基于实例推理的全断面岩石隧道掘进机刀盘主参数设计方法.pdf

第 46 卷第 3 期 2 0 10 年 2月 机械工程学报 JO U R N A L 0 F M E C H A N IC A L E N G IN E E R IN G v 0 1 4 6 N O 3 F eb 2 0 1O D o I 1O 3 901 JM 匝 20 10 03 158 基于实例推理的全断面岩石隧道掘进机刀盘 主参数设计方法水 刘 志杰 2 史彦军 滕 弘飞 1 大连理工大学机械工程学院大连116024 2 大连海事大学交通与物流工程学 院大连116026 摘要 刀盘主参数设计是全断面岩石隧道掘进机的关键问题 是影响其掘进性能的决定性因素 刀盘破岩机理复杂 刀盘须 针对 围岩属性进行适应性设计 充分利用先前刀盘设计实例中积累的成功经验和数据至关重要 提 出基于实例推理的刀盘主 参数设计方法 给出刀盘设计实例的表示方法 根据实例属性特点 给出各种属性的局部相似度计算方法 针对取值为区间 数 的实例属性 提 出一种基于属性值概率分布的区间相似 度计算方法 运用 组合修 改实例 的方法获得新刀盘的主参数设计方 案 经工程应用实例设计表明 该方法设计结果较好 关键词 全断面岩石隧道掘进机刀盘主参数设计基于实例推理相似度组合实例修改 中图分类号 TP 18 U 455 31 C ase b ased R ea so n i n g A p p roac h fo r C u tterh ea d P ri n c i p al P ara m eter D esi gn o f F u l l F a c e R o c k T un n el B ori n g Ma c h i n e LIU Zhiji e SH I Y anjun TEN G H ongfei 1 Sc hool of M ec hani c al E ngi neeri ng D al i an U ni versi ty of Tec hnol ogy D al i an 1 1 6024 2 Tran sportati on L ogi sti c s Engi neeri ng C ol l ege D al i an M ari ti m e U ni versi ty D al i an 1 16026 A bstrac t The c utterhead pri nc i pal param eter desi gn i s one ofthe key i ssues of ful l fac e roc k tunnel bori ng m ac hi ne T B M and i s a c ruc i al fac to r i n in fl uen c i n g th e perfo rm an c e o f T B M T h e m ec h ani sm o f c utterb ead c u ttin g roc k i s c o m p l ex and the c u tt erh ead n eed s to b e adaptabl e and desi gned for sp ec i fi c roc k c harac teri sti c s T herefore i t i s nec essary to m ak e fu l l u se o f su c c essfu l exp eri enc es and data ac c um ul ated i n TBM c utterhead desi gn A c ase based reasoni ng approac h i s proposed fo r TBM c utterhead pri nc i pal param eter desi gn T h e representa ti on o f c utterh ead desi gn c ase i s gi v en A c c ordi ng to th e c har ac teri sti c s o f l oc al attri bu tes i n eac h c ase th e c al c u l ati on m eth od of l o c a l si m i l ari ti es ar e p rov i d ed c orresp o ndi ng l y F or th e l oc al attri b m e w ho se v al ue i s at i nterval an i nterval si m i l ari ty c al c ul ati on m eth od i s presen te d on th e b asi s o f attri bu te v al u e p rob ab i l i ty di stri bu ti on i n th e i nterv al