一种掘进机的掘进参数设定方法
【专利摘要】本发明提供了一种掘进机的掘进参数设定方法，根据围岩数据，利用效率预测模型，预测出后一段掘进的掘进效率；根据掘进效率与掘进参数之间的数学关系，计算出掘进系统的掘进参数。本发明解决了单纯依靠施工经验而设定掘进参数，存在地质适应性差的问题，能够很好地解决不同地质情况下的掘进参数设定的情况，从而保障施工更加安全、可靠与高效；选择对掘进效率相关性较大的围岩参数作为预测模型输入，能够更加准确地预测掘进效率；采用偏最小二乘算法PLS提取成分，解决了输入变量之间存在的相关性问题，降低了ANFIS结构输入维数，提高了预测精度，加快了仿真速度，有利于实时设定于掘进机的掘进参数。
【专利说明】一种掘进机的掘进参数设定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大型掘进机械装备施工【技术领域】的方法，具体涉及一种硬岩掘进机施工过程中的驱动系统的掘进参数的设定。
【背景技术】
[0002]全断面硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)是机械、电子、液压、激光等技术一体化的大型工厂化隧道施工作业系统，具有掘进速度快、施工工期短、作业环境好、对生态环境影响小、综合效益高等优点，是国内外隧道施工的重要方法之一。
[0003]在掘进效率预测模型方面，国内外应用较多的两个模型是美国科罗拉多矿业大学提出的CSM预测模型和挪威科技大学建立的NTNU预测模型。CSM模型以滚刀的线性切割实验为主，通过多变量回归分析方法建立的，但其建模研究的边界条件与TBM实际旋转破岩工况不相符，造成载荷计算结果偏差很大；而NTNU模型是通过施工数据建立的，可用来估算特定地质条件下TBM的掘进速度、滚刀磨损、掘进机使用率等，但其载荷计算模型适用范围狭窄。因而，上述模型都不能有效的指导掘进装备的设计。
[0004]在TBM掘进参数调节方面，目前硬岩掘进过程主要依赖于人工经验调节掘进参数，为了指导实际施工，获得国际岩石力学学会终身成就奖的挪威岩土工程研究院学者提出了 Qtbm预测模型，该模型通过地质勘探数据估计理想掘进速度，但没有考虑支撑力、刀盘转速及扭矩等掘进参数，无法用于实时调整掘进参数以匹配地质状况。所以，针对掘进参数的设定方法的研究非常必要，这将有助于提高施工的进展，同时能够更好的适应地质环境的变化。
[0005]目前TBM还存在诸多实际问题需要解决，相关地质适应性基础研究有待进一步推进，掘进参数指导性设置还没有能够形成系统的解决方案。因此，针对TBM掘进参数的设定方法的研究非常必要，这将有助于提高施工的进展，同时能够更好地适应复杂多变地质环境的变化。
【发明内容】
[0006]鉴于现有大型掘进装备施工过程中掘进参数主要依赖人工经验，本发明要解决的技术问题是提供一种掘进机的驱动系统掘进参数设定方法。
[0007]本发明提供了一种基于掘进效率预测的掘进参数设定的方法，根据围岩数据，利用效率预测模型，可以方便地预测出后一段掘进的掘进效率；根据掘进效率与掘进参数之间的数学关系，进而计算出掘进系统的掘进参数，从而解决依靠施工经验而设定掘进参数的问题。
[0008]本发明采用掘进速度(ROP)来表示掘进机的掘进效率。
[0009]本发明提供掘进机的掘进参数设定方法，包括以下步骤:
[0010](I)根据围岩参数，预测掘进效率；
[0011](2)根据掘进效率与掘进参数之间的数学关系，计算掘进机的驱动系统的掘进参数；
[0012](3)将步骤(2)得到的掘进参数实时设定于掘进机的相应的驱动系统。
[0013]本发明提供掘进机的掘进参数设定方法，解决了单纯依靠施工经验而设定掘进参数，存在地质适应性差的问题，能够很好地解决不同地质情况下的掘进参数设定的情况，从而保障施工更加安全、可靠与高效。
[0014]进一步地，步骤(1)中围岩参数包括:单轴抗压强度、巴西试验劈裂抗拉强度、冲击试验压头的最大荷载与相应的位移的比值、软弱结构面的平均间距和隧道轴线与软弱结构面之间的夹角。
[0015]选择对掘进效率相关性较大的围岩参数作为预测模型输入，能够更加准确地预测掘进效率，从而获得更加准确的掘进参数，保障施工更加安全、可靠与高效。
[0016]进一步地，步骤(1)中预测掘进效率包括以下步骤:
