TBM盘形滚刀结构参数的多目标优化设计基于模糊和SAMPGA响起

文摘

作为一个关键组成部分隧道钻孔机(掘进机),盘形铣刀环及其结构参数与TBM隧道质量密切相关。文献综述表明,调查刀环形结构优化设计方法是严重不足的。因此,在这篇文章中,多目标优化设计模型,对盘形滚刀结构参数环开发基于复杂的地质条件和相应的刀环结构设计要求。岩石破坏能力、能源消耗、承载能力、磨损寿命,和穿统一的圆盘刀具选择的目标,和铣刀的几何结构环,极限承载能力,和刀盘驱动性能确定约束条件。根据该模型的特点,自适应multipopulation遗传算法(SAMPGA)是用于解决优化问题,并采用模糊层次分析法(模糊)计算权重系数为多个目标。最后,演示了该方法的适用性通过一个案例研究在TBM项目。结果表明,岩石断裂性能和盘形铣刀的使用寿命提高优化后使用该方法。利用SAMPGA有效地解决了当地过早收敛问题的优化。应该考虑地质适应性的刀环结构设计,可实现通过使用该方法基于合适的权重系数。

1。介绍

隧道建设的快速发展,隧道钻孔机(掘进机)广泛用于隧道开挖由于开挖效率高,良好的安全,减少地面干扰(1,2]。圆盘刀具安装在TBM刀盘是主要的岩石破碎工具,和刀环相互作用和降低TBM隧道过程中岩石直接3,4]。当隧道地质条件复杂和苛刻,刀环患有高接触应力和振动强烈的影响。如果刀环的结构设计不合理,它不仅会限制盘形铣刀的岩石破坏的能力和效率,但也造成严重的磨损和破损失败的刀环,这将大大影响TBM掘进效率和施工成本的项目。如今,大多数现有的刀环的设计是基于工程经验或采用常用尺寸指定几家知名的刀具制造商。相关结构参数的优化设计方法TBM盘形铣刀环是罕见的。因此,它具有重要的必要性和吸引力开发地质适应性和刀环结构参数的多目标优化设计方法的基础上复杂多变的地质条件。

目前,与刀环形结构相关的研究主要集中在岩石破碎特征类型的刀环和刀环结构参数对其切削性能的影响。Rostami [5]研究了负载特征和岩石碎片引起的基于线性的盘形滚刀切削实验和指出,接触应力的刀环刀提示宽度密切相关。Balci和Tumac6,7)比较和分析了岩石破坏的等截面(CCS)和v形圆盘刀具通过一系列岩石破坏测试,和他们建立了岩石破坏载荷预测模型和修改的CCS盘形铣刀考虑直径的影响,提示宽度,刀圈的边缘角。崔et al。8)调查了刀环形状对刀具的影响力量通过一系列全面的线切割测试和发现,轧制压力作用于v字形盘形铣刀远高于CCS盘形铣刀。Chiaia [9]研究了岩石破坏机制使用不同类型的刀具,包括冲刚性球体,平冲头,圆锥。Lislerud [10]flat-edged盘铣刀的岩石破碎特征相比,楔形盘形铣刀,镶嵌滚子盘形铣刀和提出了岩石破坏镶嵌滚子盘形铣刀的动力学模型。Zhang et al。11]研究了岩石破碎过程受到物理实验和楔形刀具保税粒子模型模拟,和AE分布,裂缝模式,和刀力得到单个刀具和刀具的两倍。罗比et al。12]介绍了圆盘刀具组件和最近的改进重点分析了圆盘刀具的区别与不同的大小。Maidl et al。13]介绍了常用的刀具尖端宽度圆盘刀具主要设计为6.35毫米(1/4),12.7毫米(1/2英寸),19.05毫米(3/4),25.4毫米(1英寸)。Marji [14和太阳等。15]建立岩石破坏仿真模型对圆盘刀具采用离散单元法和显示刀具尖端宽度和偏角的影响参数对刀具岩石断裂性能(裂纹扩展,岩石破碎体积,特定的能量,等等)。李等人。16]分析了岩石破碎特征之间的差异小边缘切角机环和脂肪边缘刀环通过理论、仿真和实验分析,他们发现小边缘切角机环的性能优于高磨料层的脂肪边缘刀环。夏et al。17)使用正交试验方法分析了影响刀环结构参数对岩石的破坏力量。回顾文献显示,研究刀环结构设计主要关注的影响大小或形状的刀环结构参数的岩石断裂性能参数分析方法基础上。然而,刀环结构参数的影响在其他刀表演,例如,耐磨性能,很少考虑地质条件的影响以及刀具结构设计的戒指。在现实中,盘形铣刀磨损是一个重要的因素,提出了开挖成本和延误项目在TBM隧道硬摇滚的18]。此外,调查对刀环结构参数多目标优化设计方法是严重不足的。

