[发明专利]盾构设备及其实时寿命的预测系统和预测方法

说明书

本发明公开了一种盾构设备及其实时寿命的预测系统和预测方法，预测系统包括采集处理装置、数据存储装置、极限识别预警装置和剩余疲劳寿命计算装置，剩余疲劳寿命计算装置用以当载荷幅值大于极限疲劳载荷时，利用载荷应力函数将载荷均值和载荷幅值转换为核心部件上各个疲劳热点的循环应力均值和循环应力幅值，并根据循环应力均值和循环应力幅值，通过雨流循环计数计算累计疲劳损伤得到核心部件的剩余疲劳寿命。上述预测系统，基于现场实测的工况数据，对核心部件的剩余寿命预测准确性相对较高，且工程可行性较好。

技术领域

本发明涉及盾构设备寿命预测技术领域，特别涉及一种盾构设备及其实时寿命的预测系统和预测方法。

背景技术

盾构设备(包括盾构/TBM)是一种集机电液等多学科的复杂地下工程装备，在地铁、铁路、公路等国家重大基础设施建设中具有重要的战略作用，其关键部件服役寿命往往决定了产品的实际掘进里程。由于地质环境的复杂性和装备定制化等特点，盾构设备往往面临高危多变工况，难以通过物理实验进行验证。当前盾构设备设计一般是基于经验公式或实验模型，与产品实际服役环境载荷存在较大的差异，准确预测产品服役寿命十分困难，给产品设计优化、运营维护及再制造带来严峻挑战。因此，通过获取盾构设备服役载荷数据，编制载荷谱以及实现关键部件服役寿命预测，对于产品设计优化、智能运维等都具有重要意义，能显著提升产品核心竞争力。

随着盾构设备产业的发展，相关科研院所和企业开始关注产品载荷谱和服役寿命等问题。西南交通大学发表的《砂卵石地层盾构机关键部件可靠性与剩余使用寿命评估研究》和《盾构滚刀磨损寿命预测及破岩仿真研》、大连理工大学发表的《土压平衡盾构主轴承疲劳可靠性预测方法研究》、《基于BP神经网络的TBM主轴承载荷谱预测》和《空间分布载荷下TBM刀盘振动分析及寿命预测》、中铁工程装备集团有限公司发表的《硬岩TBM刀盘载荷谱编制方法研究》、河南科技大学发表的《盾构机主轴承的有限元分析及寿命研究》等对刀盘、刀具、主轴承等载荷谱及寿命预测进行了报道；中铁十八局集团隧道工程有限公司和沈阳工业大学分别申请了《基于数据驱动支持向量回归机的TBM刀具寿命预测方法》、《一种基于CAI值的TBM滚刀磨损预测方法》等专利。这些文献和专利主要从理论层面阐述了相关方法，没有考虑隧道施工环境载荷工况的多变性，不能实现基于现场施工工况的实时预测分析，所编制的载荷谱准确性不高，对产品设计优化及寿命评估预测指导作用有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构设备及其实时寿命的预测系统和预测方法，基于现场实测的工况数据，对核心部件的剩余寿命预测准确性相对较高，且工程可行性较好。

为实现上述目的，本发明提供一种盾构设备的实时寿命的预测系统，包括：

采集处理装置，采集处理装置用以采集并处理当前盾构设备的驱动系统的驱动力矩以及当前盾构设备的推进系统的推动力；

数据存储装置，数据存储装置用以存储驱动系统和推进系统的核心部件的载荷传递关系、极限载荷安全阈值、极限疲劳载荷、载荷应力函数；

极限识别预警装置，极限识别预警装置电连接于采集处理装置和数据存储装置，极限识别预警装置用以根据驱动力矩、推动力和载荷传递关系分别得到当前任一核心部件随时间变化的载荷历程数据，并根据载荷历程数据判断是否超过极限载荷安全阈值，若超过，则报警；极限识别预警装置还用以根据载荷历程数据得到各个循环的载荷均值和载荷幅值；

剩余疲劳寿命计算装置，剩余疲劳寿命计算装置电连接于数据存储装置和极限识别预警装置，剩余疲劳寿命计算装置用以当载荷幅值大于极限疲劳载荷时，利用载荷应力函数将载荷均值和载荷幅值转换为核心部件上各个疲劳热点的循环应力均值和循环应力幅值，并根据循环应力均值和循环应力幅值计算得到核心部件的剩余疲劳寿命。

可选地，剩余疲劳寿命计算装置包括：

应力合成模块，应力合成模块用以将全部疲劳热点在各类载荷下的循环应力均值和循环应力幅值进行合成，得到任一核心部件上疲劳热点的总循环应力均值和总循环应力幅值；