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隧道掘进机大数据研究进展:数据挖掘助推隧道挖掘

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机械工程学报 2021年第22期57卷 344-358页

作者：石茂林孙伟宋学官大连理工大学机械工程学院大连116024 江苏大学农业工程学院镇江212013

随着传感与智能化技术不断发展,隧道掘进机的运行监测日趋完善,所记录的海量实测数据不仅包含了装备作业过程的重要信息,也蕴含了装备内部及其与外部环境的相互作用机理,通过一定方法对这些数据进行深度挖掘与分析对于提升装备设计、分... 详细信息

随着传感与智能化技术不断发展,隧道掘进机的运行监测日趋完善,所记录的海量实测数据不仅包含了装备作业过程的重要信息,也蕴含了装备内部及其与外部环境的相互作用机理,通过一定方法对这些数据进行深度挖掘与分析对于提升装备设计、分析、运行与维护水平具有十分重要的意义。为总结和分析隧道掘进机实测数据研究方法与应用状况,首先概述隧道掘进机实测数据的来源、构成与特点,从数据驱动的装备状态识别与性能预测、地质识别与地表改变预测、隧道健康监测与预警三个方面综述国内外相关文献,总结和归纳当前研究的难点、优点与不足,最后从隧道掘进机实测数据预处理方法、多源异构数据建模方法、模型泛化能力提升方法、数据计算平台等方面对未来研究方向进行初步分析与展望,为后续隧道掘进机大数据研究提供参考与借鉴。

关键词：隧道掘进机大数据数据挖掘数据驱动技术

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隧道掘进机刀座疲劳寿命预测

隧道掘进机刀座疲劳寿命预测

作者：邓统博石家庄铁道大学

学位级别：硕士

隧道掘进机作为隧道开挖的专用工程装备,在掘进过程中通过刀盘旋转带动盘形滚刀贯入并滚压岩石完成破岩。刀座作为盘形滚刀载体直接焊接在刀盘上,在焊接过程中由于焊接材料和工艺的原因,焊缝位置不可避免的存在初始缺陷,且刀座结构在掘... 详细信息

隧道掘进机作为隧道开挖的专用工程装备,在掘进过程中通过刀盘旋转带动盘形滚刀贯入并滚压岩石完成破岩。刀座作为盘形滚刀载体直接焊接在刀盘上,在焊接过程中由于焊接材料和工艺的原因,焊缝位置不可避免的存在初始缺陷,且刀座结构在掘进中承受交变载荷,导致刀座易疲劳断裂失效。本文针对掘进机刀座焊接结构在交变载荷下的疲劳失效问题,开展刀座的疲劳寿命预测研究,对于隧道掘进机的定期安全维护,保障施工安全,具有重要的工程意义。首先,利用有限元软件建立盘形滚刀破岩仿真模型,获得了工程中常见四种工况下的滚刀破岩的载荷历程,利用雨流计数法将破岩仿真获得的随机载荷时间历程转化为一系列载荷循环,使用先扩展后合成方法编制了刀座八级载荷谱,载荷幅值范围在133.157 k N～300.310 k N,为后续刀座的疲劳寿命预测奠定基础。其次,根据某型隧道掘进机刀座的实际结构尺寸,建立了刀座三维模型,分析了刀座结构的静态特性,确定了刀座危险位置为焊缝焊趾处,最大应力为275.22 MPa;在此基础上分析了刀座在各级载荷幅值下焊趾处不同裂纹深度裂纹尖端的应力强度因子规律,结合断裂力学理论确定了疲劳裂纹扩展参数和刀座损伤容限,并统计各级载荷幅值下的循环次数,进而应用Miner线性累积损伤准则,建立了刀座疲劳寿命预测模型,计算出焊接残余应力完全消除下的刀座疲劳裂纹扩展寿命为3.983×10次,并对刀座进行疲劳寿命仿真分析,仿真结果与理论值误差为3.61%,验证了理论值的合理性。最后,根据刀座焊接工艺确定合适的热源及焊接参数,利用有限元软件建立了刀座焊接结构有限元模型,采用顺序耦合法分析了刀座的瞬态温度场分布和残余应力场分布,揭示了刀座在焊趾位置沿厚度方向的横向残余应力分布规律,利用权函数法计算出刀座焊趾位置的残余应力强度因子,对刀座的疲劳寿命预测模型进一步修正,计算了考虑焊接残余应力的刀座疲劳裂纹扩展寿命为2.343×10次;分析了时效处理残余应力后的刀座疲劳裂纹扩展寿命,得出了不同时效处理残余应力后的刀座疲劳裂纹扩展寿命规律。研究结果不仅为隧道掘进机刀座抗疲劳设计、刀座修复提供理论依据,同时为预测其他焊接结构的疲劳寿命提供相应借鉴,具有一定的工程应用价值。

