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盾构机刀盘电气系统的控制及故障诊断研究

时间:2018-09-07 18:42来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇控制工程,民控制工程是以控制论、信息论、系统论为基础,以工程应用为主要目的工程领域。其应用已遍及工业、农业、交通、环境、军事、生物、医学、经济、金融。
本文是一篇控制工程,民控制工程是以控制论、信息论、系统论为基础,以工程应用为主要目的工程领域。其应用已遍及工业、农业、交通、环境、军事、生物、医学、经济、金融和社会各个领域。与机械工程、计算机技术、仪器仪表工程、电气工程、电子与信息工程等领域密切相关。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇控制工程,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 课题研究背景及意义
随着城市人口的不断扩张,地上空间有限,人们便开始寻求对地下空间的开发,最终促进了地下开发方法的不断发展与改进【1】。地下空间开发法在不断的发展中经历了多种方法,如明挖法、盖挖法、管段陈放法、盾构法等等【2,3】。盾构施工法以自动化程度高、施工效率高、安全保护措施多且很少受外界环境及地面建筑影响的优点。如今盾构法在我国的铁路、隧道工程及地铁项目等均得到了广泛的使用。目前盾构法成为国内外进行开发地下空间所普遍使用的方法,我国已有 20 多个城市应用盾构机来进行城市地铁建设【4-7】。盾构法是利用盾构机可以直接进行开挖、支护、初砌等等一系列流程而构成的有组织有章程的一种高效施工方法。如今发达国家采用盾构机进行隧道挖掘占总隧道量的 92%,我国采用盾构机进行隧道挖掘也占了总隧道的 80%。它的工作效率远大于传统的地下挖掘技术效率且安全保护措施多。因此采用盾构机进行挖掘作业不论是在经济实用还是在安全效率方面都具有很大的优势【8,9】。刀盘系统是盾构机中的即基础又重要的一部分,该部分中驱动方法的选择及刀具的优劣将直接影响其整体的工作进程。迄今为止国内外对于刀盘系统的驱动方法主要包括两种:纯电机驱动,液压驱动。其中纯电机驱动又包括:定速、变频电机及双速电机驱动。表 1-1 为四种驱动方式的比较。
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1.2 盾构机技术简介
盾构机(Tunnel Boring Machine),它采用暗挖技术来开发地下空间。盾构机在施工过程中,一方面要保证开挖面的稳定,另一方面还需进行土壤挖掘、出渣、管片拼装、初砌、注浆等一系列具有高度自动化的作业并通过远程控制其安全施工【10】。它的工作原理简单描述即为一个具有固定形状的钢组件沿预先设计的轴线运行,在运行的过程中即能进行前向推进又能进行土壤挖掘。钢组件的外壳部分又称保护盾,它需要对刚开挖好的还没有初砌的隧洞进行支撑。该壳体一边需要负荷四周土压及地下水带来的压力,一边还需通过壳体把他们隔离在外围,其中开挖、控制排土、管片初砌均是在壳体保护下完成。当代盾构机是将光、电、液、控等技术相结合而构成的具有庞大体系的工程应用器械。图 1-1 是实际工程中盾构机现场实物图。它主要由组成盾体及其辅助设施等组成。盾体由前盾、中盾及尾盾组成。前盾不仅要支撑刀盘系统、切削泥土、隔离泥土仓与后面的工作空间,而且要控制开挖面的稳定。中盾主要保证盾构机施工过程中安全有效的向前推进并将切削下来的渣土输送到土仓及渣土车并通过控制油缸提供的掘进力控制每组油缸的压力,进而调整开挖方向,最终使得现场挖掘轴线和所设计得轴线保持一致。尾盾主要用于注浆密封,维持盾尾压力,防止地表沉降,最后采用拼装管片来构建隧道管壁【11】。
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2 盾构机刀盘系统的主要组成
 
