全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动及应变的监测方法

摘要

本发明提供了一种全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动及应变的监测方法，属于全断面岩石掘进机地下施工实时监测技术领域。TBM刀盘系统在进行关键位置的测点布置时，有些位置例如内部筋板、中面板等位置往往由于恶劣的外部环境和内部复杂结构难以对它们进行测点的布置来实现对其振动和变形的实时监控，因此本发明通过布置在TBM刀盘系统一些位置的无线传感器和应变片来监测运行过程中的振动和应变状态，同时基于无线网络协议接受传输振动及应变数据，并通过提出的了空间投影预测模型可以实现在已测数据的基础上实现对其他位置振动和应变的合理预测。

权利要求

1.一种全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动及应变的监测方法，其特征在于，所用的全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动和应变监测系统，包含用于测量振动的传感器、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、刀盘系统关键位置布置模型和空间投影预测模型；通过布置在刀盘系统易布位置的传感器和应变计来监测相应位置运行过程中的振动和应变状态，同时基于无线网络协议接受传输振动及应变数据，实现对TBM刀盘系统相应位置的实时监测；

(1)刀盘系统安全性测点布置方案

在刀盘系统人孔、后面板和驱动电机上布置有传感器，在刀盘系统人孔和后面板上布置有应变计，传感器用于检测所在位置的振动情况，应变计用于检测所在位置的应变状态；

(2)空间影射预测模型

本监测方法提出空间影射预测模型，空间影射预测模型包括振动幅值预测模型和应变的间接测量模型；

振动幅值预测模型如下：

其中，n为测点布置数目；Am为待预测点振动响应幅值；K为介质吸振系数，其取值范围为

1.2～2.3，介质吸振越好，其值越大；δ为距离自衰减系数，其取值范围为1.0～1.8，距离越长，δ越大；ρ为被测部位的结构参数，加强筋越多，ρ越大；βi为测点Si距离待预测点ST的位面投影点S0的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；Ai为测点振动响应幅值；R1为测试位面投影点S0距离振源S的距离；R2为待测位面的待预测点ST距离振源S的距离；α为测点相互影响系数，其取值范围为1.1～1.8，测点越多其取值越小；为投影位面系数，其取值范围1.0～1.8，待预测位面离测量位面越远，其值越大；

应变的间接测量模型如下：

其中，n为测点布置数目；εo为待预测点应变；ρ为被测部位的结构参数，如无加强筋ρ＝

1，有加强筋ρ＝1～8，加强筋越多，ρ越大；βi为测点Si距离待预测点ST的位面投影点S0的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；εi为测点应变；α为测点相互影响系数，其取值范围为1.2～1.6，测点越多其取值越小； 为投影位面系数，其取值范围1.0～1.5，待预测位面离测量位面越远，其值越大。

说明书

全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动及应变的监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种全断面岩石掘进机刀盘系统关键部位振动及应变监测方法，属于全断面岩石掘进机地下施工实时监测技术领域。

背景技术

[0002] 全断面掘进装备(简称TBM)，集机、电、液一体的大型地下施工设备，广泛应用于水利、交通等地下工程建设，其应用范围广泛。由于TBM掘进环境复杂多变，工作环境恶劣，且滚刀破岩时产生的多点冲击载荷，这就会导致TBM产生较为强烈的振动，加之刀盘系统位于TBM最前端，负责主要掘进工作，这就会直接导致刀盘系统一些关键部位的剧烈振动和应力集中，甚至最终产生损伤断裂，因此对TBM刀盘系统的振动和应变监测是非常重要的。但TBM刀盘系统某些位置由于位置和结构限制无法进行直接测量因此对其一些关键位置的间接测量方法成为亟待解决的问题。

[0003] 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(如图1a)负责主要掘进工作，但恶劣的载荷条件往往造成TBM刀盘系统剧烈振动，这也增加了其一些关键位置的受力和变形，为了保证掘进正常地进行，必须掌握TBM刀盘系统关键结构部位的振动和应变情况，建立起实时监测系统对其振动和应变情况进行监测，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，同时也可以为减振方案的改进以及寿命的估计提供依据。

[0004] 目前国内外对TBM刀盘系统关键位置的振动和应变监测方案相对研究较少。并且由于刀盘系统工作环境地复杂多变，进行测点的布置也较为麻烦。虽也有一些学者做过一定的研究，但亦是采用任意的安全位置来进行测量，且对于难以布置测点的位置未提出合理的预测方案，因此具有一定的局限性、片面性和较大的误差。

