盾构机回转支承测试系统设计文献综述
2020-04-16 14:56:22
文 献 综 述
1课题背景及意义
盾构机是盾构法施工中的主要施工机械。盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法,它使用盾构机在地下掘进,在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时,在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。回转支承是一种内圈或者外圈带有传动齿轮、可以通过小齿轮啮合传动扭矩的巨型滚动轴承,其旋转座圈与机械的旋转部分连接,固定座圈与机械固定部分连接,结构借助这个大滚动轴承来传递载荷,并由轴承上的齿圈实现机械旋转部分与相对固定部分的回转。
盾构主轴承是连接盾构刀盘系统与动力系统的关键部件,多采用回转支承,其寿命和可靠性直接影响盾构机械的施工安全。盾构主轴承的使用工况环境一般较差,导致了主轴承的使用寿命相对较低,用于盾构主轴承的三排滚柱式回转支承尺寸较大,滚动体数目较多,每列的滚动体数目一般在几十个到上百个之间,为了使这些大型设备能够稳定、可靠的运行,必须对此进行设备状态监测。
下面我要通过国内外的研究了解课题。
2.国内外进展情况
时间 |
作者 |
发表刊物 |
研究内容 |
2002 |
候宁 |
建筑机械 |
影响回转支承承载能力的四个参数 |
2003 |
龚群协等 |
噪声与振动控制 |
大型回转支承振动诊断技术应用研究 |
2005 |
高立新等 |
北京工业大学学报 |
大型齿轮箱回转支承故障诊断 |
2006 |
王兴东等 |
轴承 |
回转支承运行状态的监测方法 |
2007 |
刘宏志 |
隧道建设 |
BM及盾构机设备状态监测与故障诊断实用技术综述 |
2008 |
郜立焕等 |
流体机械 |
大型风机的状态检测及分析 |
2009 |
罗太景 |
煤矿机械 |
单排交叉滚柱式回转支承保养维护与故障诊断分析 |
2009 |
夏晓中 |
研究与设计 |
南京长江隧道泥水盾构机状态监测方案设计与实施 |
2009 |
张松杰 |
山西建筑 |
浅谈盾构的选型与关键参数的选择 |
2009 |
Yang Huayong |
tunneling machine Automation in Construction |
Electro-hydraulic proportional control of thrust system for shield |
2010 |
陈闽杰等 |
润滑与密封 |
大型盾构机主轴承润滑故障诊断与对策 |
2010 |
陈佳璋 |
传动技术 |
大直径( 11 .58 m)盾构机刀盘驱动装置用回转支承国产化的探讨 |
2010 |
李秋秋等 |
机电工程技术 |
油液分析在大型盾构机状态监测中的应用 |
2010 |
朱飞等 |
轴承 |
基于LabVIEW的回转支承测控系统数据库的访问 |
2011 |
余海东等 |
中国机械工程 |
盾构机主轴回转支承轴承刚度及变形特性研究 |
2011 |
刘志军等 |
现代制造工程 |
回转支承的故障监测诊断技术研究 |
2012 |
Haibo Xie |
Tunnelling and Underground Space Technology |
Automatic trajectory tracking control of shield tunneling machine under complex stratum working condition |
2012 |
Yue Ming |
Automation in Construction |
Dynamic coordinated control of attitude correction for the shield tunneling based on load observer |
2012 |
张慧芳等 |
机械设计与制造 |
大型回转支承故障信号处理方法综述 |
2012 |
