CN102046920B - 用于监视隧道掘进效率的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道掘进机(90)，具有旋转刀具头(93)，旋转刀具头(93)可旋转地支持多个刀具组件(10)。多个仪器包(50)被附接到所述旋转刀具头，每个仪器包都具有与相关联刀具组件接触的远端。所述仪器包包括多个传感器，传感器包括加速度计(32)、磁力计(33)和温度传感器(34)，用于监视所述相关联刀具组件。所述传感器安装在仪器包的远端，使远端偏向以保持接触所述刀具组件。所述仪器包包括无线发射机，并且仪器包在网状或对等网络中互连。为每个仪器包提供诸如电池组的电源(176)。来自所述传感器的数据可以用于控制所述隧道掘进机的操作和/或监视所述刀具组件的状况。
Description
技术领域
本发明总体上涉及机械挖掘领域，更具体地说，涉及用于监视和控制隧道掘进机效率的装置和方法。
背景技术
隧道掘进机(“TBM”)是隧道挖掘装置，典型情况下它用于在各种土层和岩层中形成圆形隧道。常规TBM产生平滑的圆形隧道壁，典型情况下具有最小的间接干扰。使TBM高效且可靠的突破是旋转头的发明，由James S.Robbins开发。最初，Robbins的TBM使用以圆周运动方式旋转的坚固的长钉，但是长钉会频繁折断。他发现以持久性更长的旋转刀具组件取代这些磨削长钉，显著地减少了这个问题。自那时起，所有成功的现代TBM都具有旋转刀具组件。
自从隧道掘进机出现，这些机器的操作员和制造商一直期望了解和监视切削设备如何与被挖掘的材料相互作用。实时性能数据会允许操作员通过控制某些操作参数和执行及时维护来提高隧道掘进操作的效率和可靠性。例如，通过实时监视隧道掘进机以便快速识别问题，允许操作员发起适当的纠正动作，能够避免由于部件故障造成的高代价延期。
此外，机器制造商还能够基于该数据调整部件的设计。为隧道掘进机开发合理的操作和维护时间表的先前尝试已经包括使用理论数学模型，带有或没有简单的力测量设备，以及通过机器本身的操作状况提供的辅助证据推论相互作用。在美国专利No.4548443和美国专利No.RE31511中公开了说明性隧道掘进机，二者的全部内容在此引用作为参考。美国专利No.5205613和美国专利No.6431653中公开了另外的说明性现有技术隧道掘进机，二者的全部内容在此引用作为参考。授予Sugden等人的美国专利No.5308151公开了一种不同类型的带刀具采掘机，这些刀具配备有刀具轴应变计，以提供一个或多个滚刀组件上直接负载的测量。一个或多个刀具轴配备有应变计，以提供滚刀组件上直接负载的测量。不过，简单的应变计测量并没有提供关于刀具组件的操作性能和旋转特性的期望信息。
仍然需要能够提供隧道掘进机上各个刀具性能的实时监视的系统，其可以用于提供各个刀具上问题的早期检测，以提供可以用于控制机器以优化性能并避免不必要磨损的信息，和/或用于监视被挖掘的岩石或其他材料的状况。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式引入选择的概念，以下在具体实施方式中对所述概念做进一步的描述。本发明内容不打算识别所要求保护的主题的关键特征，也不打算被用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
在本发明的一方面，公开了一种用于在操作期间监视隧道掘进机(TBM)的装置，所述装置包括与TBM上刀具相关联的多个仪器包，每个仪器包都保持与相关联刀具相接触，并且包括监视所述刀具的传感器，例如加速度计，温度传感器、磁力计等。所述仪器包的远端接触所述刀具，例如所述刀具的保持架部分。所述直接接触提供了所述相关联刀具的准确数据，例如振动、温度和旋转速度数据。所述仪器包中的传感器控制板从所述传感器接收数据，并且向远程接收机无线地传送数据。所述数据可以用于，例如监视所述刀具和/或TBM的状况，以便检测磨损或适当地调整所述TBM的操作参数。电源向所述传感器和所述控制板提供电力。所述装置包括用于将所述仪器包附接到所述TBM的装置。
在所述装置的实施例中，所述仪器包包括多轴加速度计，和/或第二加速度计。