刀环结构设计问题包含多个相互冲突的目标和约束,这属于一个多目标优化问题。来处理这个工程问题,选择一个合适的多目标优化方法是本研究的目标之一。传统优化技术在场景提供了一个局部最优解搜索空间的大小很大,很多变量处理,实现多个目标,和许多制约因素是同时满足19]。因此,大量的以人群为基础的优化算法被称为先进的优化算法近年开发和广泛应用于工程问题。这些方法主要包括遗传算法(GA) [20.),粒子群优化(PSO) (21人工免疫系统[],22微分进化算法(),23),蚁群算法(ACA) [24),而模拟退火(SA) [25]。作为古典meta-heuristic算法,遗传算法是常用的搜索策略来发现最佳的子集。然而,也有一些缺陷存在于简单遗传算法(SGA),如处理单一目标函数,过早收敛,低效率的优化,等来处理多目标优化问题,提出了几个扩展气体基于SGA。Muruta和Ishibuchi26)开发了一种遗传算法解决多目标问题称为多目标遗传算法(分公司)。动态加权算法中使用多个目标转移到一个单一的目标。Deb et al。27]提出了nondominated排序GA-II (NSGA-II)的方法,这是实现一个有效的基于个人排名排序方法nondominated排序和拥挤距离排序评估解决方案的人口密度在同一等级(28]。霍et al。29日)采用SGA和合作共同进化遗传算法(智囊机构解决圆盘刀具的multispiral和随机布局问题。Shahsavar et al。30.)三个自适应多目标进化算法triple-objective相比项目调度问题,包括自适应multipopulation遗传算法(SAMPGA)两阶段分组人口遗传算法(TPSPGA)和nondominated排序遗传算法(NRGA)。考虑上述气体的特点和需求结构设计的刀环,一个SAMPGA [31日摘要]被选中作为一个适当的优化算法。

本文结构参数的多目标优化设计模型对盘形滚刀戒指,包括5个目标和十二个约束条件,建立了基于工程技术要求和相应的刀环结构设计要求。据SAMPGA这个模型的特点,应用于解决多目标优化设计问题,以及模糊层次分析法(模糊)是用来解决多目标函数。最后,演示了该方法的适用性和有效性通过一个案例研究在TBM项目。

2。问题描述和建模

2.1。要求刀圈的结构设计

盘形滚刀环是唯一一个盘形滚刀与岩石接触的一部分,直接确定刀具服务性能及其结构特点。获取盘形滚刀与岩石破碎效率高,使用寿命长,目的,刀环结构设计原则,通过咨询相关文献和工程数据进行了总结。(1)优秀的岩石断裂性能:盘形铣刀可以打破岩石通常和打破更多的岩石在恶劣的地质条件下,尽可能的刀环地质适应性设计的基本要求。(2)岩石破碎能耗最小刀具:打破岩石有效减少能源消耗将提高整个隧道圆盘刀具和刀盘的效率。(3)使用寿命长,统一穿:加载,刀轴承满足设计要求,和铣刀的刀片形状环正常磨损过程中保持稳定。(4)满足基本的刀环结构参数要求:有一个CCS盘形铣刀的结构参数之间的相关性环;因此,结构参数的设置应满足相关的要求。(5)满足要求的刀盘驱动性能:总负载盘形铣刀不应超过额定推力和刀盘扭矩。(6)满足盘形铣刀的极限承载能力要求:盘形铣刀的平均负载优化后不应超过规定的极限载荷。

2.2。数学模型和参数表达式

多目标优化设计模型,刀环结构参数主要包括目标函数、约束和设计变量,可以定义如下: 在哪里是目标函数,X表示决策空间, ,x^l和x^U设计变量的上限与下限吗x分别是k -th不等式约束是l -等式约束。