关键词：隧道掘进机刀座载荷谱残余应力疲劳寿命

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隧道掘进机滚刀性能量化分级评估方法

工具技术 2023年第4期57卷 58-64页

作者：范文超卢高明杨延栋张兵于忠婷盾构及掘进技术国家重点实验室中铁隧道局集团有限公司中机智能装备创新研究院(宁波)有限公司

隧道掘进机滚刀性能是制约掘进效率和施工安全的关键因素,为评价不同工况条件下的滚刀综合性能,通过层次分析法和模糊综合评价法研究了隧道掘进机滚刀性能量化分级评估问题。建立基于洛氏硬度、冲击韧性、承载能力和密封性能的因素集和... 详细信息

隧道掘进机滚刀性能是制约掘进效率和施工安全的关键因素,为评价不同工况条件下的滚刀综合性能,通过层次分析法和模糊综合评价法研究了隧道掘进机滚刀性能量化分级评估问题。建立基于洛氏硬度、冲击韧性、承载能力和密封性能的因素集和评语集,划分滚刀性能评价等级;基于层次分析法构建不同工况滚刀性能参数权重,使用九级标度判断准则构造判断矩阵并通过一致性检验;建立各评价因素对评语集的梯形隶属度函数和三角形隶属度函数,选择七种滚刀构建其模糊评判矩阵;通过广义模糊合成算子计算模糊综合评价结果,基于综合得分对滚刀分级评价排序。结果表明:该方法可定性定量分级评判隧道掘进机滚刀性能优劣,为不同工况滚刀选择提供新思路。

关键词：隧道掘进机滚刀性能参数层次分析法模糊综合评价量化分级评估方法

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大线速度下超高压水射流破岩试验研究

岩土力学 2023年第3期44卷 615-623页

作者：张金良杨风威曹智国苏伟林黄河勘测规划设计研究院有限公司河南郑州450003 水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹) 河南郑州450003 郑州大学水利与土木工程学院河南郑州450001

高压水射流的破岩效果对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。为提升隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩的效率,开展大线速度下超高压水射流破岩试验,分析喷嘴移动线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律,并探究加磨料和... 详细信息

高压水射流的破岩效果对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。为提升隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩的效率,开展大线速度下超高压水射流破岩试验,分析喷嘴移动线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律,并探究加磨料和射流形式对破岩效果的影响。试验结果表明,随喷嘴移动线速度增加,高压水射流的切割深度和切割宽度均近似线性减小;随射流压力增加,切割深度近似线性增大,压力从200 MPa提高到280 MPa,切割深度增加了72%~82%;喷嘴直径从0.35 mm增大到0.60 mm,切割深度增加了60%~85%。大线速度下加磨料后射流变发散,加磨料的切割深度小于纯水的切割深度,加磨料的切割宽度大于纯水的切割宽度。砂管束流射流模式的能量利用率更高,砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大35%~42%,砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大78%~85%。基于Crow切割岩石理论,通过试验数据回归分析,得到大线速度下超高压水射流切割深度半理论半经验预测模型,可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流切割参数优化提供参考依据。研究成果对提升隧道掘进机工况下超高压水射流辅助破岩的效率是很有意义的。

关键词：隧道掘进机大线速度超高压水射流切割深度预测模型

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高压水射流辅助破岩TBM现场掘进试验研究

Journal of Central South University 2022年第12期29卷 4066-4077页

作者：张金良杨风威曹智国夏毅敏李勇昌 Yellow River Engineering Consulting Co. Ltd.Zhengzhou 450003China Key Laboratory of Water Management and Water Security for Yellow River Basin Ministry of Water Resources(under construction)Zhengzhou 450003China College of Water Resources and Environment Zhengzhou UniversityZhengzhou 450001China College of Mechanical and Electrical Engineering Central South UniversityChangsha 410083China

