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基于模拟实验的盾构刀具受力特征及其聚类分析研究

作　者: 林世响
导　师: 侯振德
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 土压平衡盾构掘进实验装置刀具传感器聚类分析土介质识别
分类号: TU621
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

盾构伴随着人类社会对地铁，公路隧道，地下商场等地下空间的基础设施建设的需求增加，得到了不断地发展和广泛地应用。其具有体积大、结构复杂、工作环境恶劣等特点，国内在盾构研究和开发上还有很大不足。盾构刀盘刀具是盾构机的最重要的部件之一，它是直接挖掘隧道的损耗件。对盾构刀盘刀具的研究是盾构研究中最重要部分。因此，充分了解盾构刀盘刀具工作中的力学规律研究至关重要。为了探索盾构掘进机的刀盘的掘进机理和刀具受力特点，依据实际土压平衡盾构机的基本结构，按比例缩小设计了模拟盾构刀盘掘进实验装置，并在不变刀具外形的前提下，研制了刀具与传感一体化的刀具传感器。该装置既可测量刀盘轴向推力，扭矩也可测量刀具切削阻力。实验证明了所研制的刀具传感器的有效性，具有挖掘和监测挖掘时的切削阻力双重功能，且解决了刮刀中多个力耦合问题，能够分别测量刮刀的切削力和轴向阻力。基于本模拟盾构刀盘掘进装置，本文系统地对粘土、粉土、粗砂土这三类土介质进行多种不同条件下的挖掘实验，同时实时采集了各传感器所采集的数据。利用波形分析和频谱分析这两种信号处理方式对这些数据进行分析和研究，得到了模拟盾构刀盘在掘进中的刀盘轴力和扭矩曲线的变化规律，刀盘上不同位置的刀具力学特征的分布和变化规律。本文还从模拟盾构刀盘刀具对不同挖掘对象下的刀盘刀具的切削力曲线和其功率谱中提取了六个特征要素，进行组间平均链接法以欧几里德平方距离为测度的无监督聚类分析。聚类分析结果是实际土介质分组完全对应，充分说明聚类分析这模式识别方法对盾构刀盘刀具挖掘不同土介质具备识别性，为实际中盾构挖掘进程中的土介质识别和基于土介质识别的盾构智能反馈控制寻找到一种可行的方案。同时得到模拟盾构刀盘对不同土介质的识别差异和相似度上的距离对比情况。为实际工程中的盾构实时的土介质监控和识别提供了一种可行的思路。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪  8-17
  1.1 盾机简介  9-12
  1.2 盾机盘具的研究现状  12-14
  1.3 机数据处理和模式识别研究  14-16
    1.3.1 随机数据处理方法研究  14-15
    1.3.2 数据测试系统中的模式识别研究  15-16
  1.4 本文的研究内容  16-17
第二章信号处理和聚类原理  17-29
  2.1 所得信号的数据处理方式  17-25
    2.1.1 动态测试的波形分析  17-19
    2.1.2 动态测试的频谱方法  19-23
    2.1.3 动态测试的功谱方法  23-25
  2.2 基实测数据的模式识别方法  25-29
    2.2.1 模式识别的基本概念  25-26
    2.2.2 模糊数据聚类的基本原理  26-27
    2.2.3 本文选用的数据聚类算法和识别流程  27-29
第三章盾盘研究的装置和条件  29-45
  3.1 盾盘具的特点  29-32
  3.2 实验中的土介质及其对盘具的影响  32-33
    3.2.1 实验中的土介质  32-33
    3.2.2 实验中的土介质对盘具的影响  33
  3.3 盾盘研究方法的比较  33-35
  3.4 模拟盘掘进装置的总体计  35-37
  3.5 具传感器计  37-45
    3.5.1 具传感器计依据  37-39
    3.5.2 具传感器的基本原理和计  39-43
    3.5.3 具传感器的标定和使用  43-45
第四章盾具模拟测试研究  45-64
  4.1 模拟盘掘进过程中的盘力学特征测试  45-54
    4.1.1 盘主轴轴力和扭矩变化测试结果和  45-46
    4.1.2 盾具受力布研究  46-54
  4.2 模拟具对土介质的识别  54-62
    4.2.1 本文研究使用聚类流程  55-56
    4.2.2 实测数据的预处理以及特征提取  56-57
    4.2.3 对多组实测数据聚类  57-62
    4.2.4 聚类结果  62
  4.3 本章小结  62-64
第五章结和展望  64-66
  5.1 结  64-65
  5.2 展望  65-66
参考文献  66-70
表论文和参加科研情况说明  70-71
致谢  71

基于模拟实验的盾构刀具受力特征及其聚类分析研究

内容摘要

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