赵炯等 |
制造业自动化 |
盾构关键部件在线监测与远程诊断技术研究 |
2013 |
刘杰,卿启湘,文桂林 |
工程设计学报 |
EPB盾构机推进系统振动响应分析 |
2013 |
陈张亮 |
科技创业家 |
分析回转支承运行状态的若干监测方法 |
2013 |
王东育 |
工程技术 |
工程机械回转装置的回转支承选型 |
2013 |
司东宏等 |
轴承 |
径向载荷作用下盾构机主轴承的有限元分析 |
2014 |
孙成才 |
养护施工与机械 |
地铁区间隧道盾构法施工中的测量技术 |
2014 |
郭刚涛等 |
煤矿机械 |
小型挖掘机回转支承的故障诊断方法 |
2014
|
Hu Shi |
Automation in Construction |
Energy saving of cutterhead hydraulic drive system of shield tunneling machine |
2015 |
田鹏 |
山东工业技术电子技术 |
盾构关键部件在线监测与远程诊断技术构架和实践 |
2015 |
高雨 |
工程技术 |
港口大型门座起重机回转支承故障机理分析 |
2015 |
韩向远等 |
机械工程师 |
基于ZigBee技术的智能型盾构机主轴承设计 |
2015 |
杨杰等 |
南京工业大学学报(自然科学版) |
基于小波-能量模式的回转支承故障诊断方法研究与应用 |
2015 |
Qian Zhang |
Tunnelling and Underground Space Technology |
Mechanical characterization of the load distribution on the cutterhead#8211;ground interface of shield tunneling machines |
2015 |
封杨等 |
南京工业大学学报(自然科学版) |
大型回转支承非平稳振动信号的EEMD-PCA降噪方法 |
3.分类和选型
3 .1盾构机的分类和选型
在软土隧道和有水压的情况下, 一般采用密封式盾构机, 密封式又有泥水式和土压式两种。
土压式盾构主要有两类:一类是将开挖地的土体充填在土舱内, 用螺旋输送机调整土压, 保持工作面的稳定。这种盾构机仅适用于可用切削刀开挖且含砂量小的塑性流动性软黏土。另一类是向开挖面注入水、泡沫、膨润土、CNC 等添加剂, 通过强制搅拌使土砂具有良好的塑性、流动性和止水性, 较好地传递土压, 保持开挖面的稳定和土砂的顺畅排出。这种盾构机适用范围较广,可用于冲积黏土、洪积黏土、砂质土、砂砾、卵石等土层, 以及这些土层的互层。对土压式盾构, 会出现砂性土排土困难, 掘进机刀头、刀盘的磨损, 以及在含水砂层透水系数大、孔隙水压高时土舱顶部产生空隙的危险。
泥水式盾构是将泥浆送入泥水室内, 在开挖面上用泥浆形成不透水的泥膜来对抗作用于开挖面的土水压力。泥水式盾构机适用的地层范围很大, 从软弱砂质土层到砂砾层。泥水式盾构由于采用管道输送, 工作面全密封, 安全性高, 在软弱互层地段也适用。通过泥浆施加合适压力, 控制排土量, 可使地层变形小, 对环境几乎不产生影响。泥水式盾构特别适用于冲积、洪积的砂砾、砂、亚黏土、黏土层或多水互层的土层;有涌水工作面不稳定的土层;上部有河川、湖沼、海洋等水压高、水量大的地层。泥水式盾构的泥浆处理设备设在地面, 需占用较大的面积, 这成为在城市密集区应用的不利因素 [1] 。
3.2回转支承的分类和选型
3.2.1按结构形式分为四个系列
1) 单排四点接触球式(0 1 系列)
2)双排异径求式(0 2系列)
3)单排交叉滚柱式(11系列)
4)三排滚柱式(13系列) [2]
3.2.2回转支承的选型
对当今最典型、应用最普遍的回转支承四大类型进行比对分析、计算, 在滚道直径和横断面结构尺寸相近时, 交叉i新主式的动承载能力较高, 四点接触球式的静承载能力较高, 三扫踌斜主式的综合承载能力最高, 三排滚柱式的承载能力则较低。
对其技术性、绍齐胜进行对比分析, 采用如下指标:
1) 技术性能指标;
