14的最短距离。进一步，定义：e为螺旋叶片厚度，s为螺旋叶片螺距，2R为螺旋叶片直径，2r为螺旋轴直径，d为螺旋槽11的槽深。

步骤S200数据处理模块对结构参数进行处理，根据以下公式计算得到螺旋叶片13的叶片螺旋角、螺旋轴14的轴螺旋角和螺旋槽11的平均螺旋角。其中，螺旋叶片13外侧边缘上任意一点的切线与其水平方向投影所成夹角为叶片螺旋角，将一个螺距的螺旋线展开后，该螺旋线为一直角三角形的斜边，螺距为该直角三角形直角边，螺旋线在其水平方向投影为另外一条直角边，参照图4(a)可知螺旋叶片13的立体结构，参照图4(b)可知螺旋叶片13的展开结构，由此可计算螺旋叶片13上任意一点的叶片螺旋角

为：

其中，dy为轴向微增量；dl为螺旋叶片13螺旋方向微增量。

根据上述(1)式，可计算螺旋叶片13外侧边缘上的叶片螺旋角

为：

同理可得螺旋轴14的轴螺旋角

为：

盾构隧道施工时，盾构螺旋输送机是满管输送的，即渣土塞满在盾构螺旋输送机内。参照图5和图6，以螺旋槽11内的渣土微元体10为研究对象，即渣土微元体10各向长度定义为：渣土微元体10沿螺旋槽11方向顶部长度为d(f_t)_l、平均长度为d(f_m)_l、底部长度为d(f_b)_l；螺旋槽11内渣土微元体10的顶部宽度为(c_t)_w、平均宽度为(c_m)_w、底部宽度为(c_b)_w。同时，渣土微元体10各向长度满足以下几何关系：

其中，由于盾构螺旋输送机是满管输送的，渣土微元体10的顶部长度d(f_t)_l为渣土微元体10在螺旋叶片13的外侧边缘处的长度，底部长度d(f_b)_l为渣土微元体10在螺旋轴14处的长度，那么平均长度d(f_m)_l为渣土微元体10在螺旋叶片13的外侧边缘处的长度，与在螺旋轴14处的长度的平均值，即渣土微元体10在螺旋槽11中间处的长度，因此根据(4)式和(5)式可知，

为螺旋槽11的平均螺旋角。

步骤S300角度模块接收螺旋轴14的安装倾斜角度φ和渣土的输出角度θ；其中安装倾斜角度为盾构螺旋输送机在正常工作时，螺旋轴14的倾斜角度。

在步骤S400中，将渣土的密度记为ρ。

在步骤S500中，通过在盾构螺旋输送机的表面安装压力传感器，测量盾构螺旋输送机在刚开始运行时受到的初始压力，并将测量得到的初始压力通过传感器模块传送到数据处理模块；具体地，将盾构螺旋输送机的初始压力记为P₀。进一步，螺旋管内的渣土微元体10受到七个力的作用，分别为上螺旋叶片剪切应力(τ_f)_t、下螺旋叶片剪切应力(τ_f)_b、螺旋轴剪切应力τ_s、螺旋壳体剪切应力τ_c、上下螺旋叶片压应力合力Q_n、螺旋槽11方向压力P及微元渣土体重力G。

步骤S600数据处理模块对结构参数、叶片螺旋角、轴螺旋角、平均螺旋角、安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力和剪切应力进行处理；根据螺旋管内渣土微元体10受力分析情况，可以得到螺旋轴14方向的力学平衡公式：

