CN103226151B - 一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统和方法，利用传感器检测各盘形滚刀个体自转速度，并通过无线数据传输装置将该转速信号传送至掘进机控制室计算机，进而根据盘形滚刀转速信号以及预先设定的基准值关系判断盘形滚刀的运行状态，本发明的技术效果在于，通过对盘形滚刀群体的每个个体的个体参考值进行数据处理及可视化显示，可以实时显示掘进机盘形滚刀群体的运行状态及磨损状态。该监控系统可以为掘进机操作人员提供一个抉择帮助以确定是否需要进行刀具更换及维修，或者改变掘进控制参数以达到更好的刀具群体运行性能。通过这种方式可以明显的减少人力消耗，降低施工风险，提高作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种全断面掘进机监测系统及方法，尤其涉及一种刀盘盘形滚刀群体运行状态监控系统和方法。
背景技术
在铁路、公路、调水等重大工程的长大隧道开挖中，掘进机使用的破岩工具尤其是盘形滚刀处于连续的磨损过程。掘进机刀盘安装有多把相同或不同刀具，各个刀具的磨损状态与其安装位置及破岩过程（掘进中途更换新刀或刀具零件）有关。若该刀具群体中的单个发生严重磨损，则会影响其刀群整体性能（刀群整体破岩能力减弱），此时更换该单个刀具是有利的。上述目标的实现依赖于刀盘上每个刀具个体运行状态的监测。因此从刀具个体运行状态监测至刀具群整体运行状态监测以及进行相应的控制（包括设计、施工、监测）是必要的。目前刀具个体的磨损状态通过机器操纵者的视觉检查来判断。为此，必须停止机器（掘进机每日进行刀具检修）。然后，工作人员进入开挖区用量具检查每把刀具状态。刀具的磨损状态通过长度磨损和磨损形态的旋转对称来判断。
CN202108517U公开了一种具有磨损指示功能的滚刀装置，在该装置中，通过在设置一个从盘形滚刀刀轴端部连通至刀刃的内腔，并将连接输油系统。刀刃磨损会使内腔漏油导致输油系统油压下降，以此反映滚刀的磨损状态。由于这种装置刀刃开有内腔，会降低破岩性能。
CN10227896A公开了一种掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法，在该方法中通过测量盘形滚刀的加速度变化情况来得到盘形滚刀的旋转频率，建立了旋转频率与摩擦功之间的对应关系式，最终得到盘形滚刀加速度信号与磨损量之间的对应关系式。这种方法依赖与公式中能量磨损率数据的可靠性及准确性。
发明内容
本发明目的在于提供一种方法：借助传感器获得盘形滚刀个体的自转速度，采用无线发射和接受滚刀自转转速信号存入微控制器中，再上传到计算机上进行存储分析。通过该方法可以实现监测掘进机掘进过程中盘形滚刀个体的运转状态及刀具群体运行状态的功能。
这个目的通过下列技术方案来实现，一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统，包括用于检测滚刀转速的检测探头、前置器、无线发射装置、信号接收装置、掘进机PLC控制系统和触摸屏，所述的检测探头安装于盘形滚刀刀轴内，检测探头、前置器、无线发射装置依次通信连接，无线发射装置通过无线方式与信号接收装置通信连接，所述的信号接收装置、掘进机PLC控制系统和触摸屏依次通信连接。
所述的一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统，所述的无线发射装置包括发射装置微控制器、发射装置电源模块及发射装置射频收发器，所述的发射装置电源模块为发射装置微控制器供电，所述的发射装置微控制器通信连接发射装置射频收发器，所述的发射装置射频收发器通过无线方式通信连接信号接收装置，发射装置微控制器通信连接前置器，所述的信号接收装置包括接收装置微控制器、接收装置射频收发器、接收装置电源模块和串口单元，所述的接收装置电源模块为接收装置微控制器供电，所述的接收装置微控制器分别通信连接接收装置射频收发器和串口单元，接收装置射频收发器通过无线方式通信连接无线发射装置，串口单元通信连接掘进机PLC控制系统。