2) 经济型指标。
式中:M 为回转支承所承载的最大倾覆力矩;W 为回转支承的自重; S 为回转支承的制造价格。通过对生产使用的近5 0 0 多种不同规格回转支承, 进行值计算分析得出结论为二单位自重允许负荷力矩, 当滚道直径D 较小时, 交叉滚柱式结构最差, 单排四点接触式结构较好二当滚道直径D 大于1.7m 时, 三排滚柱式结构最好 [3] 。
大型回转支承是一种滚动轴承。其旋转座圈与机械的旋转部分连接, 固定座圈与机械固定部分连接, 机构借助于这个大滚动轴承来传递载荷, 并由轴承上的齿圈实现机械旋转部分相对固定部分的回转。大轴承具有直径大(D =600 ~ 5000mm)、转速低(n lt;1 ~ 2rpm)、载荷重(旋转部分往往重达几十吨乃至几万吨), 能同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩的特点。大轴承的结构形式有:单排四点接触球式、双排异径球式、单排交叉滚柱式和三排滚柱式四种, 如图1所示, 其齿圈有内啮合和外啮合之分。
大直径盾构掘进机驱动装置用回转支承是盾构机的关键部件之一, 既行齿轮啮合传动, 又有滚动轴承的承载要求, 且在施工中受力情况较复杂, 要精确计算其寿命有一定难度, 国内尚未制定盾构机用回转支承的标准。目前, 几乎所有国内的盾构机用回转支承仍依赖进口[4]。
图1 大轴承的分类[4]
(1)单排滚珠, (2)双排滚珠,
(3)交叉滚柱, (4)三排滚柱
4.测试系统的组成及原理
4.1状态监测
采用锤击法测试叶轮部件的固有频率。锤击法测试是基于脉冲激励的原理, 属宽带瞬态激励。激振工具为一只带有力传感器的敲击力锤, 力锤传感器测得输入脉冲力信号, 加速度传感器测得输出信息。用力锤敲击被测试件, 若力锤敲击时间足够短, 作用在试件上为一冲击脉冲,脉冲中包括了从零到无限大的所有频率的能量,且频谱连续。只有当与被测试件的固有频率相同时, 相应的频率分量才对被测试件起作用。激励被测试件以其自身的固有频率作自由振动。在脉冲力宽频信号的激励下, 就能把试验部件的所有各阶固有频率都激发出来。锤击法是一种最简便的激励方法, 通过力锤瞬态激励测试叶轮叶片、口环、立盘及平台的固有频率, 测试频谱和时域 [5] 。
在线监测与远程诊断系统总体结构需包含几大功能:数据采集及传输、机载控制、远程通信及远程监控,基于此,笔者根据其功能性区别将其分为四大模块,分别为:(1)数据采集传输模块:振动信号监测、压力信号监测、流量信号监测及温度信号监测;(2)机载控制模块:数据计算管理库、数据信息采集库及智能信息库;(3)远程通信模块:光纤通信、卫生通信及无线电波通信;(4)远程监控模块:监控、预警及故障诊断[6] 。
监测系统设计框图如图2[7]所示(实线表示液压油路,虚线表示信号电路),将监测装置并联在泵站及压力控制回路中泵的出口。为了控制通过监测装置的油液的流速和流量,在装置的入口串入了调速阀,确保通过监测装置的油液流动处于层流状态。选取常用牌号油液,然后按ISO4406标准配制各污染度等级的标准油样,对各污染度等级悬浮液在室温下进行光电传感试验,得出油液透光率与污染度等级的关系曲线,从而确定油液污染度等级与智能光电传感器输出电压的关系,把此关系固化在系统ROM中。当液压系统运行时,泵排出的油液一部分通过监测系统,当油液污染度发生变化时,智能光电传感器的输出也随之变化。采样某时刻智能光电传感器的输出,送入微处理器经过数字滤波后通过查表便可确定油液的污染度等级,并通过LED显示。此外当油液污染度接近允许的最大值时,系统将会发出报警信号,提醒操作人员停机待修或进行其它相关处理。键盘用来选择油液品种、系统初始化等 [7] 。
图2 监测系统组成框图[7]
4.2振动测试
大型回转支承分析系统主要采用多通道振动测试, 如图3[8]所示
图3 大型回转支承装置测试图[8]
大轴承的振动分析分为时域分析和频域分析两种。
4.2.1时域分析技术
针对不同的故障类型, 可以采用不同的时域诊断技术, 或者将几种诊断方法结合使用。
(1) 振动能量值统计
(2) 冲击脉冲延迟分析