其中，g为重力加速度，取9.8N/kg。

根据盾构螺旋输送机稳态施工时，螺旋管内改性渣土沿轴转动时的负载转矩平衡条件，得到以下公式：

由公式(11)等号两边同时除以d(f_m)_l后可以得到：

对于公式(12)，等式两边同时除以d(f_m)_l和

得到：

根据渣土微元体10的尺寸，与盾构螺旋输送机的结构参数间的关系,推出如下关系式，并分别令其为常数k1和k2：

将公式(15)和公式(16)分别代入公式(13)和公式(14)，分别得到：

将公式(18)与公式(17)的等式两边分别进行相除，得到：

把公式(19)等号两边的分数表达式交叉相乘后得到：

将公式(20)中的dP项整理到等式的左边后得到：

在上述(21)公式中，dP为螺旋槽11方向的压力变化，根据螺旋槽11方向与螺旋轴14方向的关系式(5)，将公式(5)代入公式(21)，可以推导出沿螺旋轴14方向的压力梯度微分方程:

根据螺旋槽11宽度与结构参数间(螺距、螺旋叶片厚度和不同位置处的螺旋角度)的关系式(8)～(10)，将其代入公式(22)后得到:

进一步整理方程(23)，得到沿盾构螺旋输送机的螺旋轴14方向压力梯度计算公式:

将公式(24)沿长度为L的螺旋轴14积分后，可以得到沿盾构螺旋输送机螺旋轴14方向压力分布计算公式:

其中，y为盾构螺旋输送机上所需测量压力的位置与进渣口之间的距离，0≤y≤L，当初始条件L＝0时，即可求得常数k₀；且此时常数k₀为盾构螺旋输送机刚开始运行时的压力，即初始压力：P_y＝P₀，因此公式(25)可以等效为:

根据以上的推导过程，可以得知盾构螺旋输送机的压力分布预测模型的预测公式为(26)。在公式(26)中，对于同一个盾构螺旋输送机，其结构参数、叶片螺旋角、轴螺旋角和平均螺旋角的值均是固定的；对于限定在特定条件下的其他参数，其值也是固定的，包括：安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力和剪切应力；那么就只存在唯一的变量y，对于输入不同的y位置的值，即可求得在该位置下，盾构螺旋输送机受到的压力。

进一步，公式(26)为压力分布预测模型的基本公式，对于不同的输入值，即输入具体的不同的值，包括：结构参数、叶片螺旋角、轴螺旋角、平均螺旋角、安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力或剪切应力，则能够构成具体的不同的压力分布预测计算公式，对于在相同y位置下，所得到的压力也随之变化。

步骤S700位置模块接收盾构螺旋输送机的长度位置信息，并输入到压力分布预测模型中的(26)式中进行计算，得到在该长度位置下，渣土对盾构螺旋输送机的压力，从而使得用户能够根据压力的大小，而对盾构螺旋输送机的进行调整，有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。

在本发明的一些具体实施例中，通过角度模块接收螺旋槽11的安装倾斜角度和渣土的输出角度，包括如下步骤：

步骤S310：通过角度模块接收螺旋槽11的安装倾斜角度；

步骤S320：利用角度模块接收电机的运转速度；

步骤S330：利用数据处理模块对运转速度和结构参数进行处理，得到盾构螺旋输送机的实际体积输送率和理论最大体积输送率；

步骤S340：通过数据处理模块对叶片螺旋角、实际体积输送率和理论最大体积输送率进行处理，得到渣土的输出角度。

具体地，步骤S330由于盾构螺旋输送机的结构参数是固定的，在限制了电机的运转速度后，即可计算出渣土在螺旋槽11内的理论最大体积输送率Q_M，根据渣土在盾构螺旋输送机内实际的输出量，即得到渣土的实际体积输送率Q。进一步，盾构螺旋输送机的结构参数与理论最大体积输送率之间的计算关系属于现有技术，此处不再阐述。

步骤S340数据处理模块利用以下公式对叶片螺旋角

实际体积输送率Q和理论最大体积输送率Q_M进行处理，得到渣土的输出角度θ：

在本发明的一些具体实施例中，通过传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力和剪切应力，包括如下步骤：