CCS盘形铣刀是最常用的一种对TBM刀具由于其平衡岩石断裂和耐磨性能。因此,它被设置为结构设计对象。素描的盘形滚刀刀圈如图1。刀环的关键结构参数,包括刀具尖端宽度T,边缘角θ和圆角半径r,选择设计变量,它可以表示为x= (T,θ,r)。

2.3。目标函数

2.3.1。岩石破坏盘形铣刀的能力

刀岩石破坏能力是顺利的关键因素为TBM开挖在坚硬的岩石条件下,它是一个基本准则反映了地质适应性。岩石断裂引起的盘形滚刀是一个过程的裂纹生成、裂纹扩展,裂纹相交,和岩石碎片。因此,边的长度引起的裂纹圆盘刀具用于描述刀具岩石破坏能力,可刘计算的半经验半理论模型32]:

碎带的形成之前,

压碎区成立后, 在哪里F_V盘形滚刀的法向力,σ_c岩石单轴抗压强度(UCS),d是刀的大小, , 岩石的泊松比,E杨氏模量的岩石,G_集成电路是岩石的能量释放率。

盘形滚刀的力量可以通过使用获得科罗拉多矿业学院的(csm)模型(33)如下: 在哪里F_t表示总盘形铣刀的力量,F_R盘形滚刀的轧制力,R圆盘刀具的半径,ψ刀提示压力系数分布,φ表示刀环和岩石之间的接触角,h是切削深度,年代是刀间距,C是一个无量纲系数值为2.12,σ_t岩石的抗拉强度。其余的符号有相同的意思同方程(2)和(3)。此外,使用相同的符号变量的含义在以下方程是一致的。

基于线弹性断裂理论,能量释放率之间的关系G_集成电路和断裂韧性K_集成电路可以被定义为(34]

根据张的研究(35),断裂韧性K_集成电路可以通过以下方程近似计算:

因此,目标函数的刀被定义为岩石破坏能力

2.3.2。能源消耗为岩石破碎盘形铣刀

特定的能量(SE)的盘形铣刀是指单位体积的能量被打破岩石,SE越大,岩石破碎效率越低。下面的方程可以用来计算本身的价值36,37]:

为 ,

为 , 在哪里β岩石破碎角和吗μ系数是描述边裂纹扩展的方向。

然后,刀的目标函数对岩石破坏的定义是能源消耗

2.3.3。机轴承的承载能力

盘形铣刀打破岩石时,铣刀轴承承受很大的轴向和径向载荷和振动强度的影响。轴承的失败是一个重要的盘形铣刀的异常故障的原因。当轴承寿命计算,有必要把轴承的径向和轴向负载等效负载。方程计算等效动态轴承负荷如下: 在哪里X和Y径向载荷系数和轴承的轴向载荷因素,分别F_n实际径向轴承载荷,F_一个是实际的轴向轴承载荷,f_p负载系数相关的工作条件。

相对较大的负载的轴承是选为设计对象,和它的实际计算径向与轴向联合负荷如下: 在哪里D_z是轴承的外径,l_z两个轴承之间的中心距,l_z=T_b+l,T_b是轴承宽度,l间隔环的厚度,y是派生的轴向力系数,F_年代盘形滚刀的侧向力(38), ,τ岩石的抗剪强度,ρ是安装盘形铣刀半径。

的目标函数定义为滚刀轴承的承载能力

2.3.4。刀环的磨损寿命

磨损寿命的刀环主要特点是穿损失,这是相关刀具的工作条件,刀环的结构参数,和盘形铣刀的布局参数。基于Archard磨损理论,朱39)建立了一个理论模型的前部和侧磨损损失(穿一步)刀环。计算如下:

前面穿刀环的步骤:

一边穿刀环的步骤: 在哪里ω盘形滚刀的旋转角速度,ω=ρω₁/R,ω₁是刀盘的旋转角速度,ω₁=πn/ 30,n刀盘的旋转速度,是隧道掘进的速度,=接下来的/ 60,t是穿一次,K_D是穿的系数,c是岩石凝聚力,ζ岩石的内摩擦角,γ是岩石和刀具之间的摩擦角,r_c是一个点的距离在刀盘形铣刀轴边缘到中心,然后呢fr_c是横向压力分布系数。