rang e A c o m bi ned c as e m od i fic ati o n m eth o d i s u sed to obtai n th e fi n al sol uti on o f th e n ew d esi gn i ssu e T h e app l i c ati o n of all en gi neering c a se sh ow s th e desi gn resu l ts w i th th e prop o sed m eth o d a re b ett er K ey w ords Ful l fac e roc k tunnel boring m ac hin e C utterhead princ i pal par am eter desi gn C ase based reasoni ng Si m i l ari ty C o m b i n ed c as e m od i fi c ati on 0前言 全断面岩石隧道掘进机 Tunnel bori ng m ac hi ne 国家 自然科学基金 50975039 50575031 国家高技术研究发展计划 f863 计划 2006A A 04Z 109 和国家重点基础研究发展计划 973 计划 2007C B 7 14006 资助项 目 20090222 收到初稿 20090910 收到修改稿 TB M 是 目前世界上先进的隧道施工专用机械 被广 泛应用于地铁 铁路 公路 市政和水 电隧道工 程 l J 近年来 随着我国一批重大工程和基础建设 的开展 我国对 T B M需求量大而急迫 但 目前我 国主要依赖进 口或与国外企业合作生产 TB M设计 研发势在必行 2006 年 国务院关于加快振兴装备 制造业的若干意见 中也明确提出加快大断面岩石 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年 2 月 刘志杰等 基于实例推理的全断面岩石隧道掘进机刀盘主参数设计方法 159 掘进机 的研制 2 其 中 刀盘是 TB M的关键部件 是影响其掘进性能的决定性因素l引 因此 研究并 掌握刀盘 自主创新设计与开发技术意义重大 刀具选择 刀间距 贯入量 以及刀盘推力 扭矩和功率等刀盘主参数设计是 TB M刀盘设计 的 关键之一 4 经过工程实践证 明 直径 432 InlTl 的 窄形单刃近似常截面盘形滚刀是最佳刀具 被广泛 应用 因此 T B M 刀具选择主要是确定刀具数量 目前 刀盘主参数设计主要是由工程师根据经验 试验测试和部分经验公式等确定 其主要过程 首 先 设计师根据 围岩属性和隧道特征 确定刀盘的 最优刀间距和贯入量 进而根据刀盘直径和刀间距 估算刀具数量 然后基于上述参数估算单个刀具受 到的切削力 最后根据刀具切削力 转速和刀具数 量等估算刀盘推力 扭矩和功率 5 当然 刀盘设 计还包括刀具布置 刀盘盘体结构设计等 且刀盘 设计要综合考虑其他 因素 如施工要求 的影响 这 些问题非本文关注 的方面 上述设计过程既需要大 量的时间和成本 周期较长 又受设计专家经验主 观认识限制 且我 国目前缺乏相应经验 工程设计实践表明 很难定义一个准确表征围 岩属性与刀盘参数之间关系式 但先前经验 关系 图表等可 以提供令人满意的结果 6 如何利用 TB M 设计先验知识 更好地满足刀盘设计要求 许多学 者和 TB M制造公司进行了研究和探索 例如 何 小新等 J基于大量工程实例进行 了 TB M主参数之 间相关性的回归分析 探索 了主参数 的内在规律 获得主参数 的经验计算公式 H O W A R TH 8 通过对 1952 1990 年间的主要隧道工程进行研究 建立 了 掘进机施工数据库 用于预测不 同地质条件下掘进 机施工 的可行性评价和效能评估 O K U B O等 建 立 了一个用于评估 TB M施工可行性 的专家系统 据报道 目前许多 T B M 设计制造技术先进 的国家 或企业都建立了较完善的 TB M设计数据库 包括 先前工程设计实例和试验数据库等 可为 TB M的 设计提供借鉴 例如 挪威科技大学基于 TB M现 场施工数据开发的 N TN U模型和美 国科罗拉多矿 学院基于试验数据和受力分析开发的 C SM模型 两者各有特长 被广泛用于 T B M刀盘设计和性能 预测 由于刀盘与 围岩相互作用机 理复杂f仍存在争 议 刀盘主参数通常需要依靠工程师的设计经验进 行设计 设计效率低 开发成本较高 针对这些问 题 本文提出了基于实例推理的 T B M刀盘主参数 设计方法 目前 基于实例推理 c BR 在 TBM 刀盘 设计中应用较少见 吴庆鸣等 l UJ研究了基于知识工 程的TBM 主机 机架 支撑和支承机构 智能设计系 统 以实现设计知识的重用 另外 T SA I 等L1 研 究了基于实例推理 的印制 电路板的主要工艺参数设 计方法 其应用结果较好 本方法 旨在利用先前相 似 