隧道掘进机(TBM)应对超硬岩的破岩效率低一直是困扰TBM应用的共性难题。为探索高压水射流辅助TBM破岩的技术可行性,依托福建省龙岩市万安溪引水工程,采用自主研制的国内首台高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”,开展现场掘进试验研究,介绍高... 详细信息

隧道掘进机(TBM)应对超硬岩的破岩效率低一直是困扰TBM应用的共性难题。为探索高压水射流辅助TBM破岩的技术可行性,依托福建省龙岩市万安溪引水工程,采用自主研制的国内首台高压水力耦合破岩TBM“龙岩号”,开展现场掘进试验研究,介绍高压水力耦合破岩TBM的关键技术,验证高压水射流辅助TBM的破岩效果,分析高压水射流压力和刀盘转速对TBM贯入度、掘进速度和贯入度指数的影响规律。试验结果表明,高压水射流辅助破岩技术可提高TBM贯入度和岩体可掘性。随高压水射流压力的增加,TBM贯入度增大,贯入度指数减小,270 MPa压力下贯入度最大可增加64%;随刀盘转速的增加,高压水射流的辅助破岩作用减弱。现场掘进试验参数条件下,高压水射流压力270 MPa、刀盘转速6 r/min时对应的掘进速度最大。试验结果体现了高压水射流辅助破岩的技术优越性,研究成果可作为高压水射流辅助破岩TBM掘进参数选择的依据。

关键词：隧道掘进机高压水射流贯入度掘进速度贯入度指数

隧道掘进机工程大数据管理平台关键技术及应用研究

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隧道建设（中英文） 2020年第6期40卷 783-792页

作者：孙振川钱彤途任颖莹褚长海周振建盾构及掘进技术国家重点实验室河南郑州450001 西安电子科技大学通信工程学院陕西西安710071

为解决目前大多数信息化管理平台兼容性及扩展性不强、功能单一,满足不了当前工程管理需求的问题,从高质量的大数据管理平台架构、兼容性强的数据采集、扩展性强的分布式存储3个方面进行平台建设关键技术研究。采用分布式HBase列存储数... 详细信息

为解决目前大多数信息化管理平台兼容性及扩展性不强、功能单一,满足不了当前工程管理需求的问题,从高质量的大数据管理平台架构、兼容性强的数据采集、扩展性强的分布式存储3个方面进行平台建设关键技术研究。采用分布式HBase列存储数据库和高性能Spark内存计算引擎,创建行业Hadoop集群生态架构,设计一种多协议、多通道且兼容性强的数据采集系统,为隧道掘进机大数据平台的采集、存储、搭建等提供技术支撑。建立集智能监测、综合分析、协同管理、大数据应用功能于一体的隧道掘进机工程大数据管理平台,从管理和技术层面为类似的大数据平台设计开发提供参考,提升隧道掘进机施工效率,提高智能化管理水平。

关键词：隧道掘进机大数据管理平台数据采集智能监测协同管理

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隧道掘进机泡沫添加剂发泡效果的试验研究

城市道桥与防洪 2024年第5期 268-272,M0023页

作者：屠垒上海城建隧道装备有限公司上海市200137

泡沫添加剂作为隧道掘进机施工中重要的土体改良剂,其系统组成、发泡效果在很大程度上影响着实际施工,尤其是在较为复杂的地层中。针对隧道掘进机泡沫添加剂系统中出现的发泡效果不佳等问题,研制并搭建试验平台,通过模拟设置掘进机实际... 详细信息

泡沫添加剂作为隧道掘进机施工中重要的土体改良剂,其系统组成、发泡效果在很大程度上影响着实际施工,尤其是在较为复杂的地层中。针对隧道掘进机泡沫添加剂系统中出现的发泡效果不佳等问题,研制并搭建试验平台,通过模拟设置掘进机实际施工参数,探索对比测试影响泡沫发泡喷射效果的诸如不同发泡倍率等6种因素,为泡沫系统的设计开发提供试验数据。

关键词：隧道掘进机泡沫添加剂发泡效果试验

盾构切削混凝土刮刀受力和磨损的离散元数值模拟研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2023年第1期50卷 208-218页

