全断面岩石掘进机主梁及其连接法兰振动及应变的监测方法与流程

本发明涉及一种全断面岩石掘进机主梁及其连接法兰处振动及应变实时监测方法，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：

全断面掘进装备(简称tbm)，是隧道掘进大型复杂成套装备，广泛应用于水利、交通、国防、能源等地下工程建设。由于tbm掘进环境复杂，且岩石具有高硬度、高耐磨性，高温、高围压等特点，再加上tbm滚刀多点冲击破岩的特点，滚刀切削岩石过程中将产生强冲击载荷，这些载荷将传递到tbm自身，致使tbm会出现剧烈的振动现象，最终造成tbm某些关键部位发生磨损甚至断裂，由于各部分之间是以螺栓紧固，其振动和变形会产生较大力，可能造成螺栓损伤断裂，因此连接位置更应进行重点监测。

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)，刀盘系统负责主要掘进工作，而主梁(图1中1c)则承担主要支撑作用，两者之间通过螺栓进行连接，但恶劣的载荷条件往往造成tbm剧烈振动，这也增加了连接法兰位置的受力和变形，为了保证掘进部分和支撑部份之间的紧密连接和tbm的正常掘进，必须掌握tbm连接法兰的振动情况和关键结构部位的应变情况，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。

目前国内外对tbm主梁及其连接法兰振动和应变的监测方案相对研究较少。并且由于法兰本身螺栓较为密集，无法全部安装传感器进行检测。虽也有一些学者也做过一定的理论研究，但对法兰处简化较为严重，因此具有一定的局限性和较大的误差。

基于以上情况，由于主梁前段最靠近刀盘系统，其振动情况较之中段和后段要大，因此本发明针对主梁前段(图2所示)及其与刀盘连接的法兰(图2中2a)的振动和应变，进行了测点的安全性布局，这既节省了传感器的数量又能最大限度地对主梁及其连接法兰进行安全性监测。另外，提出了间接预测模型可以运用此模型在已测数据的基础上实现对其他位置的合理预测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全断面岩石掘进机主梁及其连接法兰处振动和应变实时监测方法，利用振动和应变传感器及其无线数据传输系统获取监测数据，实现对tbm主梁前段及其连接法兰应变状态长期实时监测，并及时反馈给操作人员，防止tbm突发事故的产生，确保tbm安全可靠地工作。

本发明采用的技术方案

本发明的技术方案：

一种全断面岩石掘进机主梁及其连接法兰振动及应变的监测方法，所用的全断面岩石掘进机主梁前端及其连接法兰应变监测系统，包含用于测量振动的加速度节点、用于测量测量应变的应变计、接受无线信号的无线网关、显示测量数据的计算机、主梁前段测点布置模型、主梁前段连接法兰处测点布置模型和间接预测模型；通过布置在tbm主梁前段及其连接法兰的无线传感器监测其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主梁前段及其连接法兰的实时监测；具体包括主梁前段测点布置模型、主梁前段连接法兰处测点布置模型、保护措施和间接预测模型；