的成功设计实例 推断出新设计 问题的刀盘主参 数取值或范围 可为工程师确定试验方案或进一步 优化设计提供参考方案 期望降低试验成本 提高 刀盘设计质量和效率 本文对 C B R 关键 问题 刀 盘设计实例表示 相似度分析 实例检索和调整等 进行了讨论 1基于实例推理 的刀盘主参数设计 基于实例推 C ase based reasoni ng C B R 起源 于 SC H A N K 在 1982 年提出的关于人与机器学习的 动态存储理论 1989 年 R IE SB EC K等 l 2J提出了 C B R的经典定义 基于实例推理机是通过使用或 调整已有问题的解来解决新 问题 C B R求解过程 反映了人类 的思维过程 已被广泛应用于法律 医 疗 方案规划 故障诊断和工程设计等领域 成为 解决复杂决策问题 的重要工具 l l 6J 1 1 刀盘设计实例表示 合适 的实例表示方法是 CB R系统成功开发的 关键 问题之一 设计实例表示至少应包含 问题描述 和解决方案两部分 有时还包括解决方案 的综合评 价 T B M刀盘须针对 围岩属性和隧道特征进行适 应性设计 因而 可采用影响 TB M破岩过程的围 岩属性 以及隧道特征作为实例表示的问题描述特 征参数 解决方案除包括刀盘主参数外 还可包括 施工进度 刀具寿命等性能参数 以用于预测刀盘 的掘进性能 目前刀盘设计中考虑的围岩属性主要包括岩石 强度 单轴抗压 抗拉和抗剪强度 韧性 脆性 泊松比 孔积率 弹性模量和研磨性 以及岩体结 构面特征如层理 节理和裂隙发育程度 间距与方 向等 4 先前研 究表 明 上述围岩属性都对刀盘破 岩效率有影响 虽然程度不 同 但没有哪个属性参 数可被看作处于支配地位 因而 上述围岩属性在 刀盘设计时都应考虑 但由于围岩属性沿隧道洞线 方向是变化的 为便于操作 目前通常使用以单轴 抗压强度 为核心的属性参数系统 在刀盘设计时 一 般针对不 同类型岩石 采用主要考虑岩石抗压强 度等重要 围岩属性的方法确定刀盘主参数 且须根 据岩体特征参数进行修正 刀盘直径或隧道洞径 通 常刀盘直径 比隧道洞径小 50 m m 左右 与刀盘推力 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 机械工程学报 第46 卷第 3 期 和刀盘扭矩之间存在显著相关性 因而刀盘直径须 作为刀盘设计实例特征参数 综上所述 本文采用主要围岩属性 岩石类型 岩体等级和刀盘直径或隧道洞径作为特征参数表示 刀盘设计实例 1 2实例相似度 实例相似度是判别实例之间相似性 的尺度 用 于找出与新问题相似 的实例 由于刀盘设计实例 的 特征属性参数不仅有数值型的 而且还有符号型的 为此 本文使用局部相似度分别度量不同属性的相 似度 这样也可使实例整体相似度不符合检索要求 但局部属性具有很好相似性的实例中蕴含的设计知 识得到利用 扩大设计知识来源 局部相似度是指两个实例 的同一属性不同取值 间的相似度 记为 si m x Y si m x 0 l 其 中x y 是同一属性的不同取值 l 5J 根据实例特征属 性特点 各特征属性局部相似度确定如下 1 刀盘直径或隧道洞径属性 TB M 刀具数量 推力和扭矩等参数受刀盘直径支配 因此 相似实 例只能在开挖隧道洞径相差不大的实例中选择 这 种属性相似度可定义为 si 1 1 式中五Y 分别表示两个实例的刀盘直径或洞径 且 Y 区间 表示可匹配的相似实例刀 盘直径或洞径取值范围 可 由设计工程师基于开挖 隧道洞径确定 一般 取值与新设计问题的刀盘 直径或洞径相差不超过 1 个刀间距 2 岩石强度属性 由于隧道工程中岩石复杂 多变 具有模糊性和多样性 因此实际工程中岩石 强度通常用区间数表示 如 70 M P 8 160 M aa 表 示岩石强度值在这一范围内变化 对于区间数相似度 目前计算方法一般假定属 性值在区间内是均匀分布 或并不对区间中的某个 值有特别的偏好 实际工程中属性参数并非都 是均匀分布 如正态分布 威布尔分布等 鉴于岩 石强度取值对于 TB M刀盘设计影响较大 本文提 出基于属性值概率分布的区间相似度计算方法 设 两个区间分别为 A al a 研 两概率区间关系 可分为不相容 相容和包含三种 如图 1所示f假定 6 a 用面积重叠率 相对面积法 计算两个概率 区间的相似度 即 si m A S A N B 2 式中 表示基于概率分布密度函数计算出的相 应区域面积 借助于数值计算方法可以容易求得 x a 不相容 一 b l al a2 b2 c 包含 图 1概率区间A B 之间的关系示意图 当 和 满足均匀分布时 正如秦玉平 卅 提 出 可用两个区间长度的重叠率计算区间相似度 即 si rn a B L a N B c h a o a 一 岛 q c o2 7 1 式 中 为待求解 新 问题 U 的第 i 个特 征参数 的取 值 v 为检索出的第 个实例的第f个特征参数的 取值 n 为检索出的相似实例的个数 c o 为第 个 实例 