邢 韵(中国科学院 沈阳自动化研究所,沈阳 110016)

EPB6280盾构机推进油缸载荷值的提取与分析

邢 韵
(中国科学院 沈阳自动化研究所,沈阳 110016)

为满足国内近年来对盾构机开发的迫切需要，从疲劳分析与可靠性设计的角度出发，对已有资料中盾构推进油缸压力数据进行了提取，得到了盾构推进油缸的峰值载荷，以及推进油缸压力的载荷时间历程.通过对提取的数据进行压缩处理和计数法统计，得到了推进油缸压力数据的分布规律，为实现EPB6280盾构机推进油缸载荷值数值上的模拟和载荷谱的编制提供了数据基础.

盾构机；推进油缸；载荷值；分布规律

在掘进隧道的施工中，盾构法是一种应用非常广泛的施工方法.盾构的推力，是靠沿盾构主体的内周配置的盾构推进油缸来提供的.因其推力很大，在设计上应特别注意推进油缸本身的强度，所以对盾构推进油缸的研究极为重要.本文结合国内近年来对盾构开发的迫切需要，在国家高新技术研究计划的支持下，从疲劳分析与可靠性设计的角度，对资料中盾构推进油缸压力数据进行提取.将提取的数据作了压缩处理和计数统计后，再进行分析，进而得到各组推进油缸压力峰值的最大值和谷值的最小值的分布规律.对EPB6280盾构机推进油缸载荷值的数据分析，不仅为EPB6280盾构机推进油缸载荷值的模拟提供数据基础，而且对载荷谱的编制和油缸材料的疲劳试验提供载荷信息；同时，这些基础信息的提供对推进油缸寿命预测与寿命设计也具有重要意义.

1 数据的提取与处理

1.1 数据的提取

所用数据来自于广州大学城地铁四号线仑头段.数据资料形式为97组报告.每组报告中提供了推进油缸在测量时间内的平均压力、最小压力和最大压力，即100 min内推进油缸压力的平均值及100 min内推进油缸压力的最小值和最大值.对报告中所提供的关于盾构推进油缸的数据进行提取与应用.

1.1.1 峰值提取

以测量时间为横坐标，从0时刻开始测量，每次测量的间隔为100 min.每次测量推进油缸压力的最大值为纵坐标.对97组数据报告中提供的推进油缸的压力最大值进行提取，形成A、B、C、D四组推进油缸峰值数据，结果如图1所示.

图1 A、B、C、D四组推进油缸压力峰值Fig.1 Peak pressure of push cylinders

1.1.2 谷值提取

与提取峰值的方法类似，对97组报告中的盾构推进油缸压力的最小值进行提取，形成负峰值数据，结果如图2所示.

1.1.3 载荷时间历程提取

以测量时间为横坐标，从0时刻开始测量，每次测量的间隔为50 min；每次测量推进油缸的压力值为纵坐标，就得到了每组推进油缸压力近似的载荷时间历程.将每组报告中各组推进油缸压力的最大、最小值出现的顺序排列，得到四组推进油缸压力的载荷时间历程，结果如图3所示.

1.2 数据的处理

1.2.1 推进油缸载荷时间历程的压缩处理

载荷的时间历程需要进行压缩处理.通常连续的随机载荷过程与载荷历程的时间是没有关系的，而是由全过程的峰值和谷值的真实序列来进行描述的.载荷时间历程的压缩处理，包括以下四方面：等间隔采样、伪读数的排除、峰值谷值的检测、以及无效幅值的省略.

等间隔采样.具体做法就是将一个连续的载荷时间历程，以某一时间间隔Δt采样，采样后的载荷时间历程用数字序列T(i)(i=1，2，……，k)表示[1].

伪读数的排除.伪读数是指那些不能真实反映结构受载的幅值，伪读数一般是由测试操作系统本身引起的，在处理时要把伪读数排除掉.

峰谷值检测.峰谷值检测是把经等间隔采样后的数值序列T(i)(i=1，2，……，k)中所有的峰谷值全部检测出来.也就是把每个循环中相同斜率的最高点和相反斜率的最低点保留下来.

