一種掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，根據(jù)圍巖數(shù)據(jù)，利用效率預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)出后一段掘進(jìn)的掘進(jìn)效率；根據(jù)掘進(jìn)效率與掘進(jìn)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出掘進(jìn)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)。本發(fā)明解決了單純依靠施工經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定掘進(jìn)參數(shù)，存在地質(zhì)適應(yīng)性差的問(wèn)題，能夠很好地解決不同地質(zhì)情況下的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定的情況，從而保障施工更加安全、可靠與高效；選擇對(duì)掘進(jìn)效率相關(guān)性較大的圍巖參數(shù)作為預(yù)測(cè)模型輸入，能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率；采用偏最小二乘算法PLS提取成分，解決了輸入變量之間存在的相關(guān)性問(wèn)題，降低了ANFIS結(jié)構(gòu)輸入維數(shù)，提高了預(yù)測(cè)精度，加快了仿真速度，有利于實(shí)時(shí)設(shè)定于掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)。
【專利說(shuō)明】一種掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大型掘進(jìn)機(jī)械裝備施工【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體涉及一種硬巖掘進(jìn)機(jī)施工過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定。
【背景技術(shù)】
[0002]全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine, TBM)是機(jī)械、電子、液壓、激光等技術(shù)一體化的大型工廠化隧道施工作業(yè)系統(tǒng)，具有掘進(jìn)速度快、施工工期短、作業(yè)環(huán)境好、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外隧道施工的重要方法之一。
[0003]在掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型方面，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的兩個(gè)模型是美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)提出的CSM預(yù)測(cè)模型和挪威科技大學(xué)建立的NTNU預(yù)測(cè)模型。CSM模型以滾刀的線性切割實(shí)驗(yàn)為主，通過(guò)多變量回歸分析方法建立的，但其建模研究的邊界條件與TBM實(shí)際旋轉(zhuǎn)破巖工況不相符，造成載荷計(jì)算結(jié)果偏差很大；而NTNU模型是通過(guò)施工數(shù)據(jù)建立的，可用來(lái)估算特定地質(zhì)條件下TBM的掘進(jìn)速度、滾刀磨損、掘進(jìn)機(jī)使用率等，但其載荷計(jì)算模型適用范圍狹窄。因而，上述模型都不能有效的指導(dǎo)掘進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)。
[0004]在TBM掘進(jìn)參數(shù)調(diào)節(jié)方面，目前硬巖掘進(jìn)過(guò)程主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)掘進(jìn)參數(shù)，為了指導(dǎo)實(shí)際施工，獲得國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)終身成就獎(jiǎng)的挪威巖土工程研究院學(xué)者提出了 Qtbm預(yù)測(cè)模型，該模型通過(guò)地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)估計(jì)理想掘進(jìn)速度，但沒(méi)有考慮支撐力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及扭矩等掘進(jìn)參數(shù)，無(wú)法用于實(shí)時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)以匹配地質(zhì)狀況。所以，針對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定方法的研究非常必要，這將有助于提高施工的進(jìn)展，同時(shí)能夠更好的適應(yīng)地質(zhì)環(huán)境的變化。
[0005]目前TBM還存在諸多實(shí)際問(wèn)題需要解決，相關(guān)地質(zhì)適應(yīng)性基礎(chǔ)研究有待進(jìn)一步推進(jìn)，掘進(jìn)參數(shù)指導(dǎo)性設(shè)置還沒(méi)有能夠形成系統(tǒng)的解決方案。因此，針對(duì)TBM掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定方法的研究非常必要，這將有助于提高施工的進(jìn)展，同時(shí)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變地質(zhì)環(huán)境的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于現(xiàn)有大型掘進(jìn)裝備施工過(guò)程中掘進(jìn)參數(shù)主要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法。
[0007]本發(fā)明提供了一種基于掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定的方法，根據(jù)圍巖數(shù)據(jù)，利用效率預(yù)測(cè)模型，可以方便地預(yù)測(cè)出后一段掘進(jìn)的掘進(jìn)效率；根據(jù)掘進(jìn)效率與掘進(jìn)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出掘進(jìn)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)，從而解決依靠施工經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定掘進(jìn)參數(shù)的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明采用掘進(jìn)速度(ROP)來(lái)表示掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。
[0009]本發(fā)明提供掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，包括以下步驟:
[0010](I)根據(jù)圍巖參數(shù)，預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率；
[0011](2)根據(jù)掘進(jìn)效率與掘進(jìn)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)；
[0012](3)將步驟(2)得到的掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)定于掘進(jìn)機(jī)的相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
[0013]本發(fā)明提供掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，解決了單純依靠施工經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定掘進(jìn)參數(shù)，存在地質(zhì)適應(yīng)性差的問(wèn)題，能夠很好地解決不同地質(zhì)情況下的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定的情況，從而保障施工更加安全、可靠與高效。