[0005] 基于以上情况，本发明进行了刀盘系统关键位置进行了测点的安全性布局，另外，针对刀盘系统内部一些难测量位置(如中面板(图2b)、刀盘筋板(图2e)等位置)难以布置测点的难题，提出了空间影射预测模型，可以运用此模型在已测数据的基础上实现对刀盘系统难测量位置的合理预测。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种全断面岩石掘进机刀盘系统关键部位振动和应变监测方法，利用振动传感器和应变计及其无线数据传输系统获取监测数据，实现对TBM刀盘系统振动应变状态长期监测，并及时反馈给操作人员，防止TBM刀盘系统突发事故的产生，确保TBM安全可靠地工作。

[0007] 本发明采用的技术方案

[0008] 本发明的技术方案：

[0009] 一种全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动及应变的监测方法，所用的全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动和应变监测系统，包含用于测量振动的传感器、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、刀盘系统关键位置布置模型和空间投影预测模型；通过布置在刀盘系统易布位置的传感器和应变计来监测相应位置运行过程中的振动和应变状态，同时基于无线网络协议接受传输振动及应变数据，实现对TBM刀盘系统相应位置的实时监测；具体包括刀盘系统安全性测点布置方案、空间影射预测模型；

[0010] (1)刀盘系统安全性测点布置方案

[0011] 本监测方法主要针对全断面岩石掘进机(TBM)的刀盘系统关键位置，其总体结构(如图2)。为了使传感器在TBM运动过程中能安全稳定地工作，要在各个被检测部件上选择安全性测量点，具体布局如下：

[0012] 在刀盘系统人孔、后面板和驱动电机上布置有传感器，在刀盘系统人孔和后面板上布置有应变计，传感器用于检测所在位置的振动情况，应变计用于检测所在位置的应变状态；

[0013] (2)空间影射预测模型

[0014] 刀盘系统由于其自身结构的复杂性导致有一些关键部位的测量难以实现，本发明针对以上问题提出空间影射预测模型，空间影射预测模型包括振动幅值预测模型和应变的间接测量模型；

[0015] 振动幅值预测模型如下(如图7)：

[0016]

[0017] 其中，n为测点布置数目；Am为待预测点振动响应幅值；K为介质吸振系数，包括介质弹性吸振系数、介质内部结构系数等，其取值范围为1.2～2.3，一般介质吸振越好，其值越大。δ为距离自衰减系数，1.0～1.8距离越长，δ越大；ρ为被测部位的结构参数，如无加强筋P＝1，有加强筋ρ＝1～5，加强筋越多，ρ越大；βi为测点Si(i＝1,2…N)距离待预测点ST的位面投影点S0的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；Ai为测点振动响应幅值；R1为测试位面投影点S0距离振源S的距离；R2为待测位面的待预测点ST距离振源S的距离；α为测点相互影响系数，1.1～1.8，测点越多其取值越小；为投影位面系数，其取值范围1.0～1.8,待预测位面离测量位面越远，其值越大(待预测位面位于S点和测量位面之间)；

[0018] 应变的间接测量模型如下(如图8)：

[0019]

[0020] 其中，n为测点布置数目；εo为待预测点应变；ρ为被测部位的结构参数，如无加强筋P＝1，有加强筋ρ＝1～8，加强筋越多，ρ越大；βi为测点Si(i＝1,2…N)距离待预测点ST的位面投影点S0的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；εi为测点应变；α为测点相互影响系数，1.2～1.6，测点越多其取值越小； 为投影位面系数，其取值范围1.0～1.5，待预测位面离测量位面越远，其值越大。

[0021] 本发明的有益效果：本发明首先对刀盘系统一些易于布置传感器和应变计的关键位置进行了测点的安全性布局，然后，针对刀盘系统内部一些关键位置(如中面板(图2b)、刀盘筋板(图2e)等)难以布置测点的难题，提出了空间影射预测模型，可以运用此模型在已测数据的基础上实现对刀盘系统难测量位置的振动和应变进行合理预测，并及时反馈给操作人员，防止TBM刀盘系统突发事故的产生，确保TBM安全可靠地工作，同时也可以为减振方案的改进以及寿命的估计提供依据。