作者：刘浩许宇李兴高杨益北京交通大学交通运输学院北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043 济南轨道交通集团有限公司山东济南250014

随着城市隧道建设过程中盾构切削混凝土基础案例逐渐增多,研究盾构刮刀在切削混凝土过程中的受力和磨损对于保障盾构安全高效掘进、拓宽盾构机适用范围意义重大.在前期试验的基础上,利用离散元软件EDEM,对刮刀切削混凝土过程进行了数值... 详细信息

随着城市隧道建设过程中盾构切削混凝土基础案例逐渐增多,研究盾构刮刀在切削混凝土过程中的受力和磨损对于保障盾构安全高效掘进、拓宽盾构机适用范围意义重大.在前期试验的基础上,利用离散元软件EDEM,对刮刀切削混凝土过程进行了数值模拟,研究了刀具参数(刀具前角、刀具后角、刀具形状)、试件强度、切削深度和切削速度对刀具受力的影响,并基于Archard模型探讨了刀具的磨损情况.计算结果表明,刀具前角越大,刀具受力越小;刀具后角和形状对其受力影响较小;试件强度、切削深度和切削速度越大,刀具的受力越大.数值计算得到的刀具切削力平均值与室内试验结果总体上有很好的一致性.刀具磨损情况最为严重的部位是刀尖;刀具前、后角越大,刀具磨损越严重;刀具磨损随切削深度、试件强度、切削速度的增大而增大.研究成果可为盾构刮刀设计和选型提供参考.

关键词：隧道掘进机切削刀具离散元刮刀受力材料磨损

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隧道掘进机行星减速器均载设计及样机研制

隧道掘进机行星减速器均载设计及样机研制

作者：赵荷重庆大学

学位级别：硕士

随着隧道掘进机在工程建设中应用范围逐渐扩大,其核心零部件的设计与制造的国产化进程备受关注。当前隧道掘进机用减速器可采用行星传动结构进行设计,以实现高功率密度、大传动比、高承载能力、长使用寿命等要求。尽管行星齿轮传动机构... 详细信息

随着隧道掘进机在工程建设中应用范围逐渐扩大,其核心零部件的设计与制造的国产化进程备受关注。当前隧道掘进机用减速器可采用行星传动结构进行设计,以实现高功率密度、大传动比、高承载能力、长使用寿命等要求。尽管行星齿轮传动机构具有诸多优点,但在设计、制造等过程仍然存在诸多难点,比如行星减速器均载机构设计、多级行星齿轮传动机构串联共轴线保证、行星架铸造质量控制、齿轮热处理质量控制等。因此,对隧道掘进机用行星减速器进行国产化研制,替代进口减速器,在降低采购成本、缩短采购周期、降低维护成本等方面具有重要意义。本文以隧道掘进机用行星减速器为研究对象,开展行星减速器的传动结构设计、均载特性仿真分析、制造工艺技术与样机试制、均载特性测试等方面研究。论文主要的研究工作如下:(1)分析隧道掘进机常用减速器工作原理及结构特点,根据用户实际需求进行隧道掘进机用行星减速器传动结构设计,基于KISSsoft软件进行齿轮、花键和螺栓的参数确定和强度校核,利用ANSYS Workbench对行星架和箱体进行有限元建模与分析,校核所得结果均满足设计要求。(2)分析行星齿轮间承载不均的原因及均载措施,利用MASTA软件建立动力学仿真分析模型,基于减速器载荷谱开展齿轮修形研究,制定仿真工况对系统均载特性进行仿真分析,得出在额定工况下各级行星轮的不均载系数相对较小,即传动系统均载性能较好。(3)研究隧道掘进机用行星减速器关重零件的制造工艺技术,对关重零件的毛坯、机加工、装配等过程技术难点进行分析,制定解决措施,完善工艺流程。绘制产品图纸,进行样机生产制造。(4)基于应变测试原理,设计并搭建隧道掘进机用减速器不均载测试试验台,采用分级加载测试方法,测得内齿圈齿根应变数据,进而计算出各级行星轮的不均载系数,试验结果与仿真结果吻合良好。拆检试验后的减速器,检查各级齿轮齿面接触斑点情况,齿轮修形仿真分析与实际啮合情况基本一致。

关键词：隧道掘进机行星齿轮减速器均载齿根应力测试样机研制