CN113390502B - 一种tbm刀盘振动监测及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TBM刀盘振动监测及评价方法，属于TBM振动测试技术领域。通过搭建远程数据采集系统，实现TBM刀盘振动数据的远距离实时采集。同时依据不同施工标段振动监测数据，结合TBM掘进参数、地质报告等，进行工况、地质划分。研究不同围岩条件下的刀盘滚刀破岩载荷，通过有限元与动力学仿真，确定不同工况下的刀盘振动水平评价方法，即振动限值。防止过大的振动造成TBM刀盘损坏等工程问题，确保施工设备安全可靠的掘进。

Description

一种TBM刀盘振动监测及评价方法

技术领域

本发明属于TBM振动测试技术领域，具体涉及一种TBM刀盘振动监测及评价方法。

背景技术

TBM是一种集掘进、出渣和支护于一体的高端隧道掘进装备，主要包括刀盘系统、支撑系统推进系统、后配套系统等。其工作原理是刀盘旋转时，利用盘形滚刀进行破岩，并依靠支撑推进系统承担反作用力和反扭矩实现主机向前推进。刀盘是TBM的核心部件，其寿命等同于TBM的寿命，掘进过程中会遇到髙硬度、高温、高石英含量的＂三高＂围岩环境，加以不同类型的滚刀群多点冲击破岩特性，使得刀盘振动极其剧烈，受力规律极其复杂，易引起主机系统的剧烈振动，而极端恶劣的振动往往会造成刀盘面板开裂、主轴承密封失效、主梁焊缝开裂等严重的工程问题，极大影响隧道施工的效率和安全。

由于隧道施工工期要求紧张、TBM造价高以及TBM零部件的更换困难，保证TBM在安全载荷下掘进很有必要。目前振动监测已成为设备诊断技术的重要环节，振动大小也已作为设备安全运行参数来考核，然而对于TBM刀盘的振动水平，目前还缺乏相应的振动监测方法及振动水平衡量标准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TBM刀盘振动监测及评价方法，从而对TBM刀盘进行状态监测，当振动监测数值超过刀盘振动限值，即表明刀盘振动存在异常。施工现场的操作人员从而可以调整掘进参数，保证TBM的安全掘进。

本发明的技术方案：

1.一种TBM刀盘振动监测及评价方法，其特征在于，该TBM刀盘振动监测及评价方法包括搭建远程数据采集系统和TBM刀盘振动水平评价方法两个部分；通过搭建远程数据采集系统实现TBM刀盘振动数据的远距离实时采集；同时依据不同施工标段振动监测数据，结合TBM掘进参数、地质报告，进行工况、地质划分，确定不同围岩条件下的刀盘破岩载荷，通过有限元与动力学仿真，确定不同岩石工况下的刀盘振动水平评价方法，即振动限值；

(Ⅰ)搭建远程数据采集系统

远程数据采集系统主要由无线传感器节点、网关、现场服务器、无线英特尔网、本地服务器和数据采集软件组成；无线传感器节点将采集到的数据传输给安置在主梁上的网关，网关通过网线将数据信号发送给TBM掘进现场服务器；远程接收端即本地服务器和现场服务器通过无线因特网进行信息交流，现场服务器通过采集软件发射端，将数据向本地服务器采集软件接收端传输数据信号，实现数据的远距离实时采集；

(Ⅱ)确定TBM刀盘振动水平评价方法

1)数据处理

因为数据采集系统需要长时间地监测多个施工标段，所以原始监测数据涉及到多种围岩工况，且存在着大量的不完整、不一致或异常数据，因此需要对原始数据进行预处理。首先对传感器失灵及TBM停机导致的数据缺失及零值进行数据间的清洗剔除，其次对掘进参数数据进行降维，根据相关性挑选出可进行分析的掘进参数，最后对横纵向振动数据进行滤波，去除刀盘回转产生的科氏加速度影响。因为原始数据包含多种类型的数据表，所以可根据时间，实现振动数据、掘进参数数据及地质数据的匹配。

2)确定Ⅰ-Ⅴ类岩石工况下的刀盘许用应力

a、首先通过Ansys Workbench分析刀盘结构在名义载荷即滚刀承受载荷的极限值下的静强度，从而计算刀盘各结构的许用安全系数，选择最薄弱的部位的安全系数作为振动限值的安全系数；

b、根据围岩稳定性可知，围岩越稳定，隧洞能承受的振动水平越高；由不同类别岩体基本质量指标BQ值表可知Ⅰ—Ⅴ类围岩的不稳定性等级，根据BQ值，将不稳定性归一化，以Ⅴ类围岩为基准，得到围岩不稳定性修正系数；再根据下述公式，综合考虑岩石稳定和静强度分析结果，得到TBM刀盘在正常工况下Ⅰ—Ⅴ类岩石条件下的许用应力，为接下来的应力分析提供评价标准；