附图说明

[0022] 图1是TBM总体图。

[0023] 图2是刀盘系统示意图。

[0024] 图3是水孔测点布置局部放大图。

[0025] 图4是TBM刀盘系统后面板测点布置局部放大图。

[0026] 图5是驱动电机测点布置局部放大图。

[0027] 图6是传感器节点、工业电池及其保护壳体示意图。

[0028] 图7是振动幅值的空间影射模型。

[0029] 图8是应变的空间影射模型。

[0030] 图中：1a刀盘系统；1b支撑盾体；1c主梁；1d支撑靴；

[0031] 2a人孔；2b中面板；2c后面板；2d驱动电机；2e筋板；

[0032] 3a、4a、5a信号采集装置(即图6所示装置)；

[0033] 3b、4b应变计；

[0034] 6a传感器节点；6b电池；6c保护壳体；

[0035] Si(i＝1,2…N)为测量点；S为振源等效点；ST、O1为待预测点；S0、O为投影点。

具体实施方式

[0036] 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。

[0037] 一种全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动及应变的监测方法，所用的全断面岩石掘进机刀盘系统关键位置振动和应变监测系统，包含用于测量振动的传感器、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、刀盘系统关键位置布置模型和空间投影预测模型；通过布置在刀盘系统易布位置的无线传感器和应变计来监测相应位置运行过程中的振动和应变状态，同时基于无线网络协议接受传输振动及应变数据，实现对TBM刀盘系统相应位置的实时监测；具体包括刀盘系统安全性测点布置方案、空间影射预测模型；

[0038] (1)刀盘系统安全性测点布置方案

[0039] 本监测方法主要针对全断面岩石掘进机(TBM)的刀盘系统关键位置，其总体结构。为了使传感器在TBM运动过程中能安全稳定地工作，要在各个被检测部件上选择安全性测量点，具体布局如下：

[0040] 在刀盘系统人孔、后面板和驱动电机上布置有传感器，在刀盘系统人孔和后面板上布置有应变计，传感器用于检测所在位置的振动情况，应变计用于检测所在位置的应变状态。

[0041] (2)空间影射预测模型

[0042] 刀盘系统由于其自身结构的复杂性导致有一些关键部位的测量难以实现，本发明针对以上问题提出空间影射预测模型，空间影射预测模型包括振动幅值预测模型和应变的间接测量模型；

[0043] 振动幅值预测模型如下：

[0044]

[0045] 其中，n为测点布置数目；Am为待预测点振动响应幅值；K为介质吸振系数，包括介质弹性吸振系数、介质内部结构系数等，其取值范围为1.2～2.3，一般介质吸振越好，其值越大。δ为距离自衰减系数，1.0～1.8距离越长，δ越大；ρ为被测部位的结构参数，如无加强筋P＝1，有加强筋ρ＝1～5，加强筋越多，ρ越大；βi为测点Si(i＝1,2…N)距离待预测点ST的位面投影点S0的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；Ai为测点振动响应幅值；R1为测试位面投影点S0距离振源S的距离；R2为待测位面的待预测点ST距离振源S的距离；α为测点相互影响系数，1.1～1.8，测点越多其取值越小；为投影位面系数，其取值范围1.0～1.8,待预测位面离测量位面越远，其值越大(待预测位面位于S点和测量位面之间)；

[0046] 应变的间接测量模型如下：

[0047]

[0048] 其中，n为测点布置数目；εo为待预测点应变；ρ为被测部位的结构参数，如无加强筋P＝1，有加强筋ρ＝1～8，加强筋越多，ρ越大；βi为测点Si(i＝1,2…N)距离待预测点ST的位面投影点S0的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；εi为测点应变；α为测点相互影响系数，1.2～1.6，测点越多其取值越小； 为投影位面系数，其取值范围1.0～1.5，待预测位面离测量位面越远，其值越大。

[0049] 图1为某工程的TBM主机系统示意图，体现刀盘系统所在位置，TBM滚刀在工作过程中不停地切割岩石，多点冲击会产生较大载荷传递到刀盘系统上，造成了其内部结构的变形和振动。

[0050] 按照设计的安全性位置布置振动传感器及其应变计，采用电池供电，在适当的采样频率下电池的使用周期约为1周，采集到的振动信号经天线传输至无线网关；布置在刀盘水孔、后面板处的应变计，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。对于空间影射模型最主要是进行刀盘系统难测量位置的间接预测，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振动和应变的推算和预测。TBM工作时产生的实时振动以及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。