EPB6280盾構機推進油缸載荷值的提取與分析

邢 韻(中國科學院 沈陽自動化研究所,沈陽 110016)

EPB6280盾構機推進油缸載荷值的提取與分析

邢 韻
(中國科學院 沈陽自動化研究所,沈陽 110016)

為滿足國內近年來對盾構機開發的迫切需要，從疲勞分析與可靠性設計的角度出發，對已有資料中盾構推進油缸壓力數據進行了提取，得到了盾構推進油缸的峰值載荷，以及推進油缸壓力的載荷時間歷程.通過對提取的數據進行壓縮處理和計數法統計，得到了推進油缸壓力數據的分布規律，為實現EPB6280盾構機推進油缸載荷值數值上的模擬和載荷譜的編制提供了數據基礎.

盾構機；推進油缸；載荷值；分布規律

在掘進隧道的施工中，盾構法是一種應用非常廣泛的施工方法.盾構的推力，是靠沿盾構主體的內周配置的盾構推進油缸來提供的.因其推力很大，在設計上應特別注意推進油缸本身的強度，所以對盾構推進油缸的研究極為重要.本文結合國內近年來對盾構開發的迫切需要，在國家高新技術研究計劃的支持下，從疲勞分析與可靠性設計的角度，對資料中盾構推進油缸壓力數據進行提取.將提取的數據作了壓縮處理和計數統計后，再進行分析，進而得到各組推進油缸壓力峰值的最大值和谷值的最小值的分布規律.對EPB6280盾構機推進油缸載荷值的數據分析，不僅為EPB6280盾構機推進油缸載荷值的模擬提供數據基礎，而且對載荷譜的編制和油缸材料的疲勞試驗提供載荷信息；同時，這些基礎信息的提供對推進油缸壽命預測與壽命設計也具有重要意義.

1 數據的提取與處理

1.1 數據的提取

所用數據來自于廣州大學城地鐵四號線侖頭段.數據資料形式為97組報告.每組報告中提供了推進油缸在測量時間內的平均壓力、最小壓力和最大壓力，即100 min內推進油缸壓力的平均值及100 min內推進油缸壓力的最小值和最大值.對報告中所提供的關于盾構推進油缸的數據進行提取與應用.

1.1.1 峰值提取

以測量時間為橫坐標，從0時刻開始測量，每次測量的間隔為100 min.每次測量推進油缸壓力的最大值為縱坐標.對97組數據報告中提供的推進油缸的壓力最大值進行提取，形成A、B、C、D四組推進油缸峰值數據，結果如圖1所示.

圖1 A、B、C、D四組推進油缸壓力峰值Fig.1 Peak pressure of push cylinders

1.1.2 谷值提取

與提取峰值的方法類似，對97組報告中的盾構推進油缸壓力的最小值進行提取，形成負峰值數據，結果如圖2所示.

1.1.3 載荷時間歷程提取

以測量時間為橫坐標，從0時刻開始測量，每次測量的間隔為50 min；每次測量推進油缸的壓力值為縱坐標，就得到了每組推進油缸壓力近似的載荷時間歷程.將每組報告中各組推進油缸壓力的最大、最小值出現的順序排列，得到四組推進油缸壓力的載荷時間歷程，結果如圖3所示.

1.2 數據的處理

1.2.1 推進油缸載荷時間歷程的壓縮處理

載荷的時間歷程需要進行壓縮處理.通常連續的隨機載荷過程與載荷歷程的時間是沒有關系的，而是由全過程的峰值和谷值的真實序列來進行描述的.載荷時間歷程的壓縮處理，包括以下四方面：等間隔采樣、偽讀數的排除、峰值谷值的檢測、以及無效幅值的省略.

等間隔采樣.具體做法就是將一個連續的載荷時間歷程，以某一時間間隔Δt采樣，采樣后的載荷時間歷程用數字序列T(i)(i=1，2，……，k)表示[1].

偽讀數的排除.偽讀數是指那些不能真實反映結構受載的幅值，偽讀數一般是由測試操作系統本身引起的，在處理時要把偽讀數排除掉.

峰谷值檢測.峰谷值檢測是把經等間隔采樣后的數值序列T(i)(i=1，2，……，k)中所有的峰谷值全部檢測出來.也就是把每個循環中相同斜率的最高點和相反斜率的最低點保留下來.

無效幅值的省略.在經過偽讀數排除和峰谷值檢測之后得到載荷值仍然存在大量的無效載荷.在實際工作中，系統零部件除承受主要的工作載荷之外，還經常受到一些次要的或意外的載荷作用，這些載荷表現為二級波、三級波乃至一些不能產生疲勞損傷的高階小幅循環.如果無效幅值按循環載荷歷程最大值的10%進行刪除，至少可以減少60%的循環次數[2].