2.1 盾构机工作方式介绍
盾构机的主要动力来源是以电为基础。通过 PLC、触摸屏、及其内部设施的相互配合来实现隧道掘进中不同系统之间的有效有序工作。根据开挖地质及工作环境的差异分别存在不同类别的盾构机。本文是以土压平衡盾构机为背景进行研究,因此下面以土压平衡盾构机为例来说明其工作中的重点部分。土压平衡盾构机在挖掘过程中的重点主要包括 3 部分。1.盾构机的掘进。一方面刀盘主驱动系统通过齿轮间的耦合使刀盘持续旋转。另一方面通过推进系统实现推进作业。2.系统在开挖工作中对进土量与出土量的掌控。将螺旋输送机和刀盘系统结合起来,保证从泥土仓中排出的土量与进入土仓中的土量保持均衡,来实现土压平衡。3.管片拼装。盾构机掘进一环后,由现场人员控制拼装系统进行管片拼装,最终实现挖掘出的隧道直接成型。
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2.2 刀盘系统的主要组成
刀盘作为具有进料口的切削体,他的作用是用来挖掘泥土。他与他的动力来源(刀盘驱动部分)由法兰板来连接。刀盘按开挖土质的差异可以使用不同类型的挖掘刀具。所有刀具均通过螺栓与刀盘连接。图 2-1 为刀盘系统上刀具的具体分布图。刀盘驱动系统【37】由齿轮箱、驱动部分及减速机三部分组成。前盾还有一套稀油润滑装置,由螺杆泵将齿轮油输送到各润滑点,进而对主齿轮箱喷射润滑。在刀盘系统中,主驱动采用螺栓与法兰连接。法兰板后面装有旋转接头将泡沫、检测压力油及压力油润滑脂传送到其面板的泡沫喷溅处、磨损检测处和仿形刀位置处。刀盘系统结构如图 2-2 所示。不同的切削半径上安装具有检测磨损刮刀功能的压力传感器,通过压力的变化来提醒工程人员是否需要更换刀具。刀盘的结构根据不同的施工条件及地质不同的有不同的面板类型。主要分为 3 种类型,具体如下表所示。表 2-1 为三种面板的区别与比较。
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3 盾构机中刀盘驱动系统的设计及仿真.......... 21
3.1 多电机同步方式的介绍........ 21
3.1.1 非耦合同步方式.......... 21
3.1.2 耦合控制方式...... 23
3.2 盾构机刀盘驱动系统的设计及仿真.... 25
3.3 带补偿的主从同步方式在刀盘驱动系统中的仿真.... 33
3.3.1 带补偿的主从同步方式模型建立...... 34
3.3.2 仿真结果分析...... 35
3.4 本章小结........ 36
4 模糊控制在刀盘驱动系统中的设计及仿真......... 37
4.1 模糊控制基本原理简介........ 37
4.2 刀盘驱动系统中模糊控制补偿器的设计.... 39
4.2.1 刀盘驱动系统中模糊控制器的提出.......... 39
4.2.2 模糊控制补偿器的设计...... 40
4.2.3 刀盘系统中模糊控制器的仿真分析.......... 43
4.3 本章小结........ 44
5 基于贝叶斯网络的盾构机刀盘电气系统的故障诊断.......... 45
5.1 贝叶斯网络的基本原理........ 45
5.2 刀盘电气系统故障诊断的仿真及分析........ 50
5.3 本章小结........ 56
 
5 基于贝叶斯网络的盾构机刀盘电气系统的故障诊断
 
针对传统的故障发生后采用人工进行故障诊断,盾构机施工环境恶劣,更换器件麻烦。而且对于盾构机刀盘系统中的电机来说,它的好坏直接关乎到整个系统的稳定性及安全性。由于盾构机设备内部构造的复杂性,很多系统之间存在耦合关系,并有许多不确定因素及信息的存在。故障的发生将可能是多故障或关联故障等形式。传统的诊断技术已无力解决这些问题【62】。基于概率知识构建的贝叶斯网络是当下智能算法中用来处理不确定因素引起的故障诊断中最有效的理论模型【63,64】。它将系统中各部分间的影响程度采用概率的手法来表示;采用网络模型可以实现并行推理,从一定程度上提高了系统诊断的速度。如果能将当前数据的趋势结合该算法判断系统是否发生故障及故障发生的位置,并采取有效的措施来避免事故的发生,对于系统而言将会减少很多损失。
 