在所述装置的实施例中，所述TBM上的每个刀具组件都具有与其相关联的一个或多个仪器包。所述仪器包可以以网状或对等协议无线地互连。
在所述装置的实施例中，仪器包包括具有支持所述传感器的远端臂部分的底板，并且所述底板的远端臂部分与所述相关联的刀具直接接触。可以提供弹簧，所述弹簧将所述底板的远端臂部分偏向所述相关联的刀具组件。
在实施例中，安装支架被固定地安装到所述隧道掘进机，例如固定地附接到所述刀具外壳组件，并且所述仪器包包括可滑动地接合所述安装支架的可拆卸部分。
还公开了一种用于操作隧道掘进机的方法，所述方法包括提供包含用于监视相关联的刀具组件的传感器的多个仪器包，从所述传感器接收数据的传感器控制板以及电源，其中所述仪器包直接与所述相关联刀具组件接触；以及将从所述传感器得到的数据无线地传送到远程接收机；以及使用传送到所述远程接收机的数据来控制所述隧道掘进机的操作。
还公开了一种隧道掘进机，所述隧道掘进机包括可旋转地支持多个刀具组件的旋转刀具头，每个刀具组件都包括可旋转地支持刀圈的轴；每个都与刀具组件相关联的仪器包；以及用于将所述仪器包附接到所述隧道掘进机的装置。
附图说明
因为连同附图参考以下的详细描述，本发明变得更好地被理解，本发明的上述各方面和许多伴随优点将变得更容易理解，其中：
图1示意地示出了隧道掘进机，显示了一些常规部件并包括了根据本发明的用于监视隧道掘进机刀具组件的传感器；
图2是图1中所示隧道掘进机的滚轮型刀具组件的部分分解透视图；
图3是图2中所示刀具组件的装配透视图，其中为清楚起见移去了一部分外壳座架；
图4是图2中所示刀具组件的仪器包的分解图；
图5是框图，概括了图1中所示用于隧道掘进机的刀具组件监视系统的操作；
图6示出了根据本发明的仪器包的第二个实施例；
图7是图6中所示仪器包的分解图。
具体实施方式
现在将参考附图呈现根据本发明具有刀具组件以及用于监视该刀具组件的相关联仪器包的隧道掘进机的相关部分的描述，其中相似的数字表示相似的部件。本领域的技术人员将理解，本发明可以以多种形式实施，而这里公开的具体细节不应当解释为限制，而应当作为教导本领域技术人员做出和使用本发明的基础。
图1中示出了根据本发明具有刀具组件10的说明性隧道掘进机90的环境侧视图。说明性隧道掘进机90具有可旋转地支持多个滚轮型刀具组件10的全断面旋转刀具头93。尽管示图中可见到三个刀具组件，但是本领域的技术人员将理解，典型的隧道掘进机可以包括20个、50个、100个或更多的刀具组件10，可旋转地布置在刀具头93上。
在操作时，刀具头93对着表面91推进(以点划线展示)，使得至少某些刀具组件10有力地接合表面91。在这个说明性实施例中，使用液压95向外推进一组或多组反向锚床94，以便接合隧道壁从而锚定隧道掘进机90。然后使用推力缸96对着表面91向前推进刀具头93。刀具头93围绕纵轴旋转，使得当刀具组件10有力地压向表面91并沿着表面91滚动时，刀具组件10使得材料从表面91破裂、松动、磨碎、脱落和/或破碎。
现在参考图2，根据本发明，图2以部分分解图的形式示出了刀具组件10之一和相关的安装和监视部件。图3示出了装配透视图，为清楚起见省略了某些部件。刀具组件10包括安置在毂12上的刀圈15，安装毂12是为了围绕轴13旋转。轴承组件(未示出)一般被安装在轴13上，以提供毂12和刀圈15围绕轴13旋转。在本实施例中，在旋转的毂12上或在其中安装了一个或多个磁体16(图3)，其目的将变得显而易见。
轴13的相对两端紧固在刀具外壳中，刀具外壳包括分离的外壳座架20L、20R，每个安装部分都定义了L形的通道21。通过滑动刀具组件10，使得轴13沿着外壳座架20L、20R中的通道滑动，然后将其横向地移动至由通道21的L形分支所形成的凹口中来安装刀具组件10。在将刀具组件10如此定位在外壳座架20L、20R之间后，刀具组件10以楔形锁系统紧固，楔形锁系统配置为接合轴13的成形端。本领域的技术人员将理解，有将刀具组件安装到旋转头掘进机的各种其它方式。先前的说明描述了安装“后加载刀具”的当前方法。本发明也可以应用于其他安装系统，比如“前加载刀具”。
楔形锁系统包括楔形22、夹块24以及其间放置的管形套管28。楔形22位于毗邻刀具组件10的轴13端点附近外围小平面的位置，而夹块24接合并毗邻外壳座架20L、20R上的表面25。螺栓23延伸穿过楔形22、套管28和夹块24，并且使用两个螺帽26和垫圈27紧固。因此，当螺栓23拉紧(通过将螺帽26扭转到设计规范)时，楔形22就将刀具组件10锁定就位。
