[发明专利]一种TBM刀盘振动监测及评价方法

权利要求书

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。