一种基于熵权优劣解法进行滚刀性能的综合评价方法

技术领域

本发明涉及机械制造和岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于熵权优劣解法进行滚刀性能的综合评价方法。

背景技术

隧道掘进机和盾构机凭借着优越的性能和更高的效率被广泛用于公路、铁路、地铁、市政、水电等隧道工程。滚刀作为隧道掘进机和盾构机的重要部件，其性能优劣直接影响到隧道的掘进效率和施工成本。在众多滚刀产品中，如何挑选出符合隧道施工工况、综合性能最优的滚刀将有助于提升工程施工效率并为施工企业带来更为可观的效益。

目前，有关滚刀的评价主要集中在耐磨性和磨损预测两个方面。而绝大多数研究都基于美国科罗拉多矿院提出的CSM模型和挪威科技大学提出的NTNU模型以及以上两模型的改进模型。基于Rabinowicz磨粒磨损方程和CSM滚刀破岩模型滚刀磨损预测的准确性在广州地铁、广深港狮子洋隧道、深圳地铁等项目被证明了。虽然上述磨损预测模型对某些项目适用，但也存在一些问题，如根据实测数据发现CSM和NTNU模型预测结果差异大以及通用性不强等。此外，关于刀盘性能评价或刀盘选型的研究已经较为深入。通过对刀具破岩机理、刀盘布局设计及掘进性能评价等调研发现，刀盘结构影响因素较多，刀盘的性能评价需要考虑多方因素。综合刀盘的结构性能、刀具布置、力学性能、经济性、安全可靠性和环境适应性等多方因素进行的数学建模形成了一种基于模糊数学与评价理论，而该理论也为施工过程中的刀盘方案选型决策提供一种新方法。

综上所述，现有研究均以刀具磨损或刀盘综合评价为主，针对滚刀刀具性能的综合评价方法目前仍存在空白。同时也急需一种评价方法实现刀具的优选。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于熵权优劣解法进行滚刀性能的综合评价方法，以实现滚刀性能的评判。

一种基于熵权优劣解法进行滚刀性能的综合评价方法，具体包括以下步骤：

S1、以隧道掘进机的滚刀为对象，定义综合评价指标并建立决策矩阵；

所述综合评价指标包括硬度、冲击韧性、承载力、滚刀直径、启动扭矩、密封性能、轴承类型、刀刃宽度、刀刃角度。

根据n个滚刀产品及每个产品m个评价指标建立决策矩阵：

其中，x

S2、将各个综合评价指标统一单位，然后对不同指标类型进行正向化处理；

所述将建立的决策矩阵X进行正向化和归一化处理，得到指标正向化的决策矩阵Z；

其中，对于越大越优型指标按照公式

对于越小越优型指标按照公式

对于中间型指标按照公式

对于区间型指标按照公式

S3、根据熵权法公式计算各个评价指标的权重；

所述权重的计算，利用正向化且归一化的决策矩阵Z计算第i个因素的第j个选项的比例

S4、根据标准化决策矩阵确定优劣解；其中最优解为标准化决策矩阵各项指标的最大值，最劣解为标准化决策矩阵各项指标的最小值。

所述最优解为

所述最劣解为

z

S5、结合不同指标权重计算每个评价对象到最优解和最劣解的距离和贴进度；

计算每个评价对象到优劣解的距离计算采用带权重的欧式距离计算方式；其中评价对象到最优解距离为

根据最优解与最劣解计算贴进度

S6、根据贴进度对评价对象进行排序，其相对贴进度越大，评价结果越好，得到评价结果，即得到的刀具综合性能最优。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供一种基于熵权优劣解法进行滚刀性能的综合评价方法，能够利用刀具的参数对其进行综合性能评价，这将有助于现场工作人员选择性能优异的滚刀，降低施工成本。

附图说明

图1为本发明实施例中综合评价方法总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种基于熵权优劣解法进行滚刀性能的综合评价方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

S1、以隧道掘进机的滚刀为对象，定义综合评价指标并建立决策矩阵；

滚刀的综合评价需要科学合理的评价指标体系。该体系的建立需要满足系统性、典型性、层次性、综合性、可获得性等原则。同时，每个指标的衡量标准或计算方法应当相同，方便对指标进行分类排序。此外，对于重复、关联性小、无法转换为相同衡量标准的指标应对予以剔除，以提升评价体系的科学性。根据我们对不同厂家滚刀的调研以及一些公开的刀具数据，我们共选取了6把滚刀和三个属性参数作为滚刀综合评价的依据，如表1所示。

表1：不同刀具产品的属性

其中，硬度指标是材料局部抵抗硬物压入其表面的能力，是比较不同滚刀材料软硬的指标，这里用洛氏硬度表示。冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，它反映了材料内部的细微缺陷和抗冲击性能，也反映了金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力，这里用冲击韧度表示。为使指标的衡量标准和计算方法相同，硬度、冲击韧性指标进行了统一转换。承载能力是指单个滚刀能够承受的最大荷载，该属性通常与滚刀的尺寸有关。以上述指标为参数建立决策矩阵；

S2、将各个综合评价指标统一单位，然后对不同指标类型进行正向化处理；

所述将建立的决策矩阵X进行正向化和归一化处理，得到指标正向化的决策矩阵Z；

其中，对于越大越优型指标按照公式

对于越小越优型指标按照公式

对于中间型指标按照公式

对于区间型指标按照公式

根据每个因素的得分计算每个因素的权重值为(0.211，0.208，0.581)。

S3、根据熵权法公式计算各个评价指标的权重；

所述权重的计算，利用正向化且归一化的决策矩阵Z计算第i个因素的第j个选项的比例

三个用于评价滚刀的属性均为越大越优型指标，运用熵权法中的公式将决策矩阵进行归一化处理，得到标准化的决策矩阵：

S4、根据标准化决策矩阵确定优劣解；其中最优解为标准化决策矩阵各项指标的最大值，最劣解为标准化决策矩阵各项指标的最小值。

所述最优解为

所述最劣解为

z

此时z

S5、结合不同指标权重计算每个评价对象到最优解和最劣解的距离和贴进度；

计算每个评价对象到优劣解的距离计算采用带权重的欧式距离计算方式；其中评价对象到最优解距离为

根据最优解与最劣解计算贴进度

S6、根据贴进度对评价对象进行排序，其相对贴进度越大，评价结果越好，得到评价结果，即得到的刀具综合性能最优。

本实施例中对评价对象进行排序，见表2。

表2：综合优劣解距离与贴进度

本实施例的一种基于熵权优劣解法进行滚刀性能的综合评价方法，评价盾构TBM刀具性能，包含但不限于滚刀刀具。针对盾构TBM滚刀及刮刀刀具，可以采用但不限于承载能力、耐磨性、抗冲击能力/刀圈韧性等多种参数。承载能力可采用盾构TBM掘进模态综合实验平台及三向力传感器测量，测量精度达到±0.1kN。耐磨性可采用盾构TBM掘进模态综合实验平台及三维摄像测量系统测量，检测精度达到0.01mm/m；或采用高精度计量称测量，检测精度达到0.01g/mm。抗冲击能力/刀圈韧性采用摆锤式冲击试验机测量，检测精度达到±0.1J/cm

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。