其中，σ_s为材料屈服应力，n为安全系数，α为围岩不稳定性修正系数；

3)刀盘振动限值评价过程

a.获取不同岩石条件下滚刀动态破岩载荷；TBM在正常掘进时，主要依靠盘形滚刀挤压岩壁破岩，破岩载荷主要从刀具刀轴传递至刀盘盘面上，引起刀盘横向、纵向、轴向的剧烈振动；TBM盘形滚刀分为三种类型：中心滚刀、正滚刀、边滚刀；基于LS-DYNA软件对TBM滚刀破岩过程进行数值模拟，得到不同类型滚刀的垂直力、侧向力和滚动力载荷谱，为后续虚拟样机仿真模拟提供载荷激励；

b.分析正常掘进工况下Ⅰ-Ⅴ类岩石刀盘的等效应力；通过Ansys Workbench里的Transient Structural模块进行仿真分析，模拟正常掘进工况下刀盘旋转一圈，载荷谱采用LS-DYNA仿真分析的滚刀载荷谱，按Ⅰ-Ⅴ类岩石工况施加到刀盘模型上，通过瞬态动力学分析，得到不同抗压强度岩石条件下的刀盘等效应力；将瞬态动力学仿真分析的结果，与Ⅰ-Ⅴ类岩石工况下的许用应力进行对比，若低于许用应力，则增加刀盘外激励，直至刀盘最大等效应力近似等于许用应力；以Ⅱ岩石为例，其抗压强度在120MPa-140MPa,将120MPa下的滚刀破岩载荷谱施加至刀盘，进行瞬态动力学仿真后，提取刀盘的最大等效应力，将其与Ⅱ类岩石下刀盘的许用应力对比，若小于许用应力，则增大滚刀破岩载荷，即将130MPa下的滚刀破岩载荷谱施加至刀盘，直至刀盘的最大等效应力近似等于许用应力。

c.获取TBM刀盘处振动加速度；利用Adams建立TBM主机系统的多刚体动力学模型，把Ⅰ-Ⅴ类岩石条件下的滚刀载荷作为模型的外激励，使用拉格朗日法对动力学模型进行求解，提取刀盘的三向加速度振动数据；此时，刀盘振动加速度即为在该类岩石工况下的振动限值。

本发明的有益效果：针对TBM刀盘系统提出了一种振动监测及评价分析方法，此方法依据不同工程标段刀盘振动监测数据，具有实际参考意义。TBM施工人员能够根据此振动限值，调整相关掘进参数，对其进行提示辅助，从而保证TBM安全可靠地掘进，保证施工进度的良好进行，避免由于振动过大导致工期延误，造成重大的经济损失。

附图说明

图1为一种TBM刀盘振动限值分析方法流程图。

图2是数据预处理流程图。

图3是正滚刀群破岩三维模型。

图4刀盘受载情况

图5为TBM主机系统的多刚体动力学模型示意图

图中：1岩石；2正滚刀群。

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，对本发明做进一步说明。

如图1所示，为一种TBM刀盘振动限值分析方法流程图。包括以下步骤：a)、数据预处理；b)、TBM刀盘外激励研究；c)、确定刀盘在不同工况的许用应力；d)、刀盘瞬态动力学分析；e)、刀盘动态响应分析

TBM刀盘振动限值分析方法，通过滚刀破岩仿真获得不同抗压强度岩石条件下的滚刀三向力，并通过工地实测数据加以修正，将其作为模型外激励对刀盘进行瞬态动力学分析，再以Ⅰ-Ⅴ类岩石工况的许用应力进行衡量，直至刀盘的最大等效应力近似等于该类岩石的许用应力，再将此时滚刀的三向力作为外激励导入到ADAMS中，进行刀盘的动态响应分析，提取刀盘部位的三向加速度，即为刀盘在某类围岩等级下的加速度振动限值。

Ⅰ、数据预处理

除了在刀盘处安装的加速度传感器，TBM机身还携带大量的传感器，这些传感器在其施工过程中会产生海量的掘进数据，同时还有地质数据。由于原始数据中存在着大量的不完整、不一致或异常的数据，且数据离散，无法为后续的研究提供支撑。所以这些数据需要进行清洗、滤波、特征降维和匹配，处理过程如附图2。其中本方法提出了一种针对本数据集的特征降维过程，主要包括物理意义剔除、相关性剔除。

