一種硬巖掘進裝備的圍巖強度在線辨識方法與流程
2023-05-30 06:42:06 1
本發明屬於隧道掘進自動化控制技術領域，涉及一種硬巖掘進裝備的圍巖強度在線辨識方法。
背景技術：
硬巖掘進裝備是一種用於地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備，具有開挖速度快、質量高、人員勞動強度小、安全性高、對地表沉降和環境影響小等優點。
硬巖掘進機在掘進過程中，圍巖的硬度條件對掘進性能有重要影響。高硬度、圍巖複雜多變的環境會使得圍巖掘進機面臨的施工環境極端複雜。圍巖強度的大小是反映圍巖地質狀況的重要指標。圍巖強度的大小與掘進參數的設定密切相關，而且目前尚未有實時獲取圍巖強度信息的方法。因此，硬巖掘進裝備圍巖強度在線辨識是硬巖掘進裝備地質適應性控制的重要內容也是實現高效施工的重要技術。
硬巖掘進機的地質適應性控制技術是前沿課題，涉及主要內容就是合理調節參數適應地質變化狀況。因此，圍巖強度的實時獲取對掘進機的地質適應性施工有重要作用。目前，施工過程每掘進一定距離就會採集圍巖的樣本，並將樣本送到專門的檢測部門進行檢測。施工人員能夠根據檢測結果預測圍巖的狀況，但這種圍巖強度檢測的方法需要花比較多時間，無法實時提供圍巖強度的信息，對於輔助施工參數設定沒有很大意義，很難良好實現地質適應性控制。為此，施工人員施工過程當中依然憑藉司機的個人經驗判定圍巖的強度狀況和設定掘進參數。因此，在硬巖掘進機在施工過程中實時辨識圍巖強度信息是硬巖掘進地質適應性控制、提高掘進效率的一個關鍵技術。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種全斷面硬巖掘進裝備的圍巖強度在線辨識方法。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種硬巖掘進裝備的圍巖強度在線辨識方法，所述硬巖掘進裝備包括主驅動系統、推進系統、減速箱、小齒輪、大齒圈、刀盤和滾刀；所述主驅動系統包括若干主驅動電機、電機編碼器、電機扭矩傳感器；所述推進系統包括若干推進液壓缸、容腔壓力傳感器、位移傳感器；刀盤與大齒圈用法蘭連接，小齒輪與大齒圈相互嚙合，小齒輪與減速箱輸出軸連接，減速箱輸入軸與主驅動電機相連；該方法包括以下步驟：
(1)初始化實時信號採樣周期T，初始化圍巖強度值；
(2)根據硬巖掘進裝備傳感系統，採集硬巖掘進裝備的推進液壓缸各腔壓力、各主驅動電機扭矩，刀盤旋轉速度，推進液壓缸伸縮速度；
(3)根據步驟2採集到的傳感信號，判斷硬巖掘進裝備的運行狀態，如為工作狀態，則執行步驟4，否則繼續執行步驟2；
(4)根據步驟2採集到的傳感信號，提取滾刀的平均圍巖接觸角、滾刀所受平均圍巖作用力；
(5)對現有的圍巖切削模型進行線性回歸轉換，得到辨識用圍巖切削模型；
(6)將步驟2獲得的有效掘進信號輸入辨識用圍巖切削模型中，對辨識用圍巖切削模型採用最小二乘法，實時辨識圍巖單軸抗壓強度。
進一步地，所述步驟3)具體為：根據步驟1)採集的壓力值及扭矩值估計總推進力與總驅動扭矩：
總推進力Ft：
其中，PAi為推進缸進油腔壓力大小，Ai為推進缸進油腔截面積，PBi為推進缸出油腔壓力大小，Bi為推進缸出油腔截面積，nt為推進液壓缸個數；
總驅動扭矩Td：
其中，q1為減速箱減速比，q2為小齒輪大齒圈嚙合減速比，Ti為主驅動電機驅動扭矩，nd表示主驅動電機個數；