在实际的TBM项目中,当刀前环磨损极限值,刀环将立即更换。因此,刀具磨损寿命的戒指可以表示为 在哪里限制穿刀环的体积。

刀环的磨损寿命的目标函数可以定义为

2.3.5。穿统一的刀环

刀片的变化趋势是不同的盘形滚刀工作和穿在不同的地质条件。实际上,磨损的叶片的形状是由两个前穿和侧穿(39]。如果刀片形状(桨叶角)是稳定在磨损过程中,CCS圆盘刀具的优势可以发挥,才能获得最佳的耐磨的性能。

根据几何关系前面穿步骤和刀片的形状,穿统一的刀环的目标函数定义为

从上面的优化目标函数,它可以发现刀环结构设计问题包含多个相互冲突的目标。盘形滚刀的优化目标不能满足同时在相同结构参数下,需要在多个目标之间的妥协。在这篇文章中,权重系数变化法(40)用于处理多目标优化问题,将多目标函数转化为一个单目标函数。通过给予不同的权重系数目标函数根据具体的地质条件,地质适应性优化结果可以实现刀环结构设计。利用权重系数的转换方法,合并后的目标函数可以表示如下: 在哪里权重系数,χ_我是消除系数为消除数量级差异(41]。

2.4。受约束

2.4.1。维几何结构的约束

刀具尖端宽度是刀环的主要结构参数。一个很小的尖端宽度将加剧刀具磨损和刀具更换的成本增加,而一个非常大的宽度将增加岩石断裂力和削弱盘形铣刀的渗透能力。考虑到常用的参数,给出刀具尖端宽度的空间约束:

刀具边缘角有很大的影响在岩石上打破圆盘刀具的性能。选择锋利的和flat-edged刀具刀具结构设计是主要的考虑因素。考虑到叶片形状的变化趋势在磨损过程中,刀具的尺寸约束边缘角的定义是

太小铣刀半径边缘应力集中将导致难以穿透坚硬的岩石。当刀具边缘半径大于10毫米,边缘半径参数对切削力的影响将会减少。因此,刀具的尺寸约束边缘半径的定义是

间隔环不仅在定位过程中发挥作用,也决定了盘形滚刀的起动转矩。间隔环厚度的空间约束设置如下:

2.4.2。维关联约束的几何结构

除了满足上述空间约束,刀环的结构参数还需要满足以下相关约束:

2.4.3。盘形滚刀的约束的极限承载能力

盘形滚刀的最终承载能力随刀环的大小。17寸盘形铣刀的极限承载能力是250 kN的19英寸刀315 kN [12]。因此,给出了刀具极限承载能力的约束

2.4.4。刀盘驱动性能的约束

刀盘驱动性能的约束是定义为 在哪里F_d和T_d分别切碎器的额定推力和扭矩,然后呢D刀盘的直径。

3所示。描述的方法

刀环结构设计问题包含多个相互冲突的目标以及线性和非线性约束,这属于一个不连续的多目标优化问题。因此,一种改进的自适应遗传算法multipopulation (SAMPGA)用于解决这个问题。与此同时,模糊层次分析法(模糊)是用来处理多个目标函数和获得合并后的目标函数。