的加权系数 呈递减规律 表示新 问题的解更 倾向于与其相似度大的实例 2基于 CB R 的刀盘主参数设计框架 基于 C B R 的 TB M 刀盘主参数设计主要包括待 求解新问题特征参数选择 实例检索 实例推理 修 改 方案评价和实例存储等 其流程如图 2 所示 图 2 基于 C B R 的 T B M 刀盘主参数 设计流程 相似设计实例 的检索结果可分为两种情况 一 种是在实例库中存在实例与待求解新问题之间的相 似度满足检索条件 表 明实例库中实例与新 问题有 较高的相似度 可根据这些相似实例的解决方案推 理获得新问题的解决方案 经方案评价后用于产 品 最终方案 相似实例推理方案也可为工程师进一步 试验时试验方案 的确定提供借鉴 从而降低试验成 本 也可以作为人机结合设计方法 2oJ的初始化参考 方案 从而改进求解性能 另一种是实例库中实例 与新 问题相似度不满足条件 表 明实例库 中实例与 新问题相差较大 不能直接用作新问题的设计参考 需应用 TB M 刀盘适应性设计理论和方法进行设计 3 应用实例 本文以某水利工程引水隧洞施工用的 TBM刀 盘主参数设计 称 为新 问题 为例 描述设计实例 的 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 162 机械工程学报 第 46 卷第 3 期 特征参数包括岩石单轴抗压强度 岩石类型 岩体 等级和隧道洞径 新 问题的特征参数取值如表 2 中 问题描述部分 所示 据此用户设计需求 从实例 库中搜索相似实例 推断刀盘主参数 实例库中的 部分有代表性实例如表 2 中的实例 l 实例 2 和实例 3 所示 应用本文提出的方法求解 具体过程如下 表 2 TB M刀盘设计部分实例和新问题 注 上述实例引自文献 1 1 计算属性局部相似度 首先 计算实例 2 与新 问题的相似度 由式 4 得 s 3 4 一o 8 由式 1 得 si m 5 02 5 03 1一 5 02 5 031 0 9 9 5 5 4 5 对于岩石单轴抗压强度 经勘测认为近似符合 区间内的正态分布 其概率分布密度函数分别为 唧 e 21 根据式 2 借助于数值计算得 si m 85 190 70 166 0 38 由式 5 得 实例 2 与新 问题的相似度为 si m 实例2 新 问题 0 35 0 99 0 15 O 8 0 3 0 38 0 2 0 9 0 76 同上述计算过程 计算实例 3 与新问题之间的 相似度为 si re 实例3 新 问题 0 35 0 85 0 15 1 0 0 3 0 45 0 2 0 4 5 0 67 由式 1 可得 由于实例 1 刀盘直径 8 75 不在 4 5 5 5 范围内 因此 此实例不能作为相似实例 选择满足相似度检索条件的实例作为参考实例 并按 相似度从大到小进行排序 本文选择实例 2 3 的设 计方案作 为参考 方案 且 si m 实例 2 新 问题 si m 实例 3 新 问题 2 组合实例修改 由式 7 根据上述两相似 实例相似度大小关系 取 0 7 c o2 0 3 则新 问题的主参数如下 刀盘扭矩 1 580 0 7 1 470 0 3 1 547 刀 盘 推 力 8 200 0 7 7 500 0 3 7 920 正 刀数 量 34 0 7 37 0 3 34 9 35 刀间距 67 0 7 62 0 3 65 5 由于 TB M刀盘设计涉及 因素复杂 而且有 些影响 因素无法建立数学模型 因而关于新 问题 设计方案与厂家实 际采用方案优劣 的问题 一般 而 言很 难判 断 但 后 者 的可行 性和 有 效性 是经 实践验证的 当然两者优劣可以采用层次分析法L2l J 加 以比较 但也较粗略 关于本文设计方法与其他 设计方法求得设计方案优劣比较的 问题 可以采用 层次分析法或者新问题设计方案与厂家实际采用方 案逼近程度方法 本文采用后者方法 本文方法 经验公式设计 5 和基于统计分析的回归模型设计 7j 的方 案与生产厂家实 际采 用方案 l 的差异如表 3 所示 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2010 年2 月 刘志杰等 基于实例推理的全断面岩石隧道掘进机刀盘主参数设计方法 163 注 表中差异是指各种方法设计结果与生产厂家实际采用设计方案相 比的差值 从表 3 中可 以看 出 本文方法设计方案和生产 厂家实际采用方案的刀间距 刀具数量 刀盘推力 和扭矩差异分别为 0 76 0 1 9 和 2 8 与 其他两种方法设计方案和生产厂家实际采用方案之 间差异相 比 本文方法差异最小 即本文方法设计 方案更接近于生产厂家实际采用方案 本文方法设 计结果较好 基于本文方法可以进一步预测施工时平均月进 尺 376 0 7 784 0 3 498 4 m 工程施工实际平 均月进尺为 586 m 预测误差为 14 9 预测准确 度令人满意 4 结论 1 提出了一种基于实例推理 的刀盘主参数设 