設定有效壓力閾值和扭矩閾值，當總推進力Ft、總驅動扭矩Td均大於設定閾值時，判定硬巖掘進裝備為工作狀態，執行步驟4)，否則繼續執行步驟2)。
進一步地，所述步驟4)具體為：根據硬巖掘進裝備總推進力與總驅動扭矩，求得滾刀平均作用力及滾刀平均圍巖接觸角Φ；
滾刀平均法向作用力
<![CDATA[ F t = F t / n c - - - ( 26 ) ]]>
滾刀平均徑向作用力
<![CDATA[ F n = 4 T d / ( Dn c ) - - - ( 27 ) ]]>
其中，D表示刀盤直徑，nc表示刀盤上滾刀總數；
滾刀平均作用力
<![CDATA[ F t d = F t 2 + F n 2 - - - ( 28 ) ]]>
滾刀貫入度ph：
ph＝v/ω (29)
其中，v為推進液壓缸掘進速度，m/min；ω為刀盤旋轉速度，r/min；
滾刀圍巖接觸角Φ：
Φ＝arccos((R-ph)/R) (30)
其中，R為滾刀半徑。
進一步地，所述步驟5)中，將現有的圍巖切削模型(CSM模型)進行線性回歸轉換，得到辨識用圍巖切削模型；
現有圍巖切削模型：
<![CDATA[ F t d = C s Φ R T σ c 2 σ t 3 Φ R T 1 + Ψ - - - ( 31 ) ]]>
其中，滾刀所受平均作用力，C是無符號參數(近似等於2.12)，S是滾刀間的空間，Φ是滾刀的平均圍巖接觸角，R是滾刀半徑，T是滾刀尖端的寬度，Ψ是與滾刀尖端寬度相關的常數，σc是圍巖的單軸抗壓強度，σt是圍巖的剪切強度；
由於以上模型具有非線性，對以上式子兩邊同時求對數：
<![CDATA[ l g F t d = lg ( C s R T 3 R T ) + 2 3 lg Φ + 2 3 lgσ c + 1 3 σ t - lg ( 1 + Ψ ) - - - ( 32 ) ]]>
令σt＝μσc，得到：
<![CDATA[ l g F t d = lg ( C s R T 3 R T ) + 2 3 lg Φ + lgσ c + 1 3 lg μ - lg ( 1 + Ψ ) - - - ( 33 ) ]]>
定義新的變量：
將上式寫成線性回歸表達：
其中，n表示幹擾，
進一步地，所述步驟6中，最小二乘圍巖強度遞推辨識具體如下：
根據回歸表達式，得到準則方程：
其中，表示權重矩陣，表示t時刻的預測誤差，E＝[ε(1)T,ε(2)T,...,ε(t)T]表示模型誤差矩陣；
對上式準則方程求最小化，需要以下條件：
上述方程即可寫成：
<![CDATA[ Φ ( t ) T W ( t ) Φ ( t ) θ ^ ( t ) = Φ ( t ) T W ( t ) Y ( t ) - - - ( 38 ) ]]>
其中，Y(t)＝[y(1),...,y(t)]T,
進而得到參數辨識方程：
<![CDATA[ θ ^ ( t ) = P ( t ) Φ ( t ) T W ( t ) Y ( t ) - - - ( 39 ) ]]>
其中，
令
其中，I表示單位矩陣
於是，根據式(16)求得P(t)表達式：
注意到參數辨識方程(15)可以寫成：
考慮式(16)，上式即可寫成如下形式：
將式(19)兩邊同乘P(t)，求得：
因此，圍巖強度辨識結果可以寫成：
σc(t)＝eθ(t) (45)
式中，σc為圍巖單軸抗壓強度。
綜合考慮式(18)(21)(22)，得到圍巖強度辨識算法：
本發明具有的有益效果是：