圖2 A、B、C、D四組推進油缸壓力谷值Fig.2 Vale pressure of push cylinders

圖3 A、B、C、D四組推進油缸壓力載荷時間歷程Fig.3 Pressure load spectrum of push cylinders

1.2.2 推進油缸載荷時間歷程的計數處理

將載荷時間經歷壓縮，然后進行計數處理.采用峰值計數法和雨流計數法，將壓縮后的載荷時間歷程進行計數處理.利用Matlab編程語言實現對各組盾構推進油缸壓力載荷的峰值計數和值徑向力的計數統計處理.A組的雨流計數結果如圖4所示.

圖4 A組的雨流計數結果Fig.4 Result of rain-flow counting method for group A

1.2.3 波動中心的計算

波動中心為所有的載荷循環均值的總平均值.通常將波動中心視作載荷循環的靜力，幅值視作動力，把幅值疊加在波動中心上，即固定參數為波動中心，取代循環均值[3].分組數據如表1所示.

表1 波動中心值Table 1 The center value of wave motion

1.2.4 平均應力等效折換

由于大多數時間推進油缸載荷值都以不同平均應力的形式出現，因此有必要對平均應力進行修正，實踐中采用Goodman準則對平均應力進行修正，這樣修正后得到的平均值為波動中心的等效應力幅值[2].以A組為例進行Goodman準則計數后的結果如圖5所示.

圖5 A組的Goodman準則計數結果Fig.5 Result of Goodman counting method

2 數據分析

2.1 推進油缸載荷統計直方圖分析

用峰值計數法和雨流計數法記錄處理的數值一般沒有一定的次序，因此還要由子樣的分布特征，推斷出母體的特征值.計算機給出各種統計參數，用分布函數擬合，判斷其分布規律，得到母體的所有特征參數[4].

為了獲得載荷時間歷程的統計規律，對計數后的峰值進行分級處理，組間距C為

C=(Xmax-Xmin)/L

(1)

式中:L是分級的級數，Xmax、Xmin對應載荷歷程中的最大值、最小值.

其中，組中值為

Xj=(Cs+Cx)/2

(2)

式中的Xj是第J組的組中值，Cs是第J組的組距上限值，Cx是第J組的組距下限值.

按照此原則用MATLAB軟件編程，繪制計數統計后的載荷值直方圖.圖6為以A組為例的峰值計數直方圖.

圖6 峰值計數直方圖Fig.6 The histogram of peak value counting method

2.2 推進油缸載荷特征參數提取

2.2.1 概率分布函數的參數擬合

表2 A組推進油缸壓力統計參數Table 2 The statistical parameters of push cylinder pressure for group A

2.2.2 概型擬合度檢驗

采用威布爾坐標紙檢驗.以A組為例，將試驗數據在威布爾坐標紙上描點，擬合成一條直線或近似成一條直線，則說明該組數據服從威布爾分布.A組經過計數法計算后的推進油缸壓力載荷數據經威布爾坐標紙檢驗后的結果如圖7所示；峰值計數后推進油缸壓力谷值經威布爾坐標紙檢驗的結果如圖8所示；雨流計數后A組推進油缸壓力峰值經威布爾坐標紙檢驗的結果如圖9所示.

圖7 峰值計數后A組推進油缸壓力峰值檢驗結果Fig.7 The test results of push cylinder peak value pressure for group A by peak value counting method

圖8 峰值計數后A組推進油缸壓力谷值檢驗結果Fig.8 The test results of push cylinder vale value pressure for group A by peak value counting method

圖9 雨流計數后A組推進油缸壓力峰值檢驗結果Fig.9 The test results of push cylinder peak value pressure for group A by rain-flow counting method

如上述圖組所示，各組數據基本在威布爾坐標紙上擬合成一條直線，可以說明各組數據基本符合威布爾分布.

(3)

用MTLAB軟件編寫程序，用以上檢驗方法分別對峰值計數和雨流計數后的壓力載荷數據的概率分布類型進行了假設檢驗.以A組為例，數據檢驗結果如表3所示.

上述表格表明推進油缸壓力載荷數據均通過了顯著性水平α=0.05的X2檢驗，服從各自參數的威布爾分布.

2.3 檢驗子樣是否來自同一母體

由于四組推進油缸數據是在相同時間不同位置的情況下測量得到的，如果每組數據看成是一個子樣的話，那么會存在兩個或多個子樣來自于同一個母體的情況，于是通過檢驗的方法來判斷各個子樣是否來自同一母體，然后將來自同一母體的子樣數據融合，推斷準確的母體的特征.