仪器包50附接到刀具组件10(下面将更详细地讨论)，以在隧道掘进机90操作期间监视相关联的刀具组件10。在优选实施例中，仪器包50包括模块化操作拓扑元件，缩写为mote，如半自主计算、通信和传感设备，如下面介绍的。在当前的实施例中，仪器包50使用安装支架39附接到楔形锁组件之一。
在这个实施例中，仪器包50包括具有近端52和远侧尖端53的楔形外壳51。仪器包50的尺寸和位置使得远侧尖端53接触并保持压向刀具组件10的保持架14。在组件上可以安装隔离片等(未示出)，以确保仪器包50正确就位。在当前的实施例中，使用了至少一个Belleville垫圈或相当的压紧机构，例如在套管28与楔形22之间，以便确保所期望的压合。在安装了仪器包50后，将夹块24放置在螺栓23上，安装垫圈27，并且两个螺帽26被固定到螺栓23并被扭转到设计规范。
外壳51基本上包围了仪器包50的电子和机械部件。现在也参考图4，其示出了仪器包50的分解图。在这个实施例中，仪器包50包括具有处理元件35的传感器控制板组件31，并且其可操作地连接到一个或多个加速度计32、至少一个磁力计33(或磁性检测器)和至少一个温度传感器，例如热电偶34。设想仪器包50可以包括另外的传感器，例如应变计、声学或光学传感器、化学检测器等。传感器控制板组件31进一步包括无线收发机36，无线收发机36通过天线37向远程接收机(未示出)发送射频段的信号。电子传感器32、33、34和无线收发机36由安装到传感器控制板组件31的电池组38供电。
传感器外壳51在安装时接触刀具组件保持架14，使得远侧尖端53向着保持架14推进或压合。通过这个接触点，加速度计32因此受到刀具组件10的加速度。当刀圈15沿着表面91旋转时，加速度计32测量刀具组件10在操作期间的振动。在一个实施例中，提供可选参考加速度计(未示出)，其不直接接触刀具组件10，使得本系统能够滤除与隧道掘进机90操作相关联的非刀具振动。由不接触刀具组件10的参考加速度计检测出的振动将提供参考振动，使得参考振动与由与特定刀具组件10相关联的加速度计32测量出的振动之间的差异将提供与相关联刀具组件10特定地相关联的振动的测量结果。
加速度计32也能够监视掘进操作在刀具组件10上施加的负载的方面。将理解，刀具组件10中的轴承组件承担了从掘进表面91通过圈15和毂12传来的大多数负载。这些轴承是消耗品部件。为了在轴承达到好性能的同时使其使用寿命最长，这些轴承具有制造商规定的负载限度。加速度计32能够用于确保不超过该负载限度。
虽然图2中与刀具组件10一起仅仅示出了一个仪器包50，但是本发明设想多于一个的仪器包50可以与某些或全部刀具组件10一起使用。例如，如果仪器包50被放置在刀具组件轴13的两端，通过对比加速度计32的输出就能够识别出轴13任一侧上的加载不平衡。刀具组件10上的不平衡负载造成疲劳情况，其中刀具组件10的部件将面临循环加载，其能够显著缩短机械部件的使用寿命。
通过分析来自加速度计32的输出信号的输出可以识别刀具组件10在操作期间发生的其他动态现象，例如保持螺栓23就位的螺帽26的牢固性。具有松动附接的刀具组件10的振动将展现出与外壳座架20L、20R中牢牢紧固的刀具组件10显著不同的特征。另外，与仪器包50对侧的螺栓23松了相比，仪器包50同侧的螺栓23松了时的振动信号将会不同。
在这个实施例中，在刀具组件10安装在刀具外壳座架20L、20R中之前，在刀具毂12中安装了一个或多个磁体16。当刀圈15和毂12围绕轴13旋转时，磁体16被相关联的仪器包50中的磁力计33检测出。磁体16接连通过之间的时间间隔能够用于计算刀圈15的旋转速度。然后，知道了特定刀具组件10在刀具头93上的位置以及刀具头93的旋转速度后，时间间隔数据或旋转速度便能够用于检测刀圈15的打滑或锁定，或者假设在刀圈15与表面91之间没有打滑时用于计算刀圈15的当前直径。刀圈15的当前直径提供了由于隧道挖掘操作所述环15已经磨损或侵蚀程度的测量结果。正如本领域技术人员将理解，确定刀圈15上的磨损量非常重要。例如，对隧道掘进机90的维护过程往往基于刀圈15的百分比磨损规定何时应当更换刀具组件10。