(1)主梁前段测点布置模型

主梁前段测点布置模型测点布置模型如下：

f(x)＝l{a1sin(b1x+c1)+a2sin(b2x+c2)}

其中：a1—主弦幅值1.028～1.071；

b1—主弦角频率0.1729～0.1999；

c1—主弦相偏移0.1285～0.1572；

a2—辅弦幅值0.03236～0.07058；

b2—辅弦角频率0.6125～0.9147；

c2—辅弦相偏移-1.481～-0.3967；

以上参数随所受力状况进行选取，随力的增大而减小；

x—测点编号0～n；

l—主梁前段长度；

f(x)—测点距离主梁前段法兰的距离；

(2)主梁前段连接法兰处测点布置模型

主梁前段连接法兰处测点布置模型如下：

y＝l(n-1){asin(x-π)+b(x-10)²+c+dsin(x-π)²+esin(x-π)³}其中：a—主弦参数-0.05～-0.03；

b—辅修系数0.0008～0.0012；

c—主修系数0.15～0.19；

d—二次辅弦系数-0.08～-0.05；

e—三次辅弦系数0.15～0.2；

以上系数均随所受力增大而减小；

l—两个螺栓之间的距离；

n—长边螺栓总数；

x—测点编号，x＝1,2.....n；

y—两个相邻测点之间的距离；

(3)保护措施

将传感器节点和电池采用同一金属保护壳体进行保护；

(4)间接预测模型

针对测点面布置形式，预测模型如下：

式中：li—测点si距离o的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；

n—测点布置数目；

εi—测点振动响应幅值；

ε0—待测位置o的应变；

σ—测点相互影响系数，1.2～1.8，测点越多其取值越大；

针对测点线性布置形式，预测模型如下：

式中：li—测点si距离待测点o的实际距离；

n—测点布置数目；

εi—测点振动响应幅值；

ε0—待测位置的应变；

σ—测点相互影响系数,1.1～1.5，测点越多其取值越大。

本发明的有益效果：针对主梁及其与连接法兰的振动和应变，进行了测点的安全性布局，这既节省了传感器的数量又能最大限度地对主梁及其连接法兰进行安全性监测，以确保tbm安全可靠地进行工作。另外，提出了间接预测模型可以运用此模型在已测数据的基础上实现对其他位置的合理预测。

附图说明

图1是tbm总体图。

图2是主梁前段示意图。

图3是主梁前段测点布置局部放大图。

图4是主梁前段连接法兰处测点布置局部放大图。

图5是测点面布置形式应变预测模型。

图6是测点线性布置形式应变预测模型

图7传感器节点、工业电池及其保护壳体示意图。

图中：1a刀盘；1b支撑盾体；1c主梁；1d支撑靴；

2a主梁前段连接法兰；

3a、4a为信号采集装置(即图7所示装置)；

3b、4b为应变计；

si(i＝1,2…n)为测量点；o为待预测点；

7a传感器节点；7b电池；7c保护壳体。

具体实施方式

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。

全断面岩石掘进机主梁及其连接法兰振动及应变的监测方法，所用的全断面岩石掘进机主梁前端及其连接法兰应变监测系统，包含用于测量振动的加速度节点、用于测量测量应变的应变计、接受无线信号的无线网关、显示测量数据的计算机、主梁前段测点布置模型、主梁前段连接法兰处测点布置模型和间接预测模型；通过布置在tbm主梁前段及其连接法兰的无线传感器监测其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主梁前段及其连接法兰的实时监测；具体的系统内容分为主梁前段测点布置模型、主梁前段连接法兰处测点布置模型、保护措施和间接预测模型；

(1)主梁前段测点布置模型

对主梁前段的振动和应变测量，由于测量现场工况复杂以及自身结构较大，以往常常以任意合理位置的测点布置来代替整个主梁前段的振动应变情况，这即没有任何科学依据，也存在以偏概全的情况。下面提出一种主梁前段振动和应变测点安全性测点布置方法，测点的安装方式局部放大图(图3所示)，测点布置模型如下：

f(x)＝l{a1sin(b1x+c1)+a2sin(b2x+c2)}

其中：a1—主弦幅值1.028～1.071；

b1—主弦角频率0.1729～0.1999；

c1—主弦相偏移0.1285～0.1572；

a2—辅弦幅值0.03236～0.07058；

b2—辅弦角频率0.6125～0.9147；

c2—辅弦相偏移-1.481～-0.3967；

以上参数随所受力状况进行选取，随力的增大而减小；

x—测点编号0～n；

l—主梁前段长度；

f(x)—测点距离主梁前段法兰的距离；

模型说明：本模型提供一种主梁前段的应变测点的安全性布置模型，较之以往能较大限度的掌握主梁的振动和应变情况，另外由后面的间接预测模型可以在已有测点的基础上，实现其他位置的间接合理预测，这就以多测点的变化情况能最大限度地了解主梁实际振动和应变情况。