5.1 贝叶斯网络的基本原理
贝叶斯网络(简称 BN)用具有概率标注的有向图描述的网络结构【65】。它可以直观地表达各变量间的概率分布问题及相互影响的关系,进而通过部分变量的信息计算其它变量信息的一种理过程。在解决现实问题时,BN 通过有条件地依赖多种控制因素间的相关信息,可以从系统不完全的信息中做出适当的推理。因此 BN 在处理不确定性推理和数据建模方面有一定的优越性。贝叶斯网络的基本思路【66,67,70】是先将专家知识和信号间的相互关系综合起来并将先验的故障原因或故障征兆作为节点,建立贝叶斯网络模型,然后根据节点之间的因果关系及条件相关的概率值,采用前向推理与后向推理相结合的双向并行联合推理,来计算不同节点发生的概率。这应用在故障诊断的安全评估中,可以寻找造成这种故障症状的不同原因及其概率大小,根据诊断结论找到最终故障并进行维护,从而降低维修成本。
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总结
 
盾构机是现在隧道掘进开发的主要应用工具。目前盾构机的大量应用,对它的稳定性、可靠性也做出了相应的需求。刀盘系统作为盾构机的主要组成部分,该部分的工作性能将直接影响整体的工作效率及经济效益。对刀盘系统的研究与改进也是我国目前对盾构机研究的重点项目之一,本文主要从两个方面来对盾构机刀盘驱动部分进行研究与改进。首先,针对刀盘驱动系统中的多电机同步问题,文章将目前国内外对于多电机同步驱动的策略结合刀盘系统特有的构造方式,找到适合该系统的控制策略。它们分别是并行同步驱动和主从同步驱动策略。并结合实际生产中电机存在较小的参数差异,以两台电机为例,对这两种策略采用 MATLAB 进行仿真并分析。发现在刀盘系统转矩分配上主从同步的效果要比并行同步效果好,但要达到系统的要求还是需要再进行进一步的改进。之后采用带补偿的主从同步控制方法进行改进,并进行仿真分析。仿真结果表明该方法可将转矩差限定在一定范围内,但在部分区域仍存在较大的峰值。对系统仍会造成不利的影响。然后,对模糊控制器在该系统中对转矩进行补偿的可行性进行分析,随后设计出带模糊控制器的主从同步控制模型。采用 MATLAB 建立模型,并将设计好的模糊控制器在模型中进行仿真,仿真结果相比于原始模型得到了大幅度的提升。并能将多电机间的功率均衡分配控制在系统要求、允许的范围内。最后,针对传统的故障诊断法会耗费大量的时间与精力,对实际工程中带来很大的经济和社会损失的问题。本文考虑将人工经验、以往故障数据与智能诊断相结合的故障诊断法。文章以刀盘系统中的电机升温作为研究背景,对系统的故障数据进行分析。根据系统及电机中各部件的连接关系,采用 MATLAB 建立贝叶斯网络盾构机中刀盘电机故障模型,在已知电机温度过高故障症状的前提下,该模型通过对历史与当前数据的参数学习来强化网络模型,最终通过其推理。从而快速找到造成该故障症状的主要原因,大大提高系统的诊断效率。本文通过对刀盘系统的性能主要从刀盘驱动中的多电机同步控制及刀盘电气部分的故障诊断这两方面进行研究与改进。既实现刀盘系统中多电机的功率均衡分配,又可以对系统中已发生的故障,根据症状快速找到故障原因,进而方便维修。最终提高盾构施工的工作效率及盾构工程作业中的安全、可靠与稳定性能。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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