无效幅值的省略.在经过伪读数排除和峰谷值检测之后得到载荷值仍然存在大量的无效载荷.在实际工作中，系统零部件除承受主要的工作载荷之外，还经常受到一些次要的或意外的载荷作用，这些载荷表现为二级波、三级波乃至一些不能产生疲劳损伤的高阶小幅循环.如果无效幅值按循环载荷历程最大值的10%进行删除，至少可以减少60%的循环次数[2].

图2 A、B、C、D四组推进油缸压力谷值Fig.2 Vale pressure of push cylinders

图3 A、B、C、D四组推进油缸压力载荷时间历程Fig.3 Pressure load spectrum of push cylinders

1.2.2 推进油缸载荷时间历程的计数处理

将载荷时间经历压缩，然后进行计数处理.采用峰值计数法和雨流计数法，将压缩后的载荷时间历程进行计数处理.利用Matlab编程语言实现对各组盾构推进油缸压力载荷的峰值计数和值径向力的计数统计处理.A组的雨流计数结果如图4所示.

图4 A组的雨流计数结果Fig.4 Result of rain-flow counting method for group A

1.2.3 波动中心的计算

波动中心为所有的载荷循环均值的总平均值.通常将波动中心视作载荷循环的静力，幅值视作动力，把幅值叠加在波动中心上，即固定参数为波动中心，取代循环均值[3].分组数据如表1所示.

表1 波动中心值Table 1 The center value of wave motion

1.2.4 平均应力等效折换

由于大多数时间推进油缸载荷值都以不同平均应力的形式出现，因此有必要对平均应力进行修正，实践中采用Goodman准则对平均应力进行修正，这样修正后得到的平均值为波动中心的等效应力幅值[2].以A组为例进行Goodman准则计数后的结果如图5所示.

图5 A组的Goodman准则计数结果Fig.5 Result of Goodman counting method

2 数据分析

2.1 推进油缸载荷统计直方图分析

用峰值计数法和雨流计数法记录处理的数值一般没有一定的次序，因此还要由子样的分布特征，推断出母体的特征值.计算机给出各种统计参数，用分布函数拟合，判断其分布规律，得到母体的所有特征参数[4].

为了获得载荷时间历程的统计规律，对计数后的峰值进行分级处理，组间距C为

C=(Xmax-Xmin)/L

(1)

式中:L是分级的级数，Xmax、Xmin对应载荷历程中的最大值、最小值.

其中，组中值为

Xj=(Cs+Cx)/2

(2)

式中的Xj是第J组的组中值，Cs是第J组的组距上限值，Cx是第J组的组距下限值.

按照此原则用MATLAB软件编程，绘制计数统计后的载荷值直方图.图6为以A组为例的峰值计数直方图.

图6 峰值计数直方图Fig.6 The histogram of peak value counting method

2.2 推进油缸载荷特征参数提取

2.2.1 概率分布函数的参数拟合

表2 A组推进油缸压力统计参数Table 2 The statistical parameters of push cylinder pressure for group A

2.2.2 概型拟合度检验

采用威布尔坐标纸检验.以A组为例，将试验数据在威布尔坐标纸上描点，拟合成一条直线或近似成一条直线，则说明该组数据服从威布尔分布.A组经过计数法计算后的推进油缸压力载荷数据经威布尔坐标纸检验后的结果如图7所示；峰值计数后推进油缸压力谷值经威布尔坐标纸检验的结果如图8所示；雨流计数后A组推进油缸压力峰值经威布尔坐标纸检验的结果如图9所示.

图7 峰值计数后A组推进油缸压力峰值检验结果Fig.7 The test results of push cylinder peak value pressure for group A by peak value counting method

图8 峰值计数后A组推进油缸压力谷值检验结果Fig.8 The test results of push cylinder vale value pressure for group A by peak value counting method

图9 雨流计数后A组推进油缸压力峰值检验结果Fig.9 The test results of push cylinder peak value pressure for group A by rain-flow counting method

如上述图组所示，各组数据基本在威布尔坐标纸上拟合成一条直线，可以说明各组数据基本符合威布尔分布.