步骤S510：通过传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力；

步骤S520：通过传感器模块获取盾构螺旋输送机的扭矩；

步骤S530：通过数据处理模块对结构参数、安装倾斜角度、输出角度、密度和扭矩进行处理，得到盾构螺旋输送机内各个面的剪切应力。

具体地，在步骤S520和步骤S530，通过专利号为：CN109870259A，专利名称为：盾构螺旋输送机与改性渣土间等效剪切应力测定装置的专利文件可知，结构参数、安装倾斜角度、输出角度、密度和扭矩之间的关系为：

其中，T为扭矩，τ为剪切应力，通过扭矩传感器可以测量盾构螺旋输送机内各个面的扭矩，即可计算得到各个面的剪切应力。即通过在上螺旋叶片13处安装扭矩传感器，即可得到上螺旋叶片剪切应力；通过在下螺旋叶片13处安装扭矩传感器，即可得到下螺旋叶片剪切应力；通过在螺旋轴14处安装扭矩传感器，即可得到螺旋轴剪切应力；通过在螺旋壳处安装扭矩传感器，即可得到螺旋壳体剪切应力。但是，在实际的测量中，由于在盾构螺旋输送机内安装扭矩传感器的难度较大，且会阻碍渣土的传送，使得各个面的剪切应力的计算具有较高的难度。

同时，由(28)式可知，在盾构螺旋输送机的几何结构和安装倾斜角度确定的前提下，渣土的剪切应力与扭矩成正比关系，与渣土的输出角度成反比关系，即渣土越硬，剪切应力越大，在同样渣土的输出角度的情况下，所需扭矩越大。因此，为了更好的保护盾构螺旋输送机和减少扭矩，一般需要将渣土通过改良后，才对其进行运输。进一步，改良后的渣土为塑性流体，那么对于改良后的渣土，盾构螺旋输送机内各个面对改良后的渣土的剪切应力均为相同的值。

因此，在实际的测量中，通过在盾构螺旋输送机和电机之间安装扭矩传感器，测量得到的扭矩可以近似于渣土在盾构螺旋输送机内各个面受到的剪切应力，即：

τ＝(τ_f)_t＝(τ_f)_b＝τ_s＝τ_c...(29)

因此，(26)式可以等效为：

在本发明的一些具体实施例中，利用数据处理模块对结构参数、叶片螺旋角、轴螺旋角、平均螺旋角、安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力和剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型，包括如下步骤：

步骤S610：利用数据处理模块对结构参数进行处理，得到渣土的尺寸与螺旋结构参数间的关系常数；

步骤S620：通过数据处理模块对关系常数、叶片螺旋角、轴螺旋角、平均螺旋角、安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力和剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型。

具体地，在步骤S610中，参照公式(15)和公式(16)，数据处理模块根据渣土微元体10的尺寸，对盾构螺旋输送机的结构参数进行处理，得到关系常数k₁和k₂。

步骤S620数据处理模块对关系常数、叶片螺旋角、轴螺旋角、平均螺旋角、安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力和剪切应力进行融合处理，得到压力分布预测模型，便于用户对盾构螺旋输送机的内部压力进行预测，预测结果较为准确，有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。

根据本发明实施例的盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法的其他构成以及操作，对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

下面参考图2-图6，以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对发明的具体限制。

如图2-图6所示，盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，包括如下步骤：

步骤S100：通过参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数；

步骤S200：利用数据处理模块对结构参数进行处理，得到螺旋叶片13的叶片螺旋角、螺旋轴14的轴螺旋角和螺旋槽11的平均螺旋角；

步骤S310：通过角度模块接收螺旋槽11的安装倾斜角度；

步骤S320：利用角度模块接收电机的运转速度；

步骤S330：利用数据处理模块对运转速度和结构参数进行处理，得到盾构螺旋输送机的实际体积输送率和理论最大体积输送率；

步骤S340：通过数据处理模块对叶片螺旋角、实际体积输送率和理论最大体积输送率进行处理，得到渣土的输出角度；

步骤S400：通过密度模块获取渣土的密度；

步骤S510：通过传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力；

步骤S520：通过传感器模块获取盾构螺旋输送机的扭矩；

步骤S530：通过数据处理模块对结构参数、安装倾斜角度、输出角度、密度和扭矩进行处理，得到盾构螺旋输送机内各个面的剪切应力；

步骤S610：利用数据处理模块对结构参数进行处理，得到渣土的尺寸与螺旋结构参数间的关系常数；

步骤S620：通过数据处理模块对关系常数、叶片螺旋角、轴螺旋角、平均螺旋角、安装倾斜角度、输出角度、密度、初始压力和剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型；

