EPB6280盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸載荷值的提取與分析

邢 韻(中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所,沈陽 110016)

EPB6280盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸載荷值的提取與分析

邢 韻
(中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所,沈陽 110016)

為滿足國內(nèi)近年來對(duì)盾構(gòu)機(jī)開發(fā)的迫切需要，從疲勞分析與可靠性設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)已有資料中盾構(gòu)推進(jìn)油缸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取，得到了盾構(gòu)推進(jìn)油缸的峰值載荷，以及推進(jìn)油缸壓力的載荷時(shí)間歷程.通過對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理和計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)，得到了推進(jìn)油缸壓力數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)EPB6280盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸載荷值數(shù)值上的模擬和載荷譜的編制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

盾構(gòu)機(jī)；推進(jìn)油缸；載荷值；分布規(guī)律

在掘進(jìn)隧道的施工中，盾構(gòu)法是一種應(yīng)用非常廣泛的施工方法.盾構(gòu)的推力，是靠沿盾構(gòu)主體的內(nèi)周配置的盾構(gòu)推進(jìn)油缸來提供的.因其推力很大，在設(shè)計(jì)上應(yīng)特別注意推進(jìn)油缸本身的強(qiáng)度，所以對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)油缸的研究極為重要.本文結(jié)合國內(nèi)近年來對(duì)盾構(gòu)開發(fā)的迫切需要，在國家高新技術(shù)研究計(jì)劃的支持下，從疲勞分析與可靠性設(shè)計(jì)的角度，對(duì)資料中盾構(gòu)推進(jìn)油缸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行提取.將提取的數(shù)據(jù)作了壓縮處理和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)后，再進(jìn)行分析，進(jìn)而得到各組推進(jìn)油缸壓力峰值的最大值和谷值的最小值的分布規(guī)律.對(duì)EPB6280盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸載荷值的數(shù)據(jù)分析，不僅為EPB6280盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸載荷值的模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而且對(duì)載荷譜的編制和油缸材料的疲勞試驗(yàn)提供載荷信息；同時(shí)，這些基礎(chǔ)信息的提供對(duì)推進(jìn)油缸壽命預(yù)測(cè)與壽命設(shè)計(jì)也具有重要意義.

1 數(shù)據(jù)的提取與處理

1.1 數(shù)據(jù)的提取

所用數(shù)據(jù)來自于廣州大學(xué)城地鐵四號(hào)線侖頭段.數(shù)據(jù)資料形式為97組報(bào)告.每組報(bào)告中提供了推進(jìn)油缸在測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平均壓力、最小壓力和最大壓力，即100 min內(nèi)推進(jìn)油缸壓力的平均值及100 min內(nèi)推進(jìn)油缸壓力的最小值和最大值.對(duì)報(bào)告中所提供的關(guān)于盾構(gòu)推進(jìn)油缸的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與應(yīng)用.

1.1.1 峰值提取

以測(cè)量時(shí)間為橫坐標(biāo)，從0時(shí)刻開始測(cè)量，每次測(cè)量的間隔為100 min.每次測(cè)量推進(jìn)油缸壓力的最大值為縱坐標(biāo).對(duì)97組數(shù)據(jù)報(bào)告中提供的推進(jìn)油缸的壓力最大值進(jìn)行提取，形成A、B、C、D四組推進(jìn)油缸峰值數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖1所示.

圖1 A、B、C、D四組推進(jìn)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(duì)97組報(bào)告中的盾構(gòu)推進(jìn)油缸壓力的最小值進(jìn)行提取，形成負(fù)峰值數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示.

1.1.3 載荷時(shí)間歷程提取

以測(cè)量時(shí)間為橫坐標(biāo)，從0時(shí)刻開始測(cè)量，每次測(cè)量的間隔為50 min；每次測(cè)量推進(jìn)油缸的壓力值為縱坐標(biāo)，就得到了每組推進(jìn)油缸壓力近似的載荷時(shí)間歷程.將每組報(bào)告中各組推進(jìn)油缸壓力的最大、最小值出現(xiàn)的順序排列，得到四組推進(jìn)油缸壓力的載荷時(shí)間歷程，結(jié)果如圖3所示.

1.2 數(shù)據(jù)的處理

1.2.1 推進(jìn)油缸載荷時(shí)間歷程的壓縮處理

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

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

偽讀數(shù)的排除.偽讀數(shù)是指那些不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)受載的幅值，偽讀數(shù)一般是由測(cè)試操作系統(tǒng)本身引起的，在處理時(shí)要把偽讀數(shù)排除掉.

峰谷值檢測(cè).峰谷值檢測(cè)是把經(jīng)等間隔采樣后的數(shù)值序列T(i)(i=1，2，……，k)中所有的峰谷值全部檢測(cè)出來.也就是把每個(gè)循環(huán)中相同斜率的最高點(diǎn)和相反斜率的最低點(diǎn)保留下來.