(3)

用MTLAB软件编写程序，用以上检验方法分别对峰值计数和雨流计数后的压力载荷数据的概率分布类型进行了假设检验.以A组为例，数据检验结果如表3所示.

上述表格表明推进油缸压力载荷数据均通过了显著性水平α=0.05的X2检验，服从各自参数的威布尔分布.

2.3 检验子样是否来自同一母体

由于四组推进油缸数据是在相同时间不同位置的情况下测量得到的，如果每组数据看成是一个子样的话，那么会存在两个或多个子样来自于同一个母体的情况，于是通过检验的方法来判断各个子样是否来自同一母体，然后将来自同一母体的子样数据融合，推断准确的母体的特征.

分别对峰值和雨流计数后的各组数据两两进行斯米尔诺夫检验.检验结果如表4～6所示.

表3 A组数据检验结果Table 3 The test result of counting method for group A

表4 峰值数据检验结果Table 4 The test result of peak value counting method

表5 谷值数据检验结果Table 5 The test result of vale value counting method

表6 雨流计数后数据检验结果Table 6 The test result of rain-flow counting method

通过对各组数据的斯米尔诺夫检验，结果经过峰值计数后的各组数据和雨流计数后的各组数据均是A组和D组样本数据来自同一母体.根据上述检验结果可以得到A组和D组子样数据同来自于一个母体，因此可以将A组和D组数据混合使用，以便推断出更能精确描述其性质的分布函数.

根据各组压力载荷数据斯米尔诺夫检验的结果，将压力载荷数据重新分组，即A组和D组数据混合使用，其B组、C组数据保持原状.这样重新分组后得到三组数据：AD组、B组和C组.

由于B组和C组数据保持原状，只有AD组变化.根据本文峰谷值和载荷时间历程的提取方法，将AD组的数据进行数据提取，得到AD组推进油缸压力峰值和压力谷值数据，以及载荷时间历程.结果如图10～12所示.

图10 AD组推进油缸压力峰值 Fig.10 The peak value of group AD

图11 AD组推进油缸压力谷值Fig.11 The vale value of group AD

图12 AD组推进油缸压力载荷时间历程Fig.12 The pressure load spectrum of group AD

将AD组载荷数据进行压缩处理，然后分别用峰值计数法和雨流计数法进行统计计数，将结果保存为文件“ADrain.txt” ，如图13所示.

图13 AD组推进油缸压力载荷时间历程保存文件Fig.13 The saved files of pressure load spectrum for group AD

将AD组混合后得到的推进油缸压力数据，进行统计分组，并绘制载荷直方图.根据威布尔坐标纸检验和皮尔逊X2检验的结果，可以判断AD组载荷各组数据均服从各自参数的威布尔分布，如表7及图14所示.

表7 AD组载荷数据检验结果Table 7 The test result of load date for group AD

对EPB6280盾构机推进油缸载荷数据进行了提取处理与分析，运用相关数学方法，得到了各组推进油缸的数学概率模型,为下一步通过蒙特卡罗方法等相关方法模拟出推进油缸压力载荷值提供了可靠的理论数据基础，进而为编制推进油缸压力的疲劳载荷谱提供条件，为推进油缸材料的疲劳试验提供载荷信息，也为推进油缸寿命预测与寿命设计提供基础信息.同时在实测数据较少的情况下为编制疲劳载荷谱提供了方法上的指导.

3 结 语

(1)从疲劳分析与可靠性设计的角度出发，对已有的资料中盾构推进油缸压力数据进行了提取，得到实测的盾构推进油缸的峰值载荷，以及推进油缸压力的载荷时间历程.

(2)对提取的推进油缸压力数据进行压缩处理与计数法统计，得到载荷峰值计数与雨流计数的计数循环，对结果进行随机载荷特征参数的提取与分析，得到各组推进油缸压力峰值与谷值的分布规律，均服从各自参数的威布尔分布；将各组推进油缸载荷子样数据进行关联分析，得到A、D组数据来自同一母体，并将他们混合，进而推断出更精确的母体信息；得到各组推进油缸压力值的概率模型.

图14 AD组载荷数据坐标纸检验结果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.

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

TH 137

A

1671-6620(2014)04-0298-08