(3) 峰-峰值变化量统计
4.2.2频域分析技术
和振动的时域波形诊断一样, 频谱分析也是对大轴承进行异常诊断的一种有效方法。除了可对旋转机构传动系统进行频率分析外, 对大轴承发生故障时的特征频率也可进行早期的分析和诊断。
(1) 全频带的振动总量统计
(2) 旋转机构传动系统分析
(3) 高频带能量分析
除了上述诊断方法外, 还有类比法和跟踪法。类比法是将同型号, 同规格的大轴承在同样工况条件下, 采用同样测试方法所得到的数据图谱, 作相互比较, 以判断其状态和故障的方法。跟踪法则是通过对同一台大轴承作定期测试, 按时间前后进行比较作趋势分析, 以期找到大轴承状态劣化的拐点, 进行预测预报【8】。
4.3故障诊断
回转支承产生故障时,其振动信号的频域特性将发生明显变化,与正常工况下振动信号频域特性相比,主要表现在:回转支承故障特征频率的产生使其相应频率带内的频率成分增加,导致其对应频带内能量相比其它频带内能量明显增强。所以,可以根据故障回转支承和正常回转支承的振动信号各自对应的相同频带内的能量变化来反映回转支承的故障情况,从而来对回转支承进行故障模式诊断【9】。
回转支承不同于一般轴承,其体积较大,转速较低,结构较复杂,试验信号的采集较为困难。回转支承通常工作环境较为恶劣,故障信号相对较微弱且频率低,传统的故障诊断方法并不适用,然而利用小波分析结合Hilbert 谱分析的方法对回转支承的故障诊断却有着很好的效果,尤其是对其故障特征频率的判断;另外,运用MATLAB 运算速度快,程序编制也十分方便,对于回转支承的故障诊断来说是一种可行的方法【10】。
目前应用在回转支承故障诊断方面的方法有很多种,根据故障来源可以分为振动信号、摩擦力矩信号、声发射信号、油液信号诊断方法等。
回转支承故障信号处理方法:EEMD 和EEMD-MSPCA 信号处理方法,双树复小波变换方法,基于知识的信号处理方法,基于遗传算法的信号处理方法,全息谱信号分析方法。
随着故障诊断技术的不断完善,应用于大型回转支承的故障诊断技术也将不断完善,同时用于其信号处理方面的方法也将不断完善与革新。(大型回转支承的信号一般为振动信号)。
(1)传统的频谱分析方法、小波方法等,在大型回转支承故障诊断信号处理方面将日趋完善;
(2)EEMD-MSPCA(振动及声发射信号)、专家系统(复合信号)、神经网络(复合信号)、全息谱(平稳振动信号)、遗传算法(复合信号)等方法将在大型回转支承的信号处理领域发挥更大优势;
(3)而EEMD、双树复小波等方法在中小型回转支承上有比较大的发展前景,而对大型回转支承的信号处理应用较窄;
(4)多种方法相结合的方法,将是大型回转支承故障诊断信号处理方面的研究热点,这样可以取其中方法的优点,去除自身缺点【11】。
根据故障监测和诊断技术机理的不同,回转支承的故障监测诊断技术主要包括: 振
动信号的故障监测诊断、温度信号的故障监测诊断、摩擦力矩的故障监测诊断、声发射故障监测诊断和应力波监测诊断等。振动信号的故障监测和诊断技术故障回转支承元件的损伤点在运行过程中反复冲击与之接触的其他元件表面,可产生低频振动信号,因此对于滚道疲劳剥落、磨损及滚珠破损、保持架碎裂等故障形式可通过监测振动信号,从中提取有效的故障信息。对于振动信号的分析包括: 时域分析、频域分析和时频域分析。
4.3.1温度信号的故障监测和诊断技术
回转支承在使用过程中由于缺油、少油或由故障引起的碰撞和摩擦加剧等原因都会使温度升高。因此回转支承的温度可在一定程度上反映其运行的状态。回转支承的内部结构、各部件的物理特性、温度传感器的安装位置和回转支承外部载荷条件及环境温度都会影响回转支承温度场的分布状态。因此在回转支承的温度监测中,不同类型的回转支承应依据实际工况条件设定相应的报警阈值。
4.3.2应力波监测诊断技术