(2)主梁前段连接法兰处测点布置模型

对连接法兰的应变和振动的测量，由于测量现场工况以及连接法兰本身的结构的限制，导致无法对所有部位进行测量。下面，提出一种连接法兰振动和应变测点安全性布置方法，测点的安装方式局部放大图(图4所示)，测点布置模型如下：

y＝l(n-1){asin(x-π)+b(x-10)²+c+dsin(x-π)²+esin(x-π)³}其中：a—主弦参数-0.05～-0.03；

b—辅修系数0.0008～0.0012；

c—主修系数0.15～0.19；

d—二次辅弦系数-0.08～-0.05；

e—三次辅弦系数0.15～0.2；

以上系数均随所受力增大而减小；

l—两个螺栓之间的距离；

n—长边螺栓总数；

x—测点编号(x＝1,2.....n)；

y—两个相邻测点之间的距离；

模型说明：

(2.1)两条长边的测点采用衔接式布置，这样更符合其变形的实际情况，例如两边共采用6个测点，前3个在长边1上，后3个在长边2上。另外为了满足相互的衔接关系，建议两长边采用偶数布置的形式。

(2.2)布置测点时是以与主梁连接的螺栓法兰的右下角为原点开始布置。

(2.3)由于短边距离相对较短，通过分析除两端点的测点以外，在7：3的分点位置布置一个测点。

(2.4)由于工况的复杂性，具有一定的误差，其误差在工程上可以接受。

(3)保护措施

传感器节点的供电一般用电池接口与传感器节点接口连接以实现供电，但由于tbm作业环境较为恶劣，岩渣的坠落等都有可能破坏传感器的正常运行，因此对于传感器节点(图7中7a)和为其供电的电池(图7中7b)增加一定的保护措施，这里采用一个金属的保护壳体(图7中7c)来实现对传感器节点和电池的保护，以防恶劣的环境对其正常工作造成影响。

(4)间接预测模型

以上两个模型可以实现主梁前段及其连接法兰处的测点安全合理布置，在已知测点位置的数值以后，需要实现对其他位置应变的推算，因此针对测点面布置形式(如连接法兰测点布置形式)，预测模型示意图(图5所示)，预测模型如下：

式中：li—测点si距离o的距离系数，距离越大，数值越小，取值范围为1～9；

n—测点布置数目；

εi—测点振动响应幅值；

ε0—待测位置o的应变；

σ—测点相互影响系数，1.2～1.8，一般测点越多其取值越大；

针对测点线性布置形式(如主梁前段测点布置形式)，预测模型示意图(图6所示)，预测模型如下：

式中：li—测点si距离待测点o的实际距离；

n—测点布置数目；

εi—测点振动响应幅值；

ε0—待测位置的应变；

σ—测点相互影响系数,1.1～1.5，一般测点越多其取值越大；

模型说明：

(4.1)以上两种预测模型虽然形式上相同，但由于针对的布置形式不同，所以li代表的含义也有所差别，且测点的相互影响系数，线性布置要比面布置小一些。

(4.2)由于tbm工作环境复杂多变，本间接预测模型由于是在安全优化测点的基础上实现未知测点的预测，因此在合理的范围内可能存在一定的误差。

图1为某工程的tbm主机系统示意图，体现主梁所在位置，tbm刀盘在工作过程中不停地切割岩石，刀盘受岩石冲击作用产生受载较大且载荷传递到后面的部件，造成了主梁及其连接法兰处的振动。

按照模型ⅰⅱ来布置主梁前段及其连接法兰处的的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；布置在主梁及其连接法兰处的应变计，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。对于模型iii最主要是进行其他位置的间接预测，当从安全优化布置的测点得到数据以后，可以应用此模型进行其他位置的推算和预测。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。