所述的一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统，所述的检测探头为声信号传感器，所述盘形滚刀刀轴上开有径向孔以及处于轴中心处的轴向孔，所述的径向孔为阶梯孔，阶梯孔包括一个处在盘形滚刀刀轴径向靠外部分的内径较大的内螺纹孔及一个连接在内螺纹孔后的内径较小光孔，信号传感器固定于内螺纹孔内，连接于信号传感器尾端的信号导出线穿过光孔，轴向孔和径向孔在刀圈对应轴段中心处贯通，传感器导线经由阶梯孔、轴向孔引出至轴端，所述的盘形滚刀内部隔环沿径向开有与内螺纹孔贯通的圆孔以便于传感器安装。
所述的一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统，所述的检测探头为电涡流式传感器，所述盘形滚刀刀轴上开有径向孔以及处于轴中心处的轴向孔，所述的径向孔为阶梯孔，阶梯孔包括一个处在盘形滚刀刀轴径向靠外部分的内径较大的内螺纹孔及一个连接在内螺纹孔后的内径较小光孔，信号传感器固定于内螺纹孔内，连接于信号传感器尾端的信号导出线穿过光孔，轴向孔和径向孔在刀圈对应轴段中心处贯通，传感器导线经由阶梯孔、轴向孔引出至轴端，所述的盘形滚刀内部隔环沿径向开有与内螺纹孔贯通的圆孔以便于传感器安装，所述的刀榖内表面的凸台表面开有多个均匀排列的齿，检测探头正对刀榖内表面的凸台表面以在滚刀转动时检测齿的运动。
在实际运行中，当滚刀转动时，刀榖内表面的凸台表面上的齿和齿间会交替经过信号传感器感应位置，从而获得传感信号。
一种采用上述系统进行监测掘进机掘进过程中刀盘盘形滚刀群体运行状态的方法，利用传感器检测各盘形滚刀个体自转速度n，并通过无线数据传输装置将该个体自转速度n传送至掘进机控制室计算机，进而根据盘形滚刀个体自转速度n以及预存的基准值n1之间的关系，进而判断盘形滚刀的运行状态。
所述的方法，所述被检测到的盘形滚刀个体自转速度n与预存的基准值n1之间的关系通过以下公式获得：
S=(n1－n)/n1
其中S为个体参考值，n1=n2R2/R1，R1为未磨损状态下盘形滚刀半径、R2为滚刀安装半径，n2为刀盘转速。
所述的方法，判断盘形滚刀的运行状态的步骤为：给定盘形滚刀磨损许可极限值Δh0，当参考值S＜－Δh0/R1时，说明盘形滚刀个体发生超量磨损；参考值－Δh0/R1≤S≤0时，说明盘形滚刀个体正常运行；参考值S＞0时，说明盘形滚刀处于非正常运行状态，即可能出现包括弦磨、卡死在内的非正常运行状态。
本发明的技术效果在于，通过对盘形滚刀群体的每个个体的个体参考值进行数据处理及可视化显示，可以实时显示掘进机盘形滚刀群体的运行状态及磨损状态。该监控系统可以为掘进机操作人员提供一个抉择帮助。与此相应的，他可以确定是否需要进行刀具更换及维修，或者改变掘进控制参数以达到更好的刀具群体运行性能。通过这种方式可以明显的减少人力消耗，降低施工风险，提高作业效率。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为是本发明掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监控系统整体框图；
图2是本发明滚刀整体装配图；
图3是本发明传感器安装及信号导出结构图；
图4是本发明盘形滚刀刀轴的结构图；
图5是本发明盘形滚刀刀榖的结构图；
图6是本发明盘形滚刀隔环的结构图；
图7是本发明无线信号发射装置原理图；
图8是本发明无线信号接收装置原理图；
图9是本发明的触摸屏显示效果图。
图中1-刀轴；2-传感器；3-隔环；4-刀榖；5-刀圈；6-数据传输线；7-前置器；8-无线发射装置；9-信号接收器；10-PLC控制系统；11-触摸屏；12-数控系统；13-电源模块；14-射频收发器
具体实施方式