3.1。自适应Multipopulation遗传算法

以上所述,遗传算法是一种广泛使用的进化算法解决非线性优化问题。然而,在遗传算法的广泛应用,许多SGA的缺陷不断暴露,例如,单目标函数的处理,过早收敛、低效率的优化。为了克服SGA的缺陷,一种改进的自适应遗传算法(SAMPGA) multipopulation介绍解决刀环结构参数的多目标优化设计模型。SAMPGA的步骤描述如下,一般方案如图2。(1)构建目标函数:结合多个目标函数和目标函数中演示了一节2。3。(2)初始化:假设种群的数量米个人在每个分组人口的数量N。交叉和变异是遗传算法的核心运营商。每个人口据SAMPGA的特点,给予不同的交叉和变异概率平衡全局和局部搜索能力。交叉概率P_c和变异概率P_米初始化如下: (3)构造适应度函数:由于相对小,以防止局部收敛或发散的健身价值,构造适应度函数根据方程(20.)如下: (4)选择:roulette-based非线性排名选择策略是采用这种方法。(5)交叉:SGA不够灵活而产生的后代通过一个单一的不同染色体的交叉。本文建立了交叉算子相结合多点交叉和均匀交叉。(6)自适应变异:突变的主要因素是影响遗传算法的收敛性和最优结果在以后的阶段。SGA的突变通常是恒定的,独立的迭代的数量。为了提高全局搜索能力的早期阶段,SGA通常设置为0.7 - -0.9的交叉和变异设置为0.001 - -0.05,这可能导致过早的局部收敛性和不利于后期获得最优结果。为了解决上述问题,本研究采用自适应变异算子。变异概率是主见经过每一代的操作和增加逐渐增加的迭代的数量。动态变化方程如下所示: 创是迭代的数量,创是迭代的总数,米变异算子的计算精度位数,ζ是变化的系数,值的设置为7 - 9日根据交叉概率。(7)移民和精英主义的策略:在每次迭代结束时,移民算子应用于筛选出最佳和最差个体当前的人口,然后用最好的个人为最坏的个人人口,从而实现multipopulation共同进化。通过精英主义策略,在每个人口是最好的个人记录并存储到精英人群。在每个迭代中精英种群更新。最后,最优个体发现所有的亚种。

3.2。模糊层次分析法

解决多目标优化设计问题时的盘形铣刀戒指,重量的不同分配系数为多个目标函数将表现出显著影响刀环形结构的设计结果。与此同时,设置不同的权重系数目标基于地质条件刀环地质适应性设计的核心。获得一套合适的系数,介绍了模糊层次分析法(模糊)专家调查的基础上。计算权重系数的过程供决策者使用刀环目标函数模糊层次分析法可以显示如下(42]。

让O= {o₁,o₂、…o_n}是一个对象集G= 是一个目标。(我= 1,2,…n)在多大程度上为每个对象分析值,(j= 1,2,…米)是三角模糊数(tfn的)提供的表1。(1)对模糊综合价值的程度我th对象被定义为 在哪里 (2)的可能性的程度 被定义为 在哪里μ(po)是最大的两个tfn的之间的交集。(3)程度的可能性要大于凸模糊数字k凸模糊数米_我被定义为 假设 ,可以确定权重系数向量 在哪里一个_我(我= 1,2,…n)n元素。(4)最后确定权重系数向量 在nonfuzzy数量W的规范化 。

基于SAMPGA和模糊,提出了一种新的多目标优化方法的刀环结构设计,流程图是描绘在图3。

4所示。案例研究

4.1。背景

多目标优化设计方法应用于优化刀具结构参数环用于输水工程,位于中国东北。TBM施工部分在这个项目的总长度为19.8公里,主要形成在这一节是ii iii型花岗岩和II-III-IV凝灰岩。使用TBM隧道开挖直径8米,和四个双刃剑17英寸(432毫米)中心圆盘刀具和43 19英寸(483毫米)正面和边缘上安装圆盘刀具TBM刀盘。一台19寸盘形铣刀前被选中作为设计对象,和两种典型结构部分(一部分A和B部分)被选为地质背景。部分是花岗岩的主要岩石类型,和岩石的UCS达到90 - 140 MPa。B部分中,主要的岩石类型是凝灰岩,岩石取样的UCS大约40 - 90 MPa。这盘形铣刀的刀间距是83毫米,和刀环的半径是241.3毫米。切削厚度是6毫米和刀盘的平均转速6.67节中r / min,而刀是10毫米的平均渗透率和刀盘的平均转速是6.67节中r / min b铁姆肯公司H926749/10轴承用于此刀。