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

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

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

1.2.2 推進(jìn)油缸載荷時(shí)間歷程的計(jì)數(shù)處理

將載荷時(shí)間經(jīng)歷壓縮，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)處理.采用峰值計(jì)數(shù)法和雨流計(jì)數(shù)法，將壓縮后的載荷時(shí)間歷程進(jìn)行計(jì)數(shù)處理.利用Matlab編程語言實(shí)現(xiàn)對(duì)各組盾構(gòu)推進(jìn)油缸壓力載荷的峰值計(jì)數(shù)和值徑向力的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)處理.A組的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果如圖4所示.

圖4 A組的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果Fig.4 Result of rain-flow counting method for group A

1.2.3 波動(dòng)中心的計(jì)算

波動(dòng)中心為所有的載荷循環(huán)均值的總平均值.通常將波動(dòng)中心視作載荷循環(huán)的靜力，幅值視作動(dòng)力，把幅值疊加在波動(dòng)中心上，即固定參數(shù)為波動(dòng)中心，取代循環(huán)均值[3].分組數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 波動(dòng)中心值Table 1 The center value of wave motion

1.2.4 平均應(yīng)力等效折換

由于大多數(shù)時(shí)間推進(jìn)油缸載荷值都以不同平均應(yīng)力的形式出現(xiàn)，因此有必要對(duì)平均應(yīng)力進(jìn)行修正，實(shí)踐中采用Goodman準(zhǔn)則對(duì)平均應(yīng)力進(jìn)行修正，這樣修正后得到的平均值為波動(dòng)中心的等效應(yīng)力幅值[2].以A組為例進(jìn)行Goodman準(zhǔn)則計(jì)數(shù)后的結(jié)果如圖5所示.

圖5 A組的Goodman準(zhǔn)則計(jì)數(shù)結(jié)果Fig.5 Result of Goodman counting method

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 推進(jìn)油缸載荷統(tǒng)計(jì)直方圖分析

用峰值計(jì)數(shù)法和雨流計(jì)數(shù)法記錄處理的數(shù)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(jì)算機(jī)給出各種統(tǒng)計(jì)參數(shù)，用分布函數(shù)擬合，判斷其分布規(guī)律，得到母體的所有特征參數(shù)[4].

為了獲得載荷時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)計(jì)數(shù)后的峰值進(jìn)行分級(jí)處理，組間距C為

C=(Xmax-Xmin)/L

(1)

式中:L是分級(jí)的級(jí)數(shù)，Xmax、Xmin對(duì)應(yīng)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(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)后的載荷值直方圖.圖6為以A組為例的峰值計(jì)數(shù)直方圖.

圖6 峰值計(jì)數(shù)直方圖Fig.6 The histogram of peak value counting method

2.2 推進(jìn)油缸載荷特征參數(shù)提取

2.2.1 概率分布函數(shù)的參數(shù)擬合

表2 A組推進(jìn)油缸壓力統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 2 The statistical parameters of push cylinder pressure for group A

2.2.2 概型擬合度檢驗(yàn)

采用威布爾坐標(biāo)紙檢驗(yàn).以A組為例，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)在威布爾坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，擬合成一條直線或近似成一條直線，則說明該組數(shù)據(jù)服從威布爾分布.A組經(jīng)過計(jì)數(shù)法計(jì)算后的推進(jìn)油缸壓力載荷數(shù)據(jù)經(jīng)威布爾坐標(biāo)紙檢驗(yàn)后的結(jié)果如圖7所示；峰值計(jì)數(shù)后推進(jìn)油缸壓力谷值經(jīng)威布爾坐標(biāo)紙檢驗(yàn)的結(jié)果如圖8所示；雨流計(jì)數(shù)后A組推進(jìn)油缸壓力峰值經(jīng)威布爾坐標(biāo)紙檢驗(yàn)的結(jié)果如圖9所示.

圖7 峰值計(jì)數(shù)后A組推進(jìn)油缸壓力峰值檢驗(yàn)結(jié)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(jì)數(shù)后A組推進(jìn)油缸壓力谷值檢驗(yàn)結(jié)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(jì)數(shù)后A組推進(jìn)油缸壓力峰值檢驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)基本在威布爾坐標(biāo)紙上擬合成一條直線，可以說明各組數(shù)據(jù)基本符合威布爾分布.

(3)

用MTLAB軟件編寫程序，用以上檢驗(yàn)方法分別對(duì)峰值計(jì)數(shù)和雨流計(jì)數(shù)后的壓力載荷數(shù)據(jù)的概率分布類型進(jìn)行了假設(shè)檢驗(yàn).以A組為例，數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

上述表格表明推進(jìn)油缸壓力載荷數(shù)據(jù)均通過了顯著性水平α=0.05的X2檢驗(yàn)，服從各自參數(shù)的威布爾分布.