1)本發明所使用的推進缸壓力信號和主驅動電機扭矩信號在現有硬巖掘進機中均有測量，該方法無需增加額外的傳感器、信號採集系統等設備。考慮到本方法是一種迭代方法，具有計算量小、容易實現及對計算硬體要求低等特點，故該方法可以在現有的上位機軟體中實現，無需增加其他硬體計算設備。相較於傳統的圍巖強度檢測方法，該方法具有較低成本。
2)本發明根據傳感器信號實現在線的圍巖強度辨識算法，並在上位機實時顯示。相較於傳統的先採集圍巖樣本並送往特定檢測機構測定圍巖強度的方法，這種技術實時性更強，進而更加有效地輔助施工人員進行調節參數，實現更好的地質適應性控制。
附圖說明
圖1為本發明的組成模塊示意圖；
圖2為硬巖掘進裝備施工示意圖；
圖中：滾刀1，刀盤2，大齒圈3，小齒輪4，減速箱5，主驅動電機6，推進液壓缸7，支撐液壓缸8，撐靴9。
具體實施方式
下面根據附圖詳細描述本發明，本發明的目的和效果將會更加明顯。
本發明包括：各推進液壓缸壓力及推進速度傳感信息、各主驅動電機扭矩及轉速傳感信息、滾刀切削圍巖模型、圍巖強度辨識技術。該圍巖強度辨識技術在上位機監控系統中，能夠根據推進液壓缸壓力的實時變化情況及主驅動系統扭矩的實時信息，基於圍巖切削模型，利用最小二乘算法，實現圍巖強度的在線辨識。
如圖1所示，本發明針對硬巖掘進機施工過程提出的圍巖強度在線辨識方法包括：
傳感信息系統，所述傳感信息系統主要包含推進系統壓力測量、刀盤系統扭矩測量、刀盤轉速測量和信號處理模塊。以圖2所示硬巖掘進裝備為例，該硬巖掘進裝備包括主驅動系統、推進系統、減速箱5、小齒輪4、大齒圈3、刀盤2和滾刀1；所述主驅動系統包括若干主驅動電機6、電機編碼器、電機扭矩傳感器；所述推進系統包括若干推進液壓缸7、容腔壓力傳感器、位移傳感器；刀盤2與大齒圈3用法蘭連接，小齒輪4與大齒圈3相互嚙合，小齒輪4與減速箱5輸出軸連接，減速箱5輸入軸與主驅動電機6相連；所述推進系統壓力測量裝置設在圖2中的推進液壓缸7的兩腔。所述刀盤系統扭矩測量裝置設在圖2中驅動刀盤2轉動的主驅動電機6。所述信號處理模塊將傳感信號進行A/D轉換、濾波等預處理輸出數位化信號。
圍巖強度在線辨識，所述圍巖強度在線辨識包含硬巖掘進機掘進狀態判定模塊、圍巖強度在線辨識算法。所述硬巖掘進機掘進狀態判定模塊用於判定掘進機是否處於掘進狀態。所述圍巖強度在線辨識算法計算輸出圍巖強度信息。圍巖強度在線辨識算法的原理是根據採集數據不斷進行更新圍巖強度辨識結果，適應不同的地質條件。圍巖強度應用模塊將圍巖強度信息在上位機顯示。
該方法的具體實現步驟如下：
(1)初始化實時信號採樣周期T，初始化圍巖強度值；
(2)根據硬巖掘進裝備傳感系統，採集硬巖掘進裝備的推進液壓缸各腔壓力、各主驅動電機扭矩，刀盤旋轉速度，推進液壓缸伸縮速度；
(3)根據步驟2採集到的傳感信號，判斷硬巖掘進裝備的運行狀態，如為工作狀態，則執行步驟4，否則繼續執行步驟2；
(4)根據步驟2採集到的傳感信號，提取滾刀的平均圍巖接觸角、滾刀所受平均圍巖作用力；
(5)對現有的圍巖切削模型進行線性回歸轉換，得到辨識用圍巖切削模型；
(6)將步驟2獲得的有效掘進信號輸入辨識用圍巖切削模型中，對辨識用圍巖切削模型採用最小二乘法，實時辨識圍巖單軸抗壓強度。
所述步驟3)具體為：根據步驟1)採集的壓力值及扭矩值估計總推進力與總驅動扭矩：
總推進力Ft：
其中，PAi為推進缸進油腔壓力大小，Ai為推進缸進油腔截面積，PBi為推進缸出油腔壓力大小，Bi為推進缸出油腔截面積，nt為推進液壓缸個數；
總驅動扭矩Td：