1)物理意义剔除是指剔除与TBM掘进工作不相干的特征参数。

2)相关性剔除是通过数据参数相互间的pearson线性相关性系数，判断两个参数间是否存在强相关性。pearson系数如公式2.1所示。

其中，x_i，y_i为X，Y参数的第i个值；N表示样本数量；R相关性系数。

当R为正时，表明参数X和Y正相关；当R为负时，表明参数X和Y负相关；绝对值趋近于1时，相关性越强；相关性系数趋近于0时，相关性越弱。

因为刀盘的横、纵向加速度主要由刀盘旋转产生的科氏加速度和其自激振动产生的加速度叠加而成。为了准确分析振动对刀盘的影响，所以需要对稳定段横纵向振动数据进行相应的滤波处理，以除去刀盘回转产生的加速度影响。可利用Matlab里的自带函数根据数据频率实现加速度数据滤波。

由于原始数据包含多种类型的数据表，为了后续更加快速便捷的分析研究，可根据时间的统一将原始数据进行匹配、合并。

Ⅱ、TBM刀盘外激励研究

TBM在正常掘进时，主要依靠盘形滚刀挤压岩壁破岩，破岩载荷主要从刀具刀轴传递至刀盘盘面上，引起刀盘横向、纵向、轴向的剧烈振动。采用Ls-Dyna有限元分析软件对中心滚刀、正滚刀和边滚刀破岩过程进行仿真，主要模拟刀圈和岩石的动态接触过程，得到滚刀的垂直力、侧向力和滚动力，为后续仿真模拟提供载荷激励。在滚刀破岩仿真设置过程中将刀圈材料设置成弹性体，刀体材料设置为刚体，对滚刀所处的岩石3-1及正滚刀群3-2进行模型等效，可用一定厚度的圆盘形岩石来代替。滚刀破岩对应的三维模型如附图3。同时结合工程实测载荷，对滚刀载荷进行一定幅度的修正，得到不同抗压强度岩石条件下滚刀载荷的历程曲线。

Ⅲ、确定刀盘在Ⅰ-Ⅴ类岩石工况的许用应力

在正常掘进工况下，TBM在地质均匀的情况沿直线掘进，刀盘上所有滚刀载荷相等，受力情况如附图4。通过Ansys Workbench分析刀盘结构在名义载荷下的静强度，结合各结构材料的许用用力，可获得刀盘各部件如筋板、法兰、前中后面板等处的安全系数，选择最薄弱的部位的安全系数作为振动限值的安全系数。

以上分析并未考虑岩石类型对安全系数的影响，而不同的地质情况，围岩的稳定性不一样，所以需要考虑不同类别岩石对安全系数的影响。根据围岩稳定性可知，围岩越稳定，隧洞能承受的振动水平越高。由不同类别岩体基本质量指标BQ值表可知不同类别围岩的不稳定性等级，将不稳定性归一化，以Ⅴ类围岩为基准，可得围岩不稳定性修正系数。

表1岩体基本质量指标BQ值表

根据下述公式综合考虑岩石稳定和静强度分析结果，可得到TBM刀盘在正常工况下Ⅰ-Ⅴ类岩石条件下的许用应力。

其中，σ_s为材料屈服应力，n为安全系数，α为围岩不稳定性修正系数。

Ⅳ、刀盘瞬态动力学分析

瞬态动力学分析可用于分析承受任意随时间变化载荷结构的动力学响应。TBM在实际工作过程中，刀盘转速为6r/min，即刀盘每10s旋转一圈。在瞬态动力学分析中，通过Ansys Workbench模拟正常掘进工况下刀盘旋转一圈。载荷谱采用LS-DYNA仿真分析的滚刀载荷谱，按Ⅰ-Ⅴ类围岩等级施加到刀盘模型上，将瞬态动力学仿真分析的结果，与Ⅰ-Ⅴ类围岩等级下的许用应力进行对比，若低于许用应力，则增加刀盘外激励，直至刀盘的最大等效应力近似等于许用应力。以Ⅱ岩石为例，其抗压强度在120MPa-140MPa,将120MPa下的滚刀破岩载荷谱施加至刀盘，进行瞬态动力学仿真后，提取刀盘的最大等效应力，将其与Ⅱ类岩石下刀盘的许用应力对比，若小于许用应力，则增大滚刀破岩载荷，即将130MPa下的滚刀破岩载荷谱施加至刀盘，直至刀盘的最大等效应力近似等于许用应力。