步骤S700：通过位置模块接收盾构螺旋输送机的长度位置信息，并输入到压力分布预测模型中进行处理，得到渣土对盾构螺旋输送机的压力。

根据本发明实施例的盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，通过如此设置，可以达成至少如下的一些效果，渣土在盾构螺旋输送机中进行运输，此时盾构螺旋输送机的压力分布预测模型的基本公式为：

而在实际的应用中，是通过将渣土进行改良后，再输入到盾构螺旋输送机中进行运输的，此时盾构螺旋输送机的压力分布预测模型的基本公式为：

以(30)式为标准，依次操作步骤S100-步骤S620，计算得到关系常数k₁、关系常数k₂、叶片螺旋角

轴螺旋角

平均螺旋角

安装倾斜角度φ、输出角度θ、密度ρ、初始压力P₀和剪切应力τ，且上述值均为固定的，即在压力分布预测模型的基本公式中输入固定的值，得到该条件下的盾构螺旋输送机的压力分布预测模型。

此时，只存在唯一的变量y，对于输入不同的y位置的值，即可求得在该位置下，盾构螺旋输送机受到的压力；通过步骤S700接收长度位置信息，即输入确定的y值，则得到改良后的渣土对盾构螺旋输送机的压力，从而使得用户能够根据压力的大小，而对盾构螺旋输送机的进行调整，有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。

进一步，为了验证(30)式的准确性，在螺旋壳体12的外表面设置六个测试点，记为1号测试点、2号测试点、3号测试点、4号测试点、5号测试点和6号测试点，并在该六个测试点上分别安装压力传感器，便于测量在六个测试点的螺旋壳体12的外表面受到的外压力；其中，1-6号测试点依次远离进渣口。由于盾构螺旋输送机的内表面与外表面受到的压力是不一致的，但是其误差范围是控制在一定范围内的，因此，使用外表面的压力来估算内表面的压力。

通过进行两次试验，分别设定电机转速为6rpm和16rpm，在盾构螺旋输送机运行400s时，记录1-6号测试点处压力传感器的值，记为1-6号测试点的测点压力；同时，通过压力分布预测模型计算在1-6号测试点处的测点理论值。

参照图7，通过将测点压力与测点理论值进行对比，可以得到：当转速为6rpm时，测点压力与测点理论值之间的最大相对误差为4.2％；当螺旋轴14转动速度为16rpm时，测点压力与测点理论值之间的最大相对误差为10.7％。由此可知，利用压力分布预测模型计算得到的盾构螺旋输送机的内表面的压力是较为准确的。同时，1-6号测试点的压力是逐渐递减的，即从靠近进渣口到出渣口的方向，压力分布呈现递减趋势，即越靠近进渣口，压力越大；因此，用户能够根据该压力的趋势，进而对盾构螺旋输送机的结构进行调整，有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、或“本实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种盾构螺旋输送机的压力测量系统，其特征在于，包括：

参数模块，用于接收盾构螺旋输送机的结构参数，所述结构参数包括：螺旋叶片厚度、螺旋叶片螺距、螺旋叶片直径、螺旋轴直径和螺旋槽的槽深；

角度模块，用于接收螺旋轴的安装倾斜角度和渣土的输出角度；

密度模块，用于检测渣土的密度；

传感器模块，用于获取盾构螺旋输送机的初始压力和剪切应力；所述剪切应力包括：上螺旋叶片剪切应力、下螺旋叶片剪切应力、螺旋轴剪切应力、螺旋壳体剪切应力；

数据处理模块，分别与所述参数模块、所述角度模块、所述密度模块、所述传感器模块和位置模块连接；所述数据处理模块对所述结构参数进行处理，得到螺旋叶片的叶片螺旋角、螺旋轴的轴螺旋角和螺旋槽的平均螺旋角；所述数据处理模块对所述结构参数、所述叶片螺旋角、所述轴螺旋角、所述平均螺旋角、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度、所述初始压力和所述剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型；