应力波与声发射现象不同,当低速机械载荷稳定、部件表面所受应力达到材料强度时将产生细微裂缝,为保持能量守恒,部件将会由高能态转换为低能态,在此过程中将产生应力波。应力波是指完全失效组件之间的摩擦作用引起的表面波,是由金属间的摩擦和磨损产物的运动引起的,当结构内部损伤引起应力集中、裂纹扩展等都会引起应力波的散射和能量吸收。应力波以瑞利波的形式传播,适用于回转支承诊断。由于应力波传播过程中纵波的衰减速率较横波衰减速率小,因此一般回转支承应力波的监测选择纵波模式,而且所选择的应力波传感器须对纵波的响应灵敏度高,以消除横波的影响。在实际应力波发射过程中伴有大量噪声,如不注意处理噪声,将影响诊断的效果。
在回转支承监测诊断技术中,基于振动信号的诊断技术适用于滚道疲劳剥落、磨损及滚珠破损、保持架碎裂等故障形式。对于从振动信号中提取故障特征频率,HHT 法的优势在于: HHT 运用具有自适应的分解特性EEMD 分解,相比WT 法更适用于回转支承局部缺陷信号的诊断。而基于声发射的监测诊断技术的优势在于不受系统振动及噪声的影响、预警时间早,但需采样率( MHz 级) 及较长的采集样本,且高频声发射瞬态衰减特性也影响了诊断效果。而基于应力波检测诊断技术,根据所发射的应力波特点和诱发应力波发射的外部条件,不仅可以了解缺陷的目前状态和缺陷的形成历史,也能预测实际使用条件下的扩展趋势。基于温度的监测诊断技术适用于回转支承缺少润滑脂,或者滚动体破损、保持架碎裂等故障形式,而基于摩擦力矩的监测诊断技术适用于回转支承滚动体破损、保持架碎裂等故障形式,由于与工况一致的报警阈值难以确定,这两种方法只能起到辅助的诊断作用【12】。
4.4硬件与软件
4.4.1软件
如图4所示, LabVIEW与s7 -200 之间通过自由口通信实现数据的交换, 在LabVIEW中利用LabSQL工具包内置功能的组合调用实现对SQLServer的访问。SQLServer支持数据的局域网及远程访问, 试验数据可在企业的ERP系统中进行统一管理。上位机利用LabVIEW进行功能组态, 以结构化和模块化为思想进行设计, 包括试验参数及控制模块、过程数据监测模块、数据管理模块和报表生成模块, 如图5所示。其中, 在手动操作情况下, ”试验参数及控制”界面及”当前数据存储”按钮为灰(不可操作), 其他功能正常使用;在PC控制情况下, 所有控制和监测功能均可操作。各个模块间相互联系, 在某一个试验项目运行时共同完成以下几个主要功能:
(1)试验项目运行参数的输入;
(2)加载力和液压马达转速的在线监测;
(3)试验状态的监测及系统出现报警、急停等状态的监测;
(4)定时记录各种重要的运行参数, 生成各种数据报表, 并自动保存于数据库中;
(5)实时记录系统的报警、急停信息, 生成报警、急停事件, 并自动保存于数据库中。
图4 测控系统总体框架[13-1]
图5 上位机程序总体框架[13-2]
在LabVIEW中利用LabSQL工具包访问SQLServer数据库并应用于回转支承试验台的测控系统中, 不但实现了试验数据的局域网共享, 而且便于试验数据的综合管理, 同时免费的LabSQL工具包加快了项目进度, 节约了一定的软件费用。【13】
4.4.2硬件
模型测试系统的硬件部分是通过传感器将测试信号转化为电流信号,经信号调理后,利用采集卡A/D将其转化为计算机可识别的数字信号[f}l。该系统采用PXI操作平台,其中选用PXI-8336远程控制器和PXI-1042Q八槽机箱,该机箱具有高速多路复用的定时电路,低噪音信号调理环境。【14】
5.测试方法
其中主要分析了超声波测量方法对于回转支承运行状态的监测效果,以及修正方法。【15】
鉴于主轴承不可接近, 目前只能采用多种手段结合的联合诊断方案:
(1)油样光谱、铁谱、理化指标定期分析。
(2)噪声监测。
(3)润滑系统状况检查。
(4)磁性滤芯检查。
(5)窥镜观察【16】
6.评价
盾构机为一种典型的机电液一体化设备,系统结构复杂,加之所面临的施工环境复杂,故而于使用过程中极易发生故障,且因其面广点多,也由此系统故障诊断较为困难。
盾构机在线监测与远程诊断系统设计的关键之处在于机械工作状态数据的采集、处理和传输,远程监测和监控,以及智能诊断。总而言之,该系统以实时对盾构关键部件进行数据采集和监控,了解设备运行状态,通过预警故障以降低施工风险,且可通过智能专家系统检索出相应有效的解决措施,具推广和研究价值。