4.2。比较SAMPGA和GA的优化结果

来验证改进的SAMPGA的收敛性和鲁棒性,实验被执行时,岩石的破坏能力的盘形铣刀是设置为目标函数和部分选择地质条件。结果相比SGA。对于两种气体,进化一代被设置为1000,个体的总数是500。SGA参数设置为交叉概率是0.8,0.05,变异概率(43),连同轮盘的策略。SAMPGA参数设为10每人口数量和50个人。初始化的交叉和变异概率随不同的亚种。具体来说,交叉概率设置为0.7 - -0.9,变异概率是0.01 - -0.1 (30.,44],变异概率动态计算生成的增长而增加。优化结果SGA和SAMPGA表中列出2和3,C.G.表示融合生成和比较温度表示收敛时间。图3显示了健身的比较对SGA和SAMPGA曲线。从表2和3和图3可以得出以下结论:(1)5操作SGA的结果有很大的不同。优化目标函数的最小值是15.2059,最大值为15.2742,这表明SGA的当地稳定性差和过早收敛。SAMPGA的五个实验的结果是相同的,和最优值为15.1782,表明SAMPGA执行比SGA的三个结构参数在所有的测试。(2)图3说明,这两个健身SGA获得的曲线有很大的不同,还有后期的变异操作。作为对比,健身SAMPGA获得的曲线几乎没有区别,是稳定的,在后期相同的值,指示SAMPGA展品在稳定性和更好的性能比SGA收敛。(3)的平均收敛代SGA超出400,而150代之前SAMPGA收敛于最优结果。从表2和3,SGA的计算时间小于SAMPGA。然而,由于收敛代SAMPGA远低于SGA,较小的进化一代可以设置为SAMPGA削弱计算时间的缺点而SGA在实际应用。

4.3。刀环结构参数的多目标优化结果

解决多目标优化模型,每个目标函数权重系数使用模糊首先需要确定。的例子计算目标函数的权重系数在花岗岩条件下,确定权重的过程。八个有经验的决策者从TBM制造商,刀具制造商,建筑公司和相关学术机构被邀请填写问卷使用语言变量在表1,从而建立模糊决策矩阵进行聚合。对于群体决策环境k专家模糊聚合可以获得决策矩阵使用方程(36)。表4展览的最后模糊综合决策矩阵目标花岗岩条件下,O₁,O₂,O₃,O₄,O₅表示岩石破坏的目标功能,为岩石破碎能耗,承载能力,磨损寿命,磨损均匀,分别。 在哪里的算术平均值tfn的构造k专家。

目标的模糊综合区段提出了如下使用方程(30.):

计算可能性的程度(V值)表中描述5利用方程(32)。

使用方程(33的最小值),程度的可能性。通过使用方程(34)和(35),最后归一化权重系数下花岗岩地质条件一节得到: 。通过使用上述方法,最终的权重系数集凝灰岩条件下获得 。排名的权重系数的花岗岩地质条件以下五个目标O₁>O₃>O₅>O₄>O₂系数,而凝灰岩条件下O₄>O₁>O₅>O₂>O₃。通过分析权重系数在不同地质条件下,它是表示TBM专家和项目建设者更多关注岩石破坏的目标功能,承载能力,和穿生活在恶劣的地质条件下岩石强度高(即。、花岗岩条件),而耐磨性性能(O4和O5)成为最顶层目标和承载能力的变化低级凝灰岩地质条件。自岩石坚硬的岩石条件下更难打破(节),轴承寿命显著受到强烈的影响和重负载在岩石断裂和磨损的刀环更严重的是由于高强度岩石。因此,O1, O3, O5选为极端重要目标的专家的意见。然而,大量的刀环相对较小的时候打破岩石强度较低(B)节,刀具的主要失效形式是正常磨损;因此,耐磨性能目标(O4和O5)以及岩石破坏凝灰岩条件下能力是最重要的目标。

适应度函数是由方程(19),每个目标函数的权重系数。SAMPGA应用于解决多目标优化模型,并得到优化结果,表中列出6。使用的原盘形滚刀结构参数在TBM项目在刀具尖端宽度是19.05毫米,边缘角20°,圆角半径5毫米。

从表6,它的值可以看出,优化刀具尖端宽度和边缘角减少,圆角半径的值略有增加相比原来的刀环花岗岩条件下。经过优化,优化目标是改善除了刀环的磨损寿命。目标函数的值的岩石破坏能力、能耗、承载能力、磨损均匀性降低了13.7%,5.7%,12.9%,和22.1%,磨损寿命增加了2.6%。因为有一些相互冲突的目标模型中,目标函数和变量之间的耦合关系是复杂的,一个优化目标的提高往往伴随着另一个目标的退化。因此,它通常是不可能获得一个最优个体适应优化过程中所有的目标。由于相对较低的磨损寿命的重量,它是恶化在优化过程中,提高了刀圈的综合性能。