其中，q1為減速箱減速比，q2為小齒輪大齒圈嚙合減速比，Ti為主驅動電機驅動扭矩，nd表示主驅動電機個數；
設定有效壓力閾值和扭矩閾值，當總推進力Ft、總驅動扭矩Td均大於設定閾值時，判定硬巖掘進裝備為工作狀態，執行步驟4)，否則繼續執行步驟2)。
所述步驟4)具體為：根據硬巖掘進裝備總推進力與總驅動扭矩，求得滾刀平均作用力及滾刀平均圍巖接觸角Φ；
滾刀平均法向作用力
<![CDATA[ F t = F t / n c - - - ( 49 ) ]]>
滾刀平均徑向作用力
<![CDATA[ F n = 4 T d / ( Dn c ) - - - ( 50 ) ]]>
其中，D表示刀盤直徑，nc表示刀盤上滾刀總數；
滾刀平均作用力
<![CDATA[ F t d = F t 2 + F n 2 - - - ( 51 ) ]]>
滾刀貫入度ph：
ph＝v/ω(52)
其中，v為推進液壓缸掘進速度，m/min；ω為刀盤旋轉速度，r/min；
滾刀圍巖接觸角Φ：
Φ＝arccos((R-ph)/R) (53)
其中，R為滾刀半徑。
所述步驟5)中，將現有的圍巖切削模型(CSM模型)進行線性回歸轉換，得到辨識用圍巖切削模型；
現有圍巖切削模型：
<![CDATA[ F t d = C s Φ R T σ c 2 σ t 3 Φ R T 1 + Ψ - - - ( 54 ) ]]>
其中，滾刀所受平均作用力，C是無符號參數(近似等於2.12)，S是滾刀間的空間，Φ是滾刀的平均圍巖接觸角，R是滾刀半徑，T是滾刀尖端的寬度，Ψ是與滾刀尖端寬度相關的常數，σc是圍巖的單軸抗壓強度，σt是圍巖的剪切強度；
由於以上模型具有非線性，對以上式子兩邊同時求對數：
<![CDATA[ l g F t d = lg ( C s R T 3 R T ) + 2 3 lg Φ + 2 3 lgσ c + 1 3 σ t - lg ( 1 + Ψ ) - - - ( 55 ) ]]>
令σt＝μσc，得到：
<![CDATA[ l g F t d = lg ( C s R T 3 R T ) + 2 3 lg Φ + lgσ c + 1 3 lg μ - lg ( 1 + Ψ ) - - - ( 56 ) ]]>
定義新的變量：
將上式寫成線性回歸表達：
其中，n表示幹擾，
進一步地，所述步驟6中，最小二乘圍巖強度遞推辨識具體如下：
根據回歸表達式，得到準則方程：
其中，表示權重矩陣，表示t時刻的預測誤差，E＝[ε(1)T,ε(2)T,...,ε(t)T]表示模型誤差矩陣；
對上式準則方程求最小化，需要以下條件：
上述方程即可寫成：
<![CDATA[ Φ ( t ) T W ( t ) Φ ( t ) θ ^ ( t ) = Φ ( t ) T W ( t ) Y ( t ) - - - ( 61 ) ]]>
其中，Y(t)＝[y(1),...,y(t)]T,
進而得到參數辨識方程：
<![CDATA[ θ ^ ( t ) = P ( t ) Φ ( t ) T W ( t ) Y ( t ) - - - ( 62 ) ]]>
其中，
令
其中，I表示單位矩陣
於是，根據式(16)求得P(t)表達式：
注意到參數辨識方程(15)可以寫成：
考慮式(16)，上式即可寫成如下形式：
將式(19)兩邊同乘P(t)，求得：
因此，圍巖強度辨識結果可以寫成：
σc(t)＝eθ(t) (68)式中，σc為圍巖單軸抗壓強度。
綜合考慮式(18)(21)(22)，得到圍巖強度辨識算法：