计方法 包括给 出了 TB M刀盘设计实例描述特征 参数的选择 局部相似度计算和组合实例修改方法 提 出了基 于属性值 概率分布 的区 间相似度计算 方 法 以便充分利用先前 TB M刀盘设计实践中的成 功经验和数据 2 本文方法实例推理结果更接近于实例库中 经工程实践证明是有效的生产厂家实际采用方案 因而本文方法是可行或有效的 可为设计师提供有 参考价值的设计方案 3 值得说明 工程实际的 TB M刀盘主参数 设计不仅要考虑 围岩属性 而 且需要从整个 围岩 属性一刀盘设计参数一掘进控制参数的工程系统角 度综合考虑 这有待进一步研 究 参考文献 1 张照煌 李福 田 全断面隧道掘进机施工技术 M 北 京 中国水利水电出版社 2006 Z H A N G Z h aoh u an g L I F uti an C on struc ti o n tec hn o l o gy of ful l fac e am nel bori ng m ac hi ne M B eiji ng C hi na W ater P ow er P ress 2 006 2 陆燕荪 中国制造任重道远 装备中国责无旁贷 中 国装备制造业现状与发展战略 J 机械工程学报 2007 43 1 2 6 L U Y an sun C u rrent si tuati o n an d d ev el op m ent strateg y of Chi nese equi pm ent m anufac turi ng i ndustry J C hi nese Journal of M ec hani c al Engi neeri ng 2007 43 1 2 6 3 R O STA M I J O Z D E M IR L C om puter m odel i ng of m e c hani c al exc avators c utterhead C Proc eedi ngs of the W orl d R o c k B oring A sso c i ati o n C on ferenc e Su db ury O ntari o C an ada 199 6 1 儿 4 刘志杰 滕弘飞 史彦军 等 T B M刀盘设计若干关 键技术 J 中国机械工程 2008 19 16 1 980 1 985 LIU Z hi ji e TE N G H ongfei SH I Y anjun et a1 C utterhead d esi g n k ey i ssues of a fu l l fac e ro c k tu nn el b oring m a c hi ne T B M J C hi na M ec hani c al E ngi neeri ng 2008 19 16 1 980 1 985 5 R O STA M I J O Z D E M IR L A new m odel for perform anc e predi c ti on of hard roc k T B M s c Proc eedi n gs of R api d E xc avati on an d Tunnel i ng Conferenc e R E TC B oston U S A 19 93 79 3 809 6 TH U R O K PLIN N IN G ER R J H ar d roc k tunnel bori ng c u tti ng dri l l in g and bl asti n g R oc k p aram eter s fo r exc a vatabi l i ty C ISR M Tec hnol ogy R oadm ap for R oc k M e c h ani c s Joh an n esb urg S outh A fr i c a 2 0 03 1 22 7 1 2 3 3 7 何小新 吴庆鸣 全断面岩石掘进机主参数回归模 型 J 武汉大学学报 2007 40 2 99 103 109 H E X i aoxi n W U Q i ngm i ng R esear c h on regressi on m odel of ful l fac e roc k tunnel bori ng m ac hi nes J Engi neen ng Journal of W uhan U ni ver si ty 2007 40 2 9 9 103 10 9 8 H O W A R T H D F D atabase of T B M projec ts undertaken betw een 19 50 an d 199 0 an d an assessm en t o f as soc i ated gr ound str ength l i m i tati ons J Tunnel l i ng and U nder gr ound