本发明是借助传感器获得盘形滚刀个体的自转速度，通过多路信号集成装置将刀具群体中各个个体的自转速度信号及位置信号存储在存储器中，并且通过无线发射器将该信号发射到掘进机控制室。在掘进机控制室设置无线信号接收器，将各路信号代表的盘形滚刀个体自转速度信号（在下面称为“个体实测值”）存储在计算机中，并与一个预存在存储单元中的个体基准值相比较。该个体基准值与盘形滚刀安装位置及刀盘转动速度有关。
根据本发明，通过比较盘形滚刀个体实测值与个体基准值确定一个个体参考值，该个体参考值包含有关盘形滚刀个体运转状态及磨损状态的数量上的结论。
通过对盘形滚刀群体的每个个体的个体参考值进行数据处理及可视化显示，可以实时显示掘进机盘形滚刀群体的运行状态及磨损状态。该监控系统可以为掘进机操作人员提供一个抉择帮助。与此相应的，他可以确定是否需要进行刀具更换及维修，或者改变掘进控制参数以达到更好的刀具群体运行性能。通过这种方式可以明显的减少人力消耗，降低施工风险，提高作业效率。
个体基准值可以是一个事先已知的值或者是一个探测到的并被存储的值或者是一个特性曲线族或者是一个函数关系。
本发明一个可能的布置形式可以设置为，对现有的盘形滚刀刀榖进行结构变化，以有利于获取盘形滚刀刀榖的转速值作为个体实测值。
在最简单的情况下，在刀榖侧端面制造一定数量的齿，同时在刀座上安装接近传感器，采用测频法或测周期法测量刀榖转速，将刀榖的转速值作为个体实测值。在刀盘上各个盘形滚刀安装位置处设置传感器，获得各个个体实测值。
除了在刀榖侧端面制造一定数量的齿以外，也可以在刀榖内表面制造一定数量的齿，并在刀轴内部开一个空腔用于测速传感器的安装及导线引出。
本发明的另一个可能的布置形式可以设置为，获取盘形滚刀内部圆锥滚子轴承的转动状况包括转速、声音信号等作为个体实测值。
在最简单的情况下，在盘形滚刀内部刀轴上安装接近传感器，通过测频法测量圆锥滚子转动频率并换算成圆锥滚子轴承的转动速度。
除了测频法测速外，还可以在滚刀内部安装声信号传感器测量圆锥滚子轴承的声音频率，以此判断滚刀自转速度。依据铁姆肯公司公布的轴承转速与声音信号的频率关系，将所述声音信号传感器采集得到的信号转化成轴承的转速，从而获得滚刀的个体自转速度。参考网页：
http://www.timken.com/zh-cn/Knowledge/engineers/Pages/default.aspx
本发明一个优选的布置可以设置为，在盘形滚刀刀榖内表面开设一定数量的齿，并在刀轴内部开设一个用于测速传感器及导线引出的空腔，同时配备相应的密封措施。
如果方法设置成以下形式，即获取盘形滚刀刀榖的转速值作为盘形滚刀运行状态个体实测值，那么以上的描述可以特别容易实现。
此后进行传感器信号采集及无线传输。传感器信号采集及无线发射装置包括一个微控制器、一个电源模块和一个射频收发器。微控制器控制每隔一段时间对刀盘上各个盘形滚刀的转速采集一次，得到相应的转速值，进行存储。然后射频收发器以射频方式将数据打包发送出去，整个过程由微处理器控制。无线接收装置由微控制器、射频收发器、电源模块以及串口组成。射频收发器接收射频信号并存储到微控制器中，然后经串口把数据传输到上位机。计算机对数据进行存储分析，获得刀具群体中每个个体的个体实测值（记为n）。
在这种情况下，盘形滚刀个体的运行状态及磨损状态的进一步细化可以通过下面方法来实现，即获取未磨损的新状态下盘形滚刀直径、安装位置半径及刀盘转速或个体实测值中的一个，以求得个体基准值（记为n1）。
该基准值可以是一个理论值，因为它可以通过盘形滚刀运动学原理推导出来，也可以设置为在新刀状态下获得的个体实测值。
如果该方法设置成以下形式，即获取未磨损状态下盘形滚刀半径R1、在刀盘上的安装半径R2及刀盘转速n2，则个体基准值可以由以下运动学关系式确定：
n1=n2R2/R1
其中n1为该盘形滚刀自转速度个体基准值。
在这种情况下某个盘形滚刀个体运行状态个体参考值可以用下式表示
S=(n1－n)/n1。