也期望知道刀圈15的旋转速度，并且特别地旋转速度的时间变化，因为其提供了滚动平滑度的指标。(当刀具头93以恒定的速度旋转时)刀圈15的恒定旋转速度表明刀具组件轴承运行正确。不稳定的旋转速度表明刀圈15正在打滑，并且因此可以表明轴承出现故障，需要更换部件。作为替代，大量刀圈15的旋转速度都不稳定可能暗示着为了达到最佳的性能要修改隧道掘进机90的操作参数。例如，如果许多刀圈15的旋转速度不稳定，这可能表明刀具头93向表面91压得太紧。
刀圈15的温度是刀具组件10的运行如何的另一个指标。刀圈15与表面91之间的摩擦将产生热量。如果刀圈15相对自由地旋转，所测出的温度将达到恒定的水平。然而，如果刀圈15不自由旋转，而是拖过或滑过表面91，刀具组件10的温度将明显快速地上升。类似地，如果刀圈轴承正经历着过度摩擦，该轴承的温度将升高，导致刀具组件10的温度上升。在任一情况下，监视刀具组件10的温度为操作员提供了存在问题的早期指示，使得在形成更严重的损坏之前可以(自动地或由用户)采取纠正行动(比如关闭机器或安排维护)。
在本发明的实施例中，一个或多个仪器包50(后文称之为参考仪器包)除以上讨论的其他传感器之外还包括双轴加速度计(未示出)。双轴加速度计能够在两个方向上，典型情况下正交朝向的方向上，测量加速度，包括重力。就其功能而言，双轴加速度计包括第一加速度计，第一加速度计的朝向垂直于在一般来说水平平面中的第二加速度计，如一个轴朝向刀具头93的径向，而另一个轴朝向刀具头93的切向。双轴加速度计测量何时刀具头93正在旋转，并且能够用于为定位各个刀具组件10提供参考点。
本领域的技术人员将理解，通过分析所检测的加速度计值能够定位参考仪器包上的双轴加速度计，如下。已知双轴加速度计在刀具头93上的相对位置。例如，可以产生刀具组件位置的参考图。双轴加速度计基于加速度计的特定朝向，显示重力加速度的正值或负值。因此，参考重力能够确定双轴加速度计的旋转方向。双轴加速度计的旋转方向以及在刀具头93上的相对位置确定了其相对于其他刀具组件仪器包50的位置。通过得知参考刀具的位置，就能够通过参考刀具组件位置的参考图定位其他刀具。当刀具组件10正经历异常操作状况并需要在刀具头93中定位和检查时，这是所期望的。
在当前的实施例中，对于每个仪器包50，由加速度计32、磁力计33和温度传感器34所测出的数据都被传感器控制板组件31上的处理器35转换为数字信号。然后该数字信号通过天线37被发送到可以布置在隧道掘进机90上其它位置的远程接收机。在优选实施例中，隧道掘进机90上的每个刀具组件10都配备有一个或两个仪器包50，提供了挖掘状况可能的最清楚的指示。许多仪器包50的这种集合称为传感器网络。
来自传感器网络的数据可以被中继到隧道掘进机90的操作员的显示器。与刀具头93上每个其他仪器包50的位置相关地显示来自每个仪器包50的数据将允许操作员推断岩石的构造并相应地调整操作参数以实现最高的效率。例如，连同传感器绘图能力使用来自每个仪器包50的振动测量结果将允许显示岩石面的图，其中岩石状况的指示包括但是不限于，岩石硬度、破裂程度以及任何局部的地质构造。这种显示能够有效地用于提高隧道掘进机90的生产量，方式为允许各个刀具组件10的操作更接近其设计限度。如果没有这种系统，每个刀具组件10的操作包络就必须假设为机器总加载的平均值，迫使总操作参数降低。如果没有这种系统，就无法说明由单个刀具组件10所面对的岩石状况中的局部变化，因为总平均加载是仅有的可得到数据。通过使用单个传感系统，就能够检测极端的现象，并能够调整操作参数以实现每个单个刀具组件10的最大负载。
当前实施例使用了传感器控制板组件31，其能够两条路径传送，用于将数据发送到接收机。该传送能够通过点对点协议执行，其中来自每个仪器包50的数据被直接发送到接收机，或者它也能够通过多跳网状网络协议执行，其中仪器包50能够一起工作并用作数据的中继。当前的仪器包50既能够经由天线37发送射频信号也能够经由天线37接收射频信号。以这种双重能力，每个仪器包50都能够从其他仪器包50接收数据并将该数据传递给接收机。所述网状网络协议的主要优点在于，万一出现难以克服的无线电干扰，离接收机最远的仪器包50能够使用离接收机更近的其他仪器包50以中继其测出的数据。所述网状网络协议的缺点是电池消耗率较高和信号通信量潜在地较高。为了缓解电池消耗限制，可以实施使用动态运动产生电力的发电系统。这会消除或减轻对电池组38的需求。