所述压力分布预测模型的公式为：

其中，y为盾构螺旋输送机上所需测量压力的位置与进渣口之间的距离，d为螺旋槽的槽深，P₀为盾构螺旋输送机的初始压力，e为螺旋叶片厚度，s为螺旋叶片螺距，k1和k2为常数，φ为螺旋轴的安装倾斜角度，θ为渣土的输出角度，

为叶片螺旋角，

为轴螺旋角，

为平均螺旋角，(τ_f)_t为上螺旋叶片剪切应力、(τ_f)_b为下螺旋叶片剪切应力、τ_s为螺旋轴剪切应力、τ_c为螺旋壳体剪切应力，ρ为渣土的密度记，g为重力加速度；

位置模块，用于接收盾构螺旋输送机的长度位置信息，并输入到所述压力分布预测模型中进行处理，得到渣土对盾构螺旋输送机的压力。

2.根据权利要求1所述的一种盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

通过所述参数模块接收盾构螺旋输送机的结构参数；

利用所述数据处理模块对所述结构参数进行处理，得到螺旋叶片的叶片螺旋角、螺旋轴的轴螺旋角和螺旋槽的平均螺旋角；

通过所述角度模块接收螺旋轴的安装倾斜角度和渣土的输出角度；

通过所述密度模块获取渣土的密度；

通过所述传感器模块获取盾构螺旋输送机的初始压力；

利用所述传感器模块测量盾构螺旋输送机与电机之间的扭矩，得到各个面的扭矩，所述各个面的扭矩等于渣土在盾构螺旋输送机内对应面所受到的剪切应力；所述剪切应力包括：上螺旋叶片剪切应力、下螺旋叶片剪切应力、螺旋轴剪切应力、螺旋壳体剪切应力；

利用所述数据处理模块对所述结构参数、所述叶片螺旋角、所述轴螺旋角、所述平均螺旋角、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度、所述初始压力和所述剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型；

所述压力分布预测模型的公式为：

其中，τ为扭矩；

通过所述位置模块接收盾构螺旋输送机的长度位置信息，并输入到所述压力分布预测模型中进行处理，得到渣土对盾构螺旋输送机的压力。

3.根据权利要求2所述的一种盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，其特征在于：通过所述角度模块接收螺旋槽的安装倾斜角度和渣土的输出角度，包括如下步骤：

通过所述角度模块接收螺旋槽的安装倾斜角度；

利用所述角度模块接收电机的运转速度；

利用所述数据处理模块对所述运转速度和所述结构参数进行处理，得到盾构螺旋输送机的实际体积输送率和理论最大体积输送率；

通过所述数据处理模块对所述叶片螺旋角、所述实际体积输送率和所述理论最大体积输送率进行处理，得到渣土的输出角度。

4.根据权利要求2所述的一种盾构螺旋输送机的压力测量系统的计算方法，其特征在于：利用所述数据处理模块对所述结构参数、所述叶片螺旋角、所述轴螺旋角、所述平均螺旋角、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度、所述初始压力和所述剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型，包括如下步骤：

利用所述数据处理模块对所述结构参数进行处理，得到渣土的尺寸与螺旋结构参数间的关系常数；

通过所述数据处理模块对所述关系常数、所述叶片螺旋角、所述轴螺旋角、所述平均螺旋角、所述安装倾斜角度、所述输出角度、所述密度、所述初始压力和所述剪切应力进行处理，得到盾构螺旋输送机的压力分布预测模型。

Images