实际上，考虑盘形滚刀磨损高度Δh情况下，不考虑盘形滚刀与岩面相对滑动的非正常运行状态，其理想运行状态下的个体实测值n3由以下运动学关系式确定：
n3=n2R2/(R2－Δh)
其中Δh为滚刀磨损高度。
滚刀在理想的正常运行状态下有关系式
n=n3
S＝(n1－n)/n1=(n1－n3)/n1=－ΔhR2/(R1(R1－Δh))≈－Δh/R1
考虑盘形滚刀允许最大磨损高度Δh0,则有
0≤Δh≤Δh0
R2/(R1－Δh0)≤n=n3=n2R2/(R1－Δh)≤n2R2/R1
－Δh/R1≤S≤0
上式记为正常磨损状态下，盘形滚刀处于理想运行状态下的个体参考值。
超量磨损状态为
S≤-Δh/R1。
滚刀非正常运行状态下有关系式
n≤n1≤n2
S＞0。
综上，S取值及相应的含义如下表
表1S值与盘形滚刀个体运行状态对应表
| S取值范围 | 滚刀运行状态 |
| S＜－Δh0/R1 | 滚刀超量磨损 |
| －Δh0/R1≤S≤0 | 滚刀正常运行 |
| S>0 | 滚刀非正常运行 |
计算机获得上述盘形滚刀群体各个个体运行状态，进行完上述过程后，将刀具群体的运行状态通过触摸屏进行实时显示。
参见图1、2，一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监控系统。具有运行状态监测功能的盘形滚刀，在盘形滚刀刀轴1内设置有通过数据线6与前置器7连接的检测探头2，所述前置器7与无线发射装置8相连，无线发射器8将所检测的数据发射到掘进机控制室的信号接收装置9，所述信号接收装置9与掘进机PLC控制系统10相连，PLC控制系统10与触摸屏11连接并通讯。
其中，所述检测探头2为电涡流式转速传感器，探头2穿过带有通孔的滚刀隔环3，与滚刀刀轴1进行螺纹连接。探头2引出的同轴电缆线从刀轴内的空腔引出，之后通过同轴电缆接头与延长电缆相连，将信号传至前置器7。
参见图3，所述检测探头2采用螺纹固定在轴向阶梯孔的螺纹孔上，导出线经轴向孔导出值轴端。
参见图4，在盘形滚刀刀轴上加工M8的螺纹孔以及φ6的孔用于传感器2的安装及导线引出。
参见图5，相应的，滚刀隔环3上需要钻φ10的孔以便传感器穿过。
参见图6，一种可检测盘形滚刀转速的盘形滚刀刀榖4是在对盘形滚刀刀榖改进后的结构图。本发明在盘形滚刀刀榖内表面加工出一定数目的齿，假定为50个齿，模数为3mm，长度为20mm，以能满足电涡流传感器2的测试要求为选择标准。
参见图7，所述无线发射装置8由微控制器12、电源模块13及射频收发器14构成。其中微控制器12的主要功能是盘形滚刀转速信号采集、处理、存储及控制流程，射频收发器14的主要功能是以射频方式将转速信号发送出去。
参见图8，所述无线接收装置9由微控制器15、射频收发器16、电源模块17以及串口单元18构成。串口18主要是与上位机进行通信，实现单片机系统与上位机的数据。
上位机的工作流程可叙述如下：将接收到的信号转化为盘形滚刀实际转速(个体实测值n)，与个体基准值(n1)进行运算得到个体参考值S，S＝(n－n1)/n1。由个体参考值S、盘形滚刀的半径R1及最大允许磨损量Δh的数值，依据表1判断该把滚刀的运行状态，并在触摸屏11中进行实时显示。
触摸屏中的显示效果参见图9，刀盘上各个位置处的滚刀的运行状态均实时显现，以便于掘进机操作者观察，决定是否换刀或改变掘进参数。
Claims (4)
1.一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统，其特征在于，包括用于检测滚刀转速的检测探头、前置器、无线发射装置、信号接收装置、掘进机PLC控制系统和触摸屏，所述的检测探头安装于盘形滚刀刀轴内，检测探头、前置器、无线发射装置依次通信连接，无线发射装置通过无线方式与信号接收装置通信连接，所述的信号接收装置、掘进机PLC控制系统和触摸屏依次通信连接，所述的检测探头为电涡流式传感器，所述盘形滚刀刀轴上开有径向孔以及处于轴中心处的轴向孔，所述的