图5是框图，概括了根据本发明的装备有仪器包50的隧道掘进机90的操作。仪器包50被安装70在相关联的刀具组件10上，其中每个仪器包50的一端都直接接触相关联的刀具组件10。
如果使用了(以上讨论的)参考刀具双轴加速度计，那么在安装70时，也就是在刀具头93开始旋转之前初始化或监视参考刀具双轴加速度计。当双轴加速度计的信号在重力拉动下改变时，刀具头93就旋转。包含参考刀具双轴加速度计的仪器包50然后将信号传送到接收机，表明刀具头93正在转动。也能够用作收发机的接收机然后向其他仪器包50发射初始化信号以开始采样数据。这就是框图中的初始化阶段71。将理解，如果不使用参考双轴加速度计，则可以使用任何其他适合的信号来检测或确定所述刀具头正在转动，并且开始数据采样71，如对本领域技术人员将显而易见的。
仪器包的传感器控制板组件31吸引了足够的连续电力以监视从接收机传送的信号。当仪器包50收到初始化信号时，仪器包50便开始对其相应的数据进行采样72。
对于传感器32、33、34中的每一个，采样72逻辑不同。例如，在除了使用仪器包50加速度计32外还使用(如以上讨论的)参考加速度计的系统中，信号被中继到传感器控制板组件31，并且从所检测的中继后的刀具加速度计信号中减去参考加速度计信号。温度传感器34以预设置的速率定期获取温度读数。磁力计33连续地对磁场采样，使得当毂12中的磁体16通过磁力计33附近时，检测出磁场。当检测出的磁场超过了预制定的限度时，传感器控制板组件31便登记一次，并基于先前检测出磁体16通过以来所经历的时间计算刀具组件10的瞬间旋转速度。例如，可以使用以下公式：RPM＝(n/T)＊60计算旋转速度，其中T是磁计数之间以秒为单位经历的时间，而n是毂12中嵌入的磁体16的数目。当得知刀具组件10的旋转速度后，刀圈15的直径可以计算为：D＝(2＊r＊d)/R，其中r是刀具头93的旋转速度(以rpm计)，d是从刀具头93的中心到刀圈15中心平面的距离，而R是以上算出的刀具组件10的测出旋转速度。
由传感器测出的数据被中继到传感器控制板组件31，收发机板36在此将其编码成无线电信号并通过天线37发送73。为了节省电池寿命，收发机不连续运行。数据以规定的时间间隔测量和记录，并且也以适于测量刀具的动态特征的频率建立传送间隔。采样和传送间隔都不是静态值，而是能够通过对传感器设备编程进行调节。不存在单一的理想采样周期，因为基于包括岩石特征、刀圈15材料、刀具负载定额以及隧道掘进机功率的参数，隧道挖掘操作变化很广。这种无线系统中固有的灵活性允许在挖掘的同时改变采样状况以实现可能的最佳数据分辨率和最长传感器寿命。
在仪器包50的当前实施例中，所选择的加速度计是超紧凑低功率3轴线性加速度计，它包括传感元件和IC接口，比如总部在瑞士日内瓦的STMicroelectronics(ST微电子)公司生产的LIS302DL。所选择的加速度计能够经由I2C/SPI串行接口向外部应用提供所测出的加速度数据。所选择的温度传感器34是薄膜铂电阻温度检测器，例如总部在新泽西州摩里斯镇的Honeywell International公司生产的HEL-700系列薄膜铂RTD(电阻温度检测器)。所选择的温度传感器提供了优秀的线性度、稳定性和可互换性。所选择的磁力计33是磁阻传感器，例如位置传感器2SS52M，也是Honeywell International公司生产的。
选择加速度计是因为它不昂贵、功率非常低、具有数字接口和具有内置的信号处理。设想作为替代可以使用更高g级的、更高功率的设备，或者可以设计机械阻尼器以使加速度值在传感器约束之内。选择温度传感器是因为其温度范围和低功率需求。然而，这些类型的设备容易互换，并且作为替代也可以使用其他温度传感器。
根据本发明可以实施为本系统设想的多种mote传感器通信拓扑。