主要针对盾构机回转支承装置进行分析, 通过总结引起其故障的各类因素, 提出对应的减少故障发生几率的措施以及回转支承结构的设备管理对策,以期为提高回转支承使用寿命和门座起重机回转工作的安全性提供一定的参考依据。
回转支承又称转盘轴承,是一种大型特殊轴承,可承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩,一般采用齿轮传动实现低速转动。回转支承被广泛应用于工程机械、风力发电、轨道车辆、航空航天及军工等领域。由于设计、制造、安装和使用过程中的种种因
素会产生各种故障,如滚珠( 或滚柱) 滚道点蚀磨损导致间隙增大、无油干摩擦、保持架碎裂、滚珠( 或滚柱)滚道严重磨损并出现凹坑、金属结构出现裂纹和断齿等,这些将导致机器剧烈振动并产生噪声,甚至会引起设备的损坏。因此,对回转支承进行监测与故障诊断具有非常重要的意义。
随着故障诊断理论及计算机技术、信号处理技术的深入发展,大量的科研成果将被应用到回转支承的故障监测与诊断中。在不久的将来,用于回转支承故障监测和诊断的共振解调法、小波分析法和经验模式分解法等技术将进一步完善,专家系统和人工神经网络技术等综合型的故障智能监测和诊断系统也将被应用于回转支承故障诊断中。而将多种信息、多种诊断方法融合到一起的集成故障诊断研究,实现混合智能多传感器信息的融合故障诊断技术将以其良好的稳定性、宽阔的时空覆盖区域及较强的故障容错能力等优势,成为回转支承故障监测诊断研究的重点。
参考文献
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[5] 郜立焕等大型风机的状态检测及分析[J] 流体机械 2008 36(1):5-18(缺卷的)
[6] 田鹏盾构关键部件在线监测与远程诊断技术构架和实践[J] 山东工业技术电子技术 2015 211:211(完整的)
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[11] 张慧芳等大型回转支承故障信号处理方法综述[J] 机械设计与制造 2012 3:216-218(完整的)
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[13] 朱飞等 基于LabVIEW的回转支承测控系统数据库的访问[J] 轴承 2010 10 :51-55(完整的)
[14] 陈张亮 分析回转支承运行状态的若干监测方法[J] 科技创业家 2013 08(下):61(完整的)
[15] 李德友等 基于LabVIEW水轮机模型测试系统设计与试验[D] 水力发电学报 2014 33(4):262-268(完整的)
[16]夏晓中南京长江隧道泥水盾构机状态监测方案设计与实施[J] 研究与设计 2009 6:38-45(缺卷的)
文 献 综 述
1课题背景及意义
盾构机是盾构法施工中的主要施工机械。盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法,它使用盾构机在地下掘进,在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时,在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业。回转支承是一种内圈或者外圈带有传动齿轮、可以通过小齿轮啮合传动扭矩的巨型滚动轴承,其旋转座圈与机械的旋转部分连接,固定座圈与机械固定部分连接,结构借助这个大滚动轴承来传递载荷,并由轴承上的齿圈实现机械旋转部分与相对固定部分的回转。
盾构主轴承是连接盾构刀盘系统与动力系统的关键部件,多采用回转支承,其寿命和可靠性直接影响盾构机械的施工安全。盾构主轴承的使用工况环境一般较差,导致了主轴承的使用寿命相对较低,用于盾构主轴承的三排滚柱式回转支承尺寸较大,滚动体数目较多,每列的滚动体数目一般在几十个到上百个之间,为了使这些大型设备能够稳定、可靠的运行,必须对此进行设备状态监测。
下面我要通过国内外的研究了解课题。
2.国内外进展情况