[0014]進(jìn)一步地，步驟(1)中圍巖參數(shù)包括:單軸抗壓強(qiáng)度、巴西試驗(yàn)劈裂抗拉強(qiáng)度、沖擊試驗(yàn)壓頭的最大荷載與相應(yīng)的位移的比值、軟弱結(jié)構(gòu)面的平均間距和隧道軸線與軟弱結(jié)構(gòu)面之間的夾角。
[0015]選擇對(duì)掘進(jìn)效率相關(guān)性較大的圍巖參數(shù)作為預(yù)測(cè)模型輸入，能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率，從而獲得更加準(zhǔn)確的掘進(jìn)參數(shù)，保障施工更加安全、可靠與高效。
[0016]進(jìn)一步地，步驟(1)中預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率包括以下步驟:
[0017](11)采用偏最小二乘算法PLS提取成分；
[0018](12)以步驟(11)的輸出作為自適應(yīng)神經(jīng)元模糊推理系統(tǒng)ANFIS的輸入，預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率。
[0019]進(jìn)一步地，步驟(2)中掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括液壓推進(jìn)系統(tǒng)和刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
[0020]進(jìn)一步地，步驟(2)中掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)包括:液壓推進(jìn)系統(tǒng)每個(gè)液壓缸的推進(jìn)壓力匕、液壓推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)速度V、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率4_以及刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的刀盤(pán)扭矩Teutte-
[0021]本發(fā)明的掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，提供上述掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)實(shí)際施工具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。
[0022]進(jìn)一步地，液壓推進(jìn)系統(tǒng)每個(gè)液壓缸的推進(jìn)壓力匕的計(jì)算方法為:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)根據(jù)圍巖參數(shù)，預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率； (2)根據(jù)所述掘進(jìn)效率與掘進(jìn)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算所述掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)； (3)將所述步驟(2)得到的掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)定于所述掘進(jìn)機(jī)的相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，步驟(1)中所述圍巖參數(shù)包括:單軸抗壓強(qiáng)度、巴西試驗(yàn)劈裂抗拉強(qiáng)度、沖擊試驗(yàn)壓頭的最大荷載與相應(yīng)的位移的比值、軟弱結(jié)構(gòu)面的平均間距和隧道軸線與軟弱結(jié)構(gòu)面之間的夾角。
3.如權(quán)利要求1所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，步驟(1)中預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率包括以下步驟: (11)采用偏最小二乘算法提取成分； (12)以步驟(11)的輸出作為自適應(yīng)神經(jīng)元模糊推理系統(tǒng)ANFIS的輸入，預(yù)測(cè)掘進(jìn)效率。
4.如權(quán)利要求1所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，步驟(2)中所述掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括液壓推進(jìn)系統(tǒng)和刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求1所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，步驟(2)中所述掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)包括:所述液壓推進(jìn)系統(tǒng)每個(gè)液壓缸的推進(jìn)壓力匕、所述液壓推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)速度V、所述刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率Htbmp以及所述刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的刀盤(pán)扭矩 Tcmtte^
6.如權(quán)利要 求5所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，所述液壓推進(jìn)系統(tǒng)每個(gè)液壓缸的推進(jìn)壓力匕的計(jì)算方法為:P, !?丄 K + R +N.CTR<p私cos?,L ?4 — \2) j 其中，A為液壓缸活塞推進(jìn)有效面積，η表示液壓推進(jìn)系統(tǒng)提供推進(jìn)力的液壓缸的個(gè)數(shù)，F(xiàn)2表示圍巖作用于掘進(jìn)機(jī)殼體表面的摩擦力，F(xiàn)3表示掘進(jìn)機(jī)自身重量所產(chǎn)生的摩擦阻力，C為恒定常數(shù)，T表示滾刀尖寬度，R表示滾刀半徑，σ。表示巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，Ot表示巖石的巴西試驗(yàn)劈裂抗拉強(qiáng)度，S表示切削間距，Ψ定義為P=COS —— f\M j 其中，P表示刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周后的切削深度。
7.如權(quán)利要求5所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，所述液壓推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)速度V的計(jì)算方法為:
V=ROP.U.24/1.44， 其中，ROP表示掘進(jìn)速度，U表示掘進(jìn)機(jī)利用率。
8.如權(quán)利要求5所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，所述刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的刀盤(pán)扭矩Teuttw的計(jì)算方法為:
9.如權(quán)利要求5所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，所述刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率Htbmp的計(jì)算方法為:
10.如權(quán)利要求6、8或9任一項(xiàng)所述掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法，其特征在于，Ψ的計(jì)算方法為:
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103870677SQ201410045253
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年2月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月7日
【發(fā)明者】王景成, 費(fèi)靈, 張浪文, 劉華江, 苗浩軒, 史元浩 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)