例如，仪器包50可以在网状网络中互连，使得如果无线收发机36不能与接收机直接通信，能够通过其他仪器包50将信号中继到接收机。例如，已经在具有20、50和99个节点，每个节点都包括或表示某仪器包50，以及单一基站或接收机的网络规模中测试了网状网络协议。在该测试中，节点离任何其他节点的间隔大约为1.5英尺，离接收机的间隔大约为三十英尺。为了提高服务的质量或者控制网络可靠性的能力，可以使用启用消息确认(ACK)来操作该网络，其中节点将连续发送其信号，直到ACK消息返回。尽管该网络拓扑在节点数目较少时运行得相当好，但是当节点数量增加至99个时，通信问题变得显著，并且在启用了ACK时当然更明显。
在另一个拓扑实施中，无线数据网络包括对等(P2P)拓扑，其中无线收发机36仅仅与接收机直接通信，也就是，每个传感器节点直接向基站报告。在受测试的实施中，每个传感器节点都被分配了报告窗口内的报告时隙。这就允许每个节点向接收机或基站发送消息具有与其他报告节点冲突的最小可能性。本领域的技术人员将理解，因为收发机36不需要连续接收/发送，所以P2P拓扑允许更长的电池寿命。P2P拓扑也可以运行在非ACK模式中或启用ACK模式中。受测试的P2P拓扑比网状网络拓扑可靠得多，尤其在节点数量更大时。然而将理解，如果节点或仪器包50处于RF盲点，这样的个别节点可能执行不良。
对于启用ACK的P2P拓扑实现了非常低的平均数据包丢失率，使得如果没有确认(例如)接收机收到，每个节点都能够重发消息高达6次。在一次测试中，99个节点、启用ACK的P2P拓扑产生了仅仅3.5％的平均数据包丢失率。
测试表明，对于高达五十个节点的配置，网状网络显示了优于时间同步的P2P网络的明确可靠性优点，但是能量成本却大约高达26倍。如果多于50个节点，P2P网络的可靠性仍保持得非常好，而网状网络则显著恶化。此外，所期望的是阻碍P2P网络可靠性的“盲点”将由隧道掘进机的运动所减轻。
图6中示出了根据本发明的用于监视刀具组件10的仪器包或传感器包150的另一个替代实施例，其中外壳151以点划线示出。图7中示出了仪器包150的部分分解图。
在这个实施例中，设想刀具组件10上安装的仪器包150将包括与以上描述的传感器包150相同或类似的传感器包。例如在某些实施例中，不使用参考双轴加速度计测量何时刀具头93正在旋转并为定位传感器提供参考点。相反，例如通过将两个附加传感器放置在系统中，就可以确定旋转测量和参考点。传感器可以置于TBM驱动电机(未示出)之一上，以测量该电机的轴旋转速度。旋转速度测量可以通过将磁体安装在驱动轴上并使用磁力计实现，通过利用光传感器或者利用本领域熟知的任何其他装置。通过使用机器的齿轮比信息和测量电机的轴旋转速度，就能够确定刀具头93的旋转速度。
利用保护外壳中封装的磁力计可以提供第二个传感器，以便检测刀具头93上安装的磁体的通过。设想这两个附加传感器都会把数据传送回基站。
传感器包150配置为被直接安装到相关联刀具组件10的刀具外壳组件上。直接安装的优点是传感器包150不干扰安装和拆卸刀具的标准过程。安装支架139支持在刀具组件10上的传感器包150，并且可以固定地或可释放地直接附接到外壳座架20L、20R之一(图2)。例如，安装支架139可以被焊接到外壳座架20L、20R之一，或者用常规硬件附接。
安装支架139包括底面140、相对地布置的侧壁141以及具有锁定孔143的保持补翼142。保护间隔元件110布置在安装支架139的底面140上。保持支架132附接在安装支架139近端附近，而弹簧元件134则附接在安装支架139远端附近。
仪器包150的可拆卸部分包括底板160，其具有带向上延伸的鼻状物164的远端臂162，鼻状物164配置为接合相关联的刀具组件10。远端臂162支持刀具组件传感器，比如加速度计32、磁力计33和温度传感器34。这些传感器可操作地连接到传感器控制板组件31，其接收传感器数据并将该数据传送到远程接收机，正如以上讨论的。
底板160进一步包括定位补翼163，其尺寸和位置使得接合保持补翼142中的锁定孔143。支座172将底板160朝安装支架139内的期望位置推进，并且滑动夹可释放地接合保持架132。底板160以多个螺钉174紧固到外壳151上。外壳151包括主体部分154，定义电池孔156和远端臂部分152，远端臂部分152覆盖在底板160的远端臂162上。远端臂部分152包括末端通道158，末端通道158可滑动地接收从底板160向上延伸的鼻状物164。