Ⅴ、刀盘动态响应分析。

由于TBM主机系统部件众多，结构形式极其复杂，因此需要对机构模型进行简化,将刀盘、主轴承、机头架、护盾、主梁、水平支撑油缸等部件等效为刚体，护盾油缸、推进油缸、扭矩油缸等效为弹簧-阻尼系统。同时简化滚刀刀体和刀座结构，忽略焊缝、耐磨板等结构。如附图5。利用Adams建立TBM主机系统的多刚体动力学模型，同时结合TBM的工作原理对虚拟样机模型进行约束定义和载荷设置，将在Ⅳ步骤中Ⅰ-Ⅴ类围岩等级下达到许用应力的刀盘外激励加载到虚拟样机中，使用拉格朗日法对动力学模型进行求解，最后提取刀盘的三向振动加速度，即为振动限值。

通过具体实施方式对本发明做了进一步阐述，通过该分析流程可以得到TBM刀盘的振动限值。

Claims (1)

1.一种TBM刀盘振动监测及评价方法，其特征在于，该TBM刀盘振动监测及评价方法包括搭建远程数据采集系统和TBM刀盘振动水平评价方法两个部分；通过搭建远程数据采集系统实现TBM刀盘振动数据的远距离实时采集；同时依据不同施工标段振动监测数据，结合TBM掘进参数、地质报告，进行工况、地质划分，确定不同围岩条件下的刀盘破岩载荷，通过有限元与动力学仿真，确定不同岩石工况下的刀盘振动水平评价方法，即振动限值；

(Ⅰ)搭建远程数据采集系统

远程数据采集系统主要由无线传感器节点、网关、现场服务器、无线英特尔网、本地服务器和数据采集软件组成；无线传感器节点将采集到的数据传输给安置在主梁上的网关，网关通过网线将数据信号发送给TBM掘进现场服务器；远程接收端即本地服务器和现场服务器通过无线因特网进行信息交流，现场服务器通过数据采集软件的发射端，将数据向本地服务器数据采集软件接收端传输数据信号，实现数据的远距离实时采集；

(Ⅱ)确定TBM刀盘振动水平评价方法

1)数据处理

首先对传感器失灵、TBM停机导致的数据缺失及零值进行数据间的清洗剔除，其次对掘进参数数据进行降维，根据相关性挑选出可进行分析的掘进参数，最后对横纵向振动数据进行滤波，去除刀盘回转产生的科氏加速度影响；

2)确定Ⅰ-Ⅴ类岩石工况下的刀盘许用应力

a、首先通过Ansys Workbench分析刀盘结构在名义载荷即滚刀承受载荷的极限值下的静强度，从而计算刀盘各结构的许用安全系数，选择最薄弱的部位的安全系数作为振动限值的安全系数；

b、根据围岩稳定性可知，围岩越稳定，隧洞能承受的振动水平越高；由不同类别岩体基本质量指标BQ值表可知Ⅰ—Ⅴ类围岩的不稳定性等级，根据BQ值，将不稳定性归一化，以Ⅴ类围岩为基准，得到围岩不稳定性修正系数；再根据下述公式，综合考虑岩石稳定和静强度分析结果，得到TBM刀盘在正常工况下Ⅰ—Ⅴ类岩石条件下的许用应力，为接下来的应力分析提供评价标准；

其中，σ_s为材料屈服应力，n为安全系数，α为围岩不稳定性修正系数；

3)刀盘振动限值评价过程

a.获取不同岩石条件下滚刀动态破岩载荷；TBM在正常掘进时，主要依靠盘形滚刀挤压岩壁破岩，破岩载荷主要从刀具刀轴传递至刀盘盘面上，引起刀盘横向、纵向、轴向的剧烈振动；TBM盘形滚刀分为三种类型：中心滚刀、正滚刀、边滚刀；基于LS-DYNA软件对TBM滚刀破岩过程进行数值模拟，得到不同类型滚刀的垂直力、侧向力和滚动力载荷谱，为后续虚拟样机仿真模拟提供载荷激励；

b.分析正常掘进工况下Ⅰ-Ⅴ类岩石刀盘的等效应力；通过Ansys Workbench里的Transient Structural模块进行仿真分析，模拟正常掘进工况下刀盘旋转一圈，载荷谱采用LS-DYNA仿真分析的滚刀载荷谱，按Ⅰ-Ⅴ类岩石工况施加到刀盘模型上，通过瞬态动力学分析，得到不同抗压强度岩石条件下的刀盘等效应力；将瞬态动力学仿真分析的结果，与Ⅰ-Ⅴ类岩石工况下的许用应力进行对比，若低于许用应力，则增加刀盘外激励，直至刀盘最大等效应力近似等于许用应力；

c.获取TBM刀盘处振动加速度；利用Adams建立TBM主机系统的多刚体动力学模型，把Ⅰ-Ⅴ类岩石条件下的滚刀载荷作为模型的外激励，使用拉格朗日法对动力学模型进行求解，提取刀盘的三向加速度振动数据；此时，刀盘振动加速度即为在该类岩石工况下的振动限值。

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