Spac e Tec hnol ogy 1994 9 2 209 213 9 O K U B O S F U K U I K C H EN W E xpert system fo r appl i c abi l i ty of tunnel bori ng m ac hin es in Japan J R oc k M ec han i c s and R oc k Engi neeri ng 2003 36 4 305 322 10 吴庆鸣 张志强 基于 K B E 的隧道 掘进 机主机智能设 计系统 J 中国机械工程 2006 17 4 33 1 333 W U Q i ngm i ng Z H A N G Z hi qi an g K B E bas ed in tel l i gent desi gn system for TB M m ai n fram e J C hi na M ec hani c al 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 164 机械工程学报 第 46 卷第 3 期 Engi neeri ng 2006 l 7 4 331 333 11 TSA I C Y C H IU C C A Cas e based reas oni ng system for PCB pri nc i pal proc ess param eter i denti fi c ati on J E xpe System s Iri tl l A ppl i c ati ons 2007 32 4 1 183 1 193 12 R ESB EC K C K SC H A N K R Insi de c ase based rea soni ng M N ew Jersey U SA L aw renc e Erl baum A s soc i ates 19 89 13 王生发 顾新建 郭剑锋 等 面向实例推理的产品设 计本体建模研究及应用 J 机械工程学报 2007 43 3 1 12 1 17 W A N G Shengfa G U X i nji an G U O Ji anfeng et a1 R esear c h an d ap p l i c ati on of on tol ogy m o del i n g fo r pro d uc t desi gn bas ed on c as e reas oni ng J Chi nese Journal of M ec hani c al E ngi neeri ng 2007 43 3 I12 117 l 4 秦玉平 杨兴凯 基于案例推理的区间属性相似度研 究 J 辽宁师范大学学报 2006 29 4 442 445 Q IN Yupi ng Y A N G X in gkai Study of range attri butes si m i l ari ty of c as e based reasoni ng J Journal of Li aoni ng N orm al U niversi ty 2006 29 4 442 4 45 15 王遵彤 刘战强 艾兴 高速切削中实例相似度及其应 用的研究 J 计算机集成制造系统 2005 11 5 72 1 7 26 W AN G Z u nton g L IU Z ha nq i an g A I X i n g C as e si m i l ari ty an d i ts appl i c ati on i n hi gh speed m ac hi ni ng J C om p uter Integrated M anu fac turi n g S ystems 2 0 05 l 1 5 72 1 726 16 Y U Tongm i n L I G uanhua L I Y oum i n et a1 D esi gn tec hnol ogy for i njec ti on m ol d partin g surfac e based on c as es and know l edge J Chin ese Journal of M ec han i c al E ngin eeri ng 2005 18 4 609 6 12 l 7 周凯波 冯珊 李锋 基于案例属性特征的相似度计算 模型研究 J 武汉理工大学 2003 25 1 24 27 Z H O U K ai b o F E N G Sh an L I F eng R e searc h o f th e si m i l ari ty c al c ul ati on m odel s based on the features ofc as e properti es J Journal of W uhan U ni versi ty of Tec hnol ogy 2003 25 1 24 2