基于岩土性能在线监测的实时挖掘系统研究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1、目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1背景及国内外研究现状

1.1.1研究背景

岩土工程是欧美国家于20世纪60年代在土木工程实践中建立起来的一种新的技术体制。岩土工程是以求解岩体与土体工程问题,包括地基与基础、边坡和地下工程等问题,作为自己的研究对象。

岩土是不确定性系统,即实际岩土工程中存在着固有的不确定性[1]。这种不确定性总体上涉及:随机性、模糊性、信息不完全性和信息处理的不确切性[2]。正因为这些不确定性,导致了很大程度上岩土工程的设计、施工、监测以及决策主要依赖于工程师的工程经验和工程判断[3]。但是,由于岩土自身性质的模糊性和地质勘探技术的局限性,让施工过程中的岩土问题更加复杂,再加上外界因素的影响,岩土模型的选取和力学分析的难度就更大[4]

而随着社会不断发展,土地退化、人口爆炸、资源短缺、环境脆弱等问题越来越受到各界各方面的关注。在这种情况下,世界各国日益重视地下空间的开发利用,把地下空间当成一种新的国土资源。据不完全统计,我国近年来,每年有180 km的水工隧洞,40 km的采矿巷道,270 km的铁路隧道,30 km的地铁隧道,3.4万 km的微型隧道需要开挖[5]。同样,在煤矿等行业里,挖掘机械更是尤为重要。因此,关于岩土工程的研究需要愈发的深入与重视。但是,目前的挖掘机械大都只能挖掘较软的岩石,遇到更坚硬的岩土则需更换钻头,极大的降低了挖掘机械在实际工作时的工作效率,也减少了钻头的使用寿命,造成了极大的资源浪费。

为了增加钻头的使用寿命和挖掘机械的工作效率,振动切削技术被逐渐应用在岩土工程的研究中。振动切削是在传统的切削过程中给刀具(切削刀)施以某种参数控制的有规律的振动而进行切削的一种技术和方法[6]。目前,振动切削技术在机械加工、土壤耕作、岩石破碎及岩土挖掘等方面均有成功的应用。自从日本学者隈部淳一郎[7]提出振动切削理论以来,由于振动切削技术具有显著的优越性,振动切削设备已在机械加工生产中得到广泛应用,而如何把这种技术应用于岩土的振动掘削即将振动切削技术应用在传统的挖掘机械上,使能够更有效地应用于地基基础开挖、深海采矿工程、煤矿建设、挖掘施工等,这就引起了各国学者的深入思考和研究[8]

1935 年俄国[9]的科研人员首次报道了关于通过振动减小铲刃掘削土壤所需力的应用情况。20 世纪50 年代以来,由美国工程师Mogami 和 Kubo[10]等人完成了关于振动载荷作用于土壤所产生的效应的基础研究。后来,Boyd和Nalezny[11]于1967年提出了由弹性力和库伦摩擦力组成的数学模型用于模拟铲刃水平振动时的挖掘情况。1974 年Kezdi[12]提出土壤在振动载荷作用下发生触变变形的现象。于2004年,日本Muro[13]等人针对振动切削凝灰岩石进行了试验研究。经测定,振动时的水平切削阻力与无振动时的水平切削阻力之比随着振动频率的增加呈双曲线急速下降,呈正弦波振动时的挖掘比呈三角波振动时的挖掘效率明显提高。

在国内,中国矿业大学荆元昌[14]等人在自行设计建立的实验室振动截割试验台上,使刀具与煤样在相对振动的情况下进行截割破碎。通过改变振动频率、振动振幅、振动波形、截割对象、截割截距以及振动与截割的相对方向、截割与层理的相对方向,来研究各参数对实际主截割力及单位能耗的影响。试验是以单刀齿与煤样在相对振动的情况下进行模拟实际采煤的截割过程,利用相似理论建立了试验模型,然后采用正交试验法对模型采取优化试验[6]。2005年,湖南山河智能股份有限公司[15]针对液压挖掘机在使用过程中能量利用效率和工作效率较低等现实问题,提出将振动理论应用到挖掘机的工作中的观点,并对此进行了深入的研究,利用 ULTRONICS公司的电子式液压总线多路阀设计了挖掘机的振动切削控制系统,并对系统进行了试验验证。南京晨光集团有限责任公司掘进机分公司则根据俄罗斯图拉国立技术大学的振动截割式掘进机的理论和试验,采用惯性冲击式激振器和弹性缓冲附加在普通纵轴式掘进机工作机构的掘进头上,明显提高单齿截割力,降低截割比能耗。

振动切削的实质就是将瞬态载荷施加在岩土中,产生的应力脉冲作用于岩土的裂缝中,引起裂纹的高速扩展、分叉,最后导致破碎。同时振动冲击产生的压缩波在岩石自由面反射成拉伸波,这些拉伸波叠加起来常常出现很大的拉应力,常常使岩石在较低的拉应力作用下破坏。另外,振动切削改变了刀具的部分受力情况,截齿不振动切割时,刀具侧面受岩体的作用,形成摩擦与粘附力,刀具振动后,截槽被刀具的振动作用形成一个比刀具宽度大的断面,因而刀具侧面所受的摩擦力与粘附力大大减少[6]。因此,在岩土工程中振动切削技术的实际应用开始广泛起来,如液压破碎锤、振动式海底取样钻机[16]、振动式冻土钻机等,都是通过这种技术提高切削效率,减少能量损耗。但是,在岩土工程中的振动掘削技术,国内的研究应用与国外相比,国内对振动掘削技术的理论基础及应用研究较为薄弱,能够投入生产的设计有限,且多是试验室产品,真正符合市场需求的挖掘机械不多,无论是在研究条件上还是工作经验上,仍与国外具有一定的差距。

1.1.2国内外研究现状

伴随计算机技术的兴起,挖掘机械现在已经开始着重于由机电液一体化控制方式实现的振动掘削,比早期的机械式振动迈出了一大步,这对进一步研究岩土振动掘削起到积极作用。通过信息计算机技术和人工智能技术进行综合交叉研究,通过计算机的推理、优化和综合集成等功能实现岩土工程中发现、分析、解决问题过程的智能模拟[4],成为了岩土工程研究的一个新方向。

近年来,随着计算机对岩土工程数据的生成、收集、存贮和处理能力的大大提高,数据量与日俱增,传统的数据分析工具对海量数据缺乏二次分析能力[17]。数据挖掘技术作为一种掘削能力强、效率高以及能耗低的掘削方法与控制策略[18],被各国专家学者所重视。

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