分別對峰值和雨流計數后的各組數據兩兩進行斯米爾諾夫檢驗.檢驗結果如表4～6所示.

表3 A組數據檢驗結果Table 3 The test result of counting method for group A

表4 峰值數據檢驗結果Table 4 The test result of peak value counting method

表5 谷值數據檢驗結果Table 5 The test result of vale value counting method

表6 雨流計數后數據檢驗結果Table 6 The test result of rain-flow counting method

通過對各組數據的斯米爾諾夫檢驗，結果經過峰值計數后的各組數據和雨流計數后的各組數據均是A組和D組樣本數據來自同一母體.根據上述檢驗結果可以得到A組和D組子樣數據同來自于一個母體，因此可以將A組和D組數據混合使用，以便推斷出更能精確描述其性質的分布函數.

根據各組壓力載荷數據斯米爾諾夫檢驗的結果，將壓力載荷數據重新分組，即A組和D組數據混合使用，其B組、C組數據保持原狀.這樣重新分組后得到三組數據：AD組、B組和C組.

由于B組和C組數據保持原狀，只有AD組變化.根據本文峰谷值和載荷時間歷程的提取方法，將AD組的數據進行數據提取，得到AD組推進油缸壓力峰值和壓力谷值數據，以及載荷時間歷程.結果如圖10～12所示.

圖10 AD組推進油缸壓力峰值 Fig.10 The peak value of group AD

圖11 AD組推進油缸壓力谷值Fig.11 The vale value of group AD

圖12 AD組推進油缸壓力載荷時間歷程Fig.12 The pressure load spectrum of group AD

將AD組載荷數據進行壓縮處理，然后分別用峰值計數法和雨流計數法進行統計計數，將結果保存為文件“ADrain.txt” ，如圖13所示.

圖13 AD組推進油缸壓力載荷時間歷程保存文件Fig.13 The saved files of pressure load spectrum for group AD

將AD組混合后得到的推進油缸壓力數據，進行統計分組，并繪制載荷直方圖.根據威布爾坐標紙檢驗和皮爾遜X2檢驗的結果，可以判斷AD組載荷各組數據均服從各自參數的威布爾分布，如表7及圖14所示.

表7 AD組載荷數據檢驗結果Table 7 The test result of load date for group AD

對EPB6280盾構機推進油缸載荷數據進行了提取處理與分析，運用相關數學方法，得到了各組推進油缸的數學概率模型,為下一步通過蒙特卡羅方法等相關方法模擬出推進油缸壓力載荷值提供了可靠的理論數據基礎，進而為編制推進油缸壓力的疲勞載荷譜提供條件，為推進油缸材料的疲勞試驗提供載荷信息，也為推進油缸壽命預測與壽命設計提供基礎信息.同時在實測數據較少的情況下為編制疲勞載荷譜提供了方法上的指導.

3 結 語

(1)從疲勞分析與可靠性設計的角度出發，對已有的資料中盾構推進油缸壓力數據進行了提取，得到實測的盾構推進油缸的峰值載荷，以及推進油缸壓力的載荷時間歷程.

(2)對提取的推進油缸壓力數據進行壓縮處理與計數法統計，得到載荷峰值計數與雨流計數的計數循環，對結果進行隨機載荷特征參數的提取與分析，得到各組推進油缸壓力峰值與谷值的分布規律，均服從各自參數的威布爾分布；將各組推進油缸載荷子樣數據進行關聯分析，得到A、D組數據來自同一母體，并將他們混合，進而推斷出更精確的母體信息；得到各組推進油缸壓力值的概率模型.

圖14 AD組載荷數據坐標紙檢驗結果Fig.14 The test result of load date for group AD

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(Bian Ye. Load spectrum complication of disc cutter of full face rock tunnel boring machine [D]. Shenyang: Northeastern University,2009.)

ExtractionandanalysisonloadvaluesofpushcylinderforEPB6280shieldmachine

Xing Yun

(Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

In order to meet the urgent need at home for development of the shield machine in recent years, according to fatigue analysis and reliability design, the peak load of shield pushing cylinder and the load time course of propulsion cylinder pressure were obtained by extracting the existing data of shield pushing in cylinder pressure data. Compressed and counted the extracted data, a regularity of distribution on the push cylinder pressure data was got. It believed that the present result may provide a data basis on numerical simulation of load values and compilation of load spectrum of push cylinder for EPB6280 shield machine.

shield machine；push cylinder；load values；regularities of distribution

2013-06-01.

邢韻(1983—)，男，助理研究員，E-mail：xingyun@sia.cn.

TH 137

A

1671-6620(2014)04-0298-08