[0017](11)采用偏最小二乘算法PLS提取成分；
[0018](12)以步骤(11)的输出作为自适应神经元模糊推理系统ANFIS的输入，预测掘进效率。
[0019]进一步地，步骤(2)中掘进机的驱动系统包括液压推进系统和刀盘驱动系统。
[0020]进一步地，步骤(2)中掘进机的驱动系统的掘进参数包括:液压推进系统每个液压缸的推进压力匕、液压推进系统的推进速度V、刀盘驱动系统的电机驱动功率4_以及刀盘驱动系统的刀盘扭矩Teutte-
[0021]本发明的掘进机的掘进参数设定方法，提供上述掘进参数，对实际施工具有较强的指导意义。
[0022]进一步地，液压推进系统每个液压缸的推进压力匕的计算方法为:
[0023]
【权利要求】
1.一种掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)根据围岩参数，预测掘进效率； (2)根据所述掘进效率与掘进参数之间的数学关系，计算所述掘进机的驱动系统的掘进参数； (3)将所述步骤(2)得到的掘进参数实时设定于所述掘进机的相应的驱动系统。
2.如权利要求1所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，步骤(1)中所述围岩参数包括:单轴抗压强度、巴西试验劈裂抗拉强度、冲击试验压头的最大荷载与相应的位移的比值、软弱结构面的平均间距和隧道轴线与软弱结构面之间的夹角。
3.如权利要求1所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，步骤(1)中预测掘进效率包括以下步骤: (11)采用偏最小二乘算法提取成分； (12)以步骤(11)的输出作为自适应神经元模糊推理系统ANFIS的输入，预测掘进效率。
4.如权利要求1所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，步骤(2)中所述掘进机的驱动系统包括液压推进系统和刀盘驱动系统。
5.如权利要求1所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，步骤(2)中所述掘进机的驱动系统的掘进参数包括:所述液压推进系统每个液压缸的推进压力匕、所述液压推进系统的推进速度V、所述刀盘驱动系统的电机驱动功率Htbmp以及所述刀盘驱动系统的刀盘扭矩 Tcmtte^
6.如权利要 求5所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，所述液压推进系统每个液压缸的推进压力匕的计算方法为:P, !?丄 K + R +N.CTR<p私cos?,L ?4 — \2) j 其中，A为液压缸活塞推进有效面积，η表示液压推进系统提供推进力的液压缸的个数，F2表示围岩作用于掘进机壳体表面的摩擦力，F3表示掘进机自身重量所产生的摩擦阻力，C为恒定常数，T表示滚刀尖宽度，R表示滚刀半径，σ。表示岩石的单轴抗压强度，Ot表示岩石的巴西试验劈裂抗拉强度，S表示切削间距，Ψ定义为P=COS —— f\M j 其中，P表示刀盘旋转一周后的切削深度。
7.如权利要求5所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，所述液压推进系统推进速度V的计算方法为:
V=ROP.U.24/1.44， 其中，ROP表示掘进速度，U表示掘进机利用率。
8.如权利要求5所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，所述刀盘驱动系统的刀盘扭矩Teuttw的计算方法为:
9.如权利要求5所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，所述刀盘驱动系统的电机驱动功率Htbmp的计算方法为:
10.如权利要求6、8或9任一项所述掘进机的掘进参数设定方法，其特征在于，Ψ的计算方法为:
【文档编号】G06F19/00GK103870677SQ201410045253
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月7日 优先权日:2014年2月7日
【发明者】王景成, 费灵, 张浪文, 刘华江, 苗浩轩, 史元浩 申请人:上海交通大学