现在能够看出，以上讨论的附接到安装支架139的弹簧元件134包括折角臂部分133，折角臂部分毗邻或接合底板臂162的远端。弹簧元件134的尺寸和设计使得在远端臂162上提供弹力，以使得底板160的鼻状物164被弹性地推向相关联的刀具保持架14(图3)。因此，在一定范围的磨损模式下，远端臂162的弹性变形将允许鼻状物164保持接触相关联的刀具保持架，即使该刀具经历了磨损。
电池支持器175配置为容纳一个或多个电池176(示出了两个)，用于通过端子178向传感器32、33、34，传感器控制板组件31和相关电子器件供电。
在当前实施例中，外壳151由弹性材料制成，而安装支架139和底板是金属的，尽管可以使用其他材料，包括例如合成材料等。将理解，仪器包150必须用耐用的材料建造以抵挡刀具组件10附近非常严酷的环境。所有传感器电子器件都使用减振材料在传感器外壳中封装就位。金属底板160被装配在外壳151上，其外罩的尖端由底板160上的金属鼻状物164保护。外壳包括可拆卸的电池隔间175，以允许在该区域中更换电池176。这种电池隔间175可以包括开关，用于将电池配置为并联或串联，从而允许使用碱性或锂金属电池。
在这个实施例中，传感器包150的可拆卸部分，包括底板160(和其上安装的各种部件)和外壳151，都可以通过可滑动地释放滑动夹170并使可拆卸部分滑离安装支架139而拆卸。
尽管已经展示和描述了说明性实施例，但是将理解，这里能够进行各种改变而不脱离本发明的实质和范围。
Claims (25)
1.一种用于在操作期间监视隧道掘进机的装置，其中，所述隧道掘进机包括具有安装在刀具头上的可旋转部分的多个刀具组件，所述装置包括：
多个仪器包，每个仪器包都与所述多个刀具组件之一相关联，每个仪器包都包括i)与相关联刀具组件接触的远端，所述仪器包的远端包含用于监视所述相关联刀具组件的多个传感器，ii)传感器控制板，可操作地连接所述多个传感器，所述传感器控制板进一步包括收发机，所述收发机配置为向远程接收机无线地传送由所述多个传感器检测到的数据，以及iii)连接以向所述传感器控制板供电的电源，以及
用于将所述多个仪器包中的每一个仪器包附接到所述相关联刀具组件的装置，包括固定地附接到所述隧道掘进机的安装支架，并且其中所述仪器包包括可拆卸部分，所述可拆卸部分包括所述多个传感器和所述传感器控制板。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个传感器包括加速度计、温度传感器和用于测量所述相关联刀具组件的可旋转部分的旋转速度的传感器。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，用于测量所述可旋转部分的旋转速度的传感器包括磁力计。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述加速度计包括多轴加速度计。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述多个传感器进一步包括第二加速度计。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个仪器包包括所述多个刀具组件中每一个刀具组件的至少一个仪器包。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个仪器包包括所述多个刀具组件中每一个刀具组件的两个仪器包。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个仪器包以网状网络协议无线地互连。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个仪器包在对等网络中无线地互连。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，仪器包包括具有支持所述传感器的远端臂部分的底板，并且所述底板的远端臂部分与所述相关联的刀具直接接触，并且进一步包括弹簧，所述弹簧使所述底板的远端臂部分偏向所述相关联刀具组件。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电源包括可拆卸的电池。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可拆卸部分包括底板，所述底板具有支持所述多个传感器的远端臂部分，并且进一步包括弹簧元件，所述弹簧元件使底板远端臂部分偏向与所述相关联刀具组件接触。
