硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备

本技术涉及硬岩隧道掘进装备施工，尤其涉及一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备。

背景技术：

1、全断面硬岩隧道掘进机，是一种用于开挖硬岩隧道与地下通道的大型高科技施工装备。随着交通与城市化建设的快速发展，我国已成为当今世界上隧道和地下工程最多并且发展速度最快的国家，因此全断面硬岩隧道掘进机得到越来越广泛地应用。常截面盘形滚刀是硬岩隧道掘进机最常用的高效破岩工具，在硬岩地质施工过程中，滚刀刀圈在刀盘推力和扭矩作用下碾压破碎岩体，同时，刀圈表面材料不断磨损脱落，逐渐削弱滚刀力学性能，一旦磨损达到刀圈极限位置，将失去破岩能力，若不能被及时检测更换，会引起滚刀刀具的损坏，甚至导致刀盘磨损，造成施工故障，严重阻碍施工进度，提高施工成本。

2、相关技术中，硬岩高强度大硬度脆性材料属性耦合岩体节理结构特征增加了刀具磨损状态实时预估的难度，目前仍缺乏直接有效的技术手段实时检测刀具磨损状态；其中，岩体节理结构是影响岩体力学性能重要因素，直接影响滚刀与坚硬岩体相互接触作用，但在现有技术当中，缺少对岩体节理结构特性的影响规律深入具体分析，限制了现有检测方法的适用性与准确性，难以全面准确实时预估含节理硬岩隧道工程中常截面盘形滚刀磨损状态。

技术实现思路

1、鉴于此，本技术提供了一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备，用以解决前述所提及的技术问题。

2、基于上述目的，本技术提供了一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法，所述掘进机的刀盘上设置有多把盘形滚刀，所述预测方法包括：

3、获取掘进机的掘进参数，根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数；

4、确定目标盘形滚刀，获取施工岩体信息，根据所述切割系数、所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离；

5、根据所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力；

6、根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离、所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量；

7、确定目标时间段，根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量计算出所述目标盘形滚刀在所述目标时间段内的总重量磨损量。

8、可选地，所述掘进机的掘进参数包括：刀盘推力及刀盘扭矩；所述预设的掘进机结构参数包括：刀盘上盘形滚刀的数量及盘形滚刀在刀盘上的安装半径，

9、所述根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数，包括：

10、基于所述掘进机的掘进参数及所述预设的掘进机结构参数，根据如下公式计算出所述掘进机的切割系数，

11、

12、其中，cc为所述掘进机的切割系数，n为所述刀盘上盘形滚刀的数量，ri为任一所述盘形滚刀在所述刀盘上的安装半径，为所述刀盘上n个所述盘形滚刀的安装半径之和，tr为所述掘进机的刀盘扭矩，th为所述掘进机的刀盘推力。

13、可选地，所述掘进机的掘进参数还包括：掘进机的切深及刀盘转速；所述预设的掘进机结构参数还包括：目标盘形滚刀的半径及目标盘形滚刀在刀盘上的安装半径；所述施工岩体信息包括：施工岩体的摩擦系数，

14、所述根据所述切割系数、所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，包括：

15、基于所述切割系数、所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，

16、k＝0.142-2.134×10-4·r (2)，

17、

18、其中，k为常数，r为所述目标盘形滚刀的半径，li为所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，pa为破岩过程中所述掘进机的切深，rs为所述目标盘形滚刀在刀盘上的安装半径，n为所述掘进机的刀盘转速，μ为施工岩体的摩擦系数。

19、可选地，所述预设的掘进机结构参数还包括：相邻盘形滚刀之间的刀间距及目标盘形滚刀的刀刃宽度；所述施工岩体信息还包括：施工岩体的单轴抗压强度、施工岩体的抗拉强度、施工岩体的节理角及施工岩体的节理间距，

20、所述根据所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，包括：

21、基于所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，

22、

23、其中，pc为所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，s为所述刀盘上相邻盘形滚刀之间的刀间距，b为所述目标盘形滚刀的刀刃宽度，σc为施工岩体的单轴抗压强度，σt为施工岩体的抗拉强度，jα为施工岩体的节理角，js为施工岩体的节理间距；其中，当js的最大值为400mm时，用以表示完整岩体。

24、可选地，所述施工岩体信息还包括：施工岩体的磨蚀性指数，

25、所述根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离、破岩过程中作用在接触弧面上的接触应力及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量，包括：

26、基于所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离、所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力及所述施工岩体信息，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内重量磨损量，

27、wi＝k·arα·pcβ·liγ          (5)，

28、其中，wi为所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量，ar为所述施工岩体的磨蚀性指数，k、α、β及γ均为常数，α、β及γ均为通过标准的环块磨损模拟试验方法获得，k为在标准环块磨损模拟试验数据拟合基础上，再根据所述盘形滚刀和硬岩的线性切割实验进行修正而获得的系数常数。

29、可选地，所述根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量计算出所述目标盘形滚刀在所述目标时间段内的总重量磨损量，包括：

30、基于所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在目标时间段内的总重量磨损量，

31、

32、其中，wiz为所述目标盘形滚刀在所述目标时间段内的总重量磨损量，wit为第t个单位时间内所述目标盘形滚刀的重量磨损量，m为所述单位时间的数量，所述目标时间段为所述掘进机在隧道掘进过程中有效工作时间段。

33、基于同一发明构思，本技术还提供了一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测装置，包括：

34、第一获取模块，用于获取掘进机的掘进参数，根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数；

35、第一计算模块，用于确定目标盘形滚刀，获取施工岩体信息，根据所述切割系数、所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离；

36、第二计算模块，用于根据所述掘进机的掘进参数、所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力；

37、第三计算模块，用于根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离、所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量；

38、第四计算模块，用于确定目标时间段，根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量计算出所述目标盘形滚刀在所述目标时间段内的总重量磨损量。

39、基于同一发明构思，本技术还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如上所述的方法。

40、基于同一发明构思，本技术还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如上所述的方法。

41、基于同一发明构思，本技术还提出一种硬岩隧道掘进机，包括如上所述的硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测装置，和/或如上所述的电子设备，和/或如上所述的非暂态计算机可读存储介质。

42、从上面所述可以看出，相比与现有技术，本技术提供的硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备具有如下有益效果：

43、本技术根据硬岩隧道掘进机在破岩过程中盘形滚刀与岩体之间的力学关系，利用现场测得的掘进机的掘进参数和施工岩体信息，结合预设的掘进机结构参数，能够对处于掘进阶段的掘进机刀盘上盘形滚刀的磨损量进行实时预测，降低了刀具磨损状态监测的难度，更加贴近工程实际应用，具有较好的实时性和准确性。