2.3 檢驗(yàn)子樣是否來自同一母體

由于四組推進(jìn)油缸數(shù)據(jù)是在相同時(shí)間不同位置的情況下測(cè)量得到的，如果每組數(shù)據(jù)看成是一個(gè)子樣的話，那么會(huì)存在兩個(gè)或多個(gè)子樣來自于同一個(gè)母體的情況，于是通過檢驗(yàn)的方法來判斷各個(gè)子樣是否來自同一母體，然后將來自同一母體的子樣數(shù)據(jù)融合，推斷準(zhǔn)確的母體的特征.

分別對(duì)峰值和雨流計(jì)數(shù)后的各組數(shù)據(jù)兩兩進(jìn)行斯米爾諾夫檢驗(yàn).檢驗(yàn)結(jié)果如表4～6所示.

表3 A組數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The test result of counting method for group A

表4 峰值數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 The test result of peak value counting method

表5 谷值數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The test result of vale value counting method

表6 雨流計(jì)數(shù)后數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 The test result of rain-flow counting method

通過對(duì)各組數(shù)據(jù)的斯米爾諾夫檢驗(yàn)，結(jié)果經(jīng)過峰值計(jì)數(shù)后的各組數(shù)據(jù)和雨流計(jì)數(shù)后的各組數(shù)據(jù)均是A組和D組樣本數(shù)據(jù)來自同一母體.根據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果可以得到A組和D組子樣數(shù)據(jù)同來自于一個(gè)母體，因此可以將A組和D組數(shù)據(jù)混合使用，以便推斷出更能精確描述其性質(zhì)的分布函數(shù).

根據(jù)各組壓力載荷數(shù)據(jù)斯米爾諾夫檢驗(yàn)的結(jié)果，將壓力載荷數(shù)據(jù)重新分組，即A組和D組數(shù)據(jù)混合使用，其B組、C組數(shù)據(jù)保持原狀.這樣重新分組后得到三組數(shù)據(jù)：AD組、B組和C組.

由于B組和C組數(shù)據(jù)保持原狀，只有AD組變化.根據(jù)本文峰谷值和載荷時(shí)間歷程的提取方法，將AD組的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到AD組推進(jìn)油缸壓力峰值和壓力谷值數(shù)據(jù)，以及載荷時(shí)間歷程.結(jié)果如圖10～12所示.

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

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

圖12 AD組推進(jìn)油缸壓力載荷時(shí)間歷程Fig.12 The pressure load spectrum of group AD

將AD組載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，然后分別用峰值計(jì)數(shù)法和雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，將結(jié)果保存為文件“ADrain.txt” ，如圖13所示.

圖13 AD組推進(jìn)油缸壓力載荷時(shí)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(jìn)油缸壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分組，并繪制載荷直方圖.根據(jù)威布爾坐標(biāo)紙檢驗(yàn)和皮爾遜X2檢驗(yàn)的結(jié)果，可以判斷AD組載荷各組數(shù)據(jù)均服從各自參數(shù)的威布爾分布，如表7及圖14所示.

表7 AD組載荷數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果Table 7 The test result of load date for group AD

對(duì)EPB6280盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取處理與分析，運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)方法，得到了各組推進(jìn)油缸的數(shù)學(xué)概率模型,為下一步通過蒙特卡羅方法等相關(guān)方法模擬出推進(jìn)油缸壓力載荷值提供了可靠的理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而為編制推進(jìn)油缸壓力的疲勞載荷譜提供條件，為推進(jìn)油缸材料的疲勞試驗(yàn)提供載荷信息，也為推進(jìn)油缸壽命預(yù)測(cè)與壽命設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)信息.同時(shí)在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少的情況下為編制疲勞載荷譜提供了方法上的指導(dǎo).

3 結(jié) 語

(1)從疲勞分析與可靠性設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)已有的資料中盾構(gòu)推進(jìn)油缸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取，得到實(shí)測(cè)的盾構(gòu)推進(jìn)油缸的峰值載荷，以及推進(jìn)油缸壓力的載荷時(shí)間歷程.

(2)對(duì)提取的推進(jìn)油缸壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理與計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)，得到載荷峰值計(jì)數(shù)與雨流計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)循環(huán)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)載荷特征參數(shù)的提取與分析，得到各組推進(jìn)油缸壓力峰值與谷值的分布規(guī)律，均服從各自參數(shù)的威布爾分布；將各組推進(jìn)油缸載荷子樣數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，得到A、D組數(shù)據(jù)來自同一母體，并將他們混合，進(jìn)而推斷出更精確的母體信息；得到各組推進(jìn)油缸壓力值的概率模型.

圖14 AD組載荷數(shù)據(jù)坐標(biāo)紙檢驗(yàn)結(jié)果Fig.14 The test result of load date for group AD

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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