13.一种用于在操作期间监视隧道掘进机的装置，其中，所述隧道掘进机包括具有安装在刀具头上的可旋转部分的多个刀具组件，所述装置包括：
多个仪器包，每个仪器包都与所述多个刀具组件之一相关联，每个仪器包都包括i)远端，并且其中仪器包被配置为安装成使得远端与相关联刀具组件接触，所述仪器包的远端包含用于监视所述相关联刀具组件的多个传感器，ii)传感器控制板，可操作地连接所述多个传感器，所述传感器控制板进一步包括收发机，所述收发机配置为向远程接收机无线地传送由所述多个传感器检测到的数据，以及iii)连接以向所述传感器控制板供电的电源，以及
用于将所述多个仪器包中的每一个仪器包附接到所述相关联刀具组件的装置，包括固定地附接到所述隧道掘进机的安装支架，
其中仪器包包括具有支持所述传感器的远端臂部分的底板，并且所述底板的远端臂部分与所述相关联的刀具直接接触。
14.一种用于操作具有多个刀具组件的隧道掘进机的方法，每个刀具组件都包括旋转部分，所述方法包括以下步骤：
提供多个仪器包，每个仪器包都与所述多个刀具组件之一相关联，并且包括监视所述相关联刀具组件的多个传感器，从所述多个传感器接收数据的传感器控制板，以及电源，其中，所述仪器包直接接触所述相关联刀具组件，并且进一步包括弹性地使所述仪器包的远端臂部分偏向所述相关联刀具组件，以保持所述仪器包接触所述相关联刀具组件；
向远程接收机无线地传送从所述多个传感器得到的数据；
使用向所述远程接收机传送的数据以控制所述隧道掘进机的操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个传感器包括加速度计、温度传感器和用于测量所述相关联刀具组件的可旋转部分的旋转速度的传感器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，用于测量所述可旋转部分的旋转速度的传感器包括磁力计。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述加速度计包括多轴加速度计。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个仪器包包括所述多个刀具组件中每一个刀具组件的至少一个仪器包。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述多个仪器包以网状网络协议无线地互连。
20.一种隧道掘进机，包括：
旋转刀具头，其可旋转地支持多个刀具组件，每个刀具组件都包括可旋转地支持刀圈的轴；
多个仪器包，每个仪器包都与所述多个刀具组件之一相关联，每个仪器包都包括i)与所述相关联刀具组件接触的远端，所述仪器包的远端包含用于监视所述相关联刀具组件的多个传感器，ii)传感器控制板，可操作地连接到所述多个传感器，所述传感器控制板进一步包括收发机，所述收发机配置为向远程接收机无线地传送由所述多个传感器检测到的数据，以及iii)连接以向所述传感器控制板供电的电源；以及
用于将所述多个仪器包中的每一个仪器包附接到所述相关联刀具组件的装置，
其中仪器包包括具有支持所述传感器的远端臂部分的底板，并且进一步包括弹簧，所述弹簧使所述底板的远端臂部分偏向所述相关联刀具组件。
21.根据权利要求20所述的隧道掘进机，其中，所述多个传感器包括加速度计、温度传感器和用于测量所述相关联刀具组件的可旋转部分的旋转速度的传感器。
22.根据权利要求21所述的隧道掘进机，其中，用于测量所述可旋转部分的旋转速度的传感器包括磁力计。
23.根据权利要求21所述的隧道掘进机，其中，所述加速度计包括多轴加速度计。
24.根据权利要求20所述的隧道掘进机，其中，所述多个仪器包包括所述多个刀具组件中每一个刀具组件的至少一个仪器包。
25.根据权利要求20所述的隧道掘进机，其中，所述多个仪器包以网状网络协议和对等协议之一无线地互连。
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