凝灰岩的地质条件下,优化刀具尖端宽度和圆角半径的值略有增加,而边缘角的减少相比原来的刀。目标函数的值的岩石破坏能力,磨损寿命,磨损均匀性降低了28.1%,9.4%,和9.8%,分别,而能源消耗和承载能力增加了2.8%和3.3%。

刀环结构参数的优化结果比较在不同的地质条件下,刀具尖端宽度小于原来的花岗岩条件下刀,凝灰岩条件下相反。此外,花岗岩条件下刀具边缘角小于在凝灰岩的条件,表明它是合适的刀环适用于狭窄的边缘和小桨叶角高强度岩石条件。切割凝灰岩等低威力岩石时,刀具尖端宽度应适当考虑增加耐磨性能。刀环结构参数的优化结果随不同的地质条件,这表明地质适应性设计中应考虑刀环。本文提出的设计方法确定目标函数的权重系数基于专家知识和模糊层次不同地质条件下,实现了地质适应性设计的刀环结构。此外,它是显示在表6盘形滚刀在花岗岩的性能改进优化后比,在凝灰岩,刀环变化的结构参数与原机相比小凝灰岩条件下戒指,证明原来的圆盘刀具更适合岩石强度较低。验证了上述发现圆盘刀具的实际应用。在实际的施工过程中,原始盘刀具展览优秀的岩石破坏凝灰岩地质条件下的性能和使用寿命长。每日隧道TBM的进展可以达到30米,和刀具的磨损率环近似0.08 -0.12毫米/米。此外,圆盘刀具异常故障较少,和刀具的磨损环是统一的,验证原盘形铣刀适用于凝灰岩地质。

5。结论

本文结构参数的多目标优化设计方法开发刀环结合SAMPGA和模糊,得出如下结论:(1)基于复杂的地质条件和相应的刀环结构设计要求,建立了多目标优化模型的结构参数设计盘形铣刀戒指。岩石破坏能力、能源消耗、承载能力、磨损寿命,和盘形铣刀磨损均匀选为目标,刀圈的几何结构,确定极限承载能力和刀盘驱动性能作为约束条件。SAMPGA是用来解决优化问题,并采用模糊多目标组合到一个单一的目标函数。(2)该方法应用于案例研究TBM刀环结构设计的项目。优化后,岩石断裂性能和盘形铣刀的使用寿命提高。花岗岩的条件下,岩石破坏的表现能力,能源消耗,承载能力,和磨损均匀性提高了13.7%,5.7%,12.9%,和22.1%,磨损寿命下降2.6%的性能。岩石破坏的表现能力,磨损寿命,磨损均匀性提高了28.1%,9.4%,和9.8%,分别,而能源消耗和承载能力的恶化在凝灰岩地质条件下了2.8%和3.3%。(3)优化结果由SAMPGA比SGA的测试。的收敛代SAMPGA小于SGA, SAMPGA的鲁棒性优于SGA。利用SAMPGA有效地解决了过早在结构优化和局部收敛问题。(4)地质适应性设计中应考虑刀环。岩石破坏能力、承载能力和磨损均匀切割时应视为最高的目标高强度岩石,而磨损寿命和岩石破坏能力低威力岩石条件下应该放在首位。是适当应用刀环窄边和小桨叶角在花岗岩条件,而刀具尖端宽度应适当考虑增加耐磨性性能状况凝灰岩。刀环结构的地质适应性设计实现了使用该方法基于动态权重系数。

应该注意的目标函数优化设计模型解决的前提,刀环可以侵入岩石平稳,满足在上述TBM项目。然而,在一些TBM项目,遇到的UCS TBM的围岩将达到200 MPa,甚至超过300 MPa。盘形滚刀很难穿透和打破岩石在这样恶劣的地质条件。此时,TBM建筑商愿意代替传统的刀环与重narrow-edged刀环。因此,渗透能力,以及stiffness-strength盘形铣刀,应考虑未来的工作并将其添加到模型中。此外,其他相关目标(例如,岩石裂缝的数量)将考虑提高该方法。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家重点研发项目(没有。2018 yfb1306700),中国国家自然科学基金(没有。51905550),该项目由中国博士后科学基金会(没有。2019 m652795),中国国家基础研究项目(没有。2013 cb035401),项目关键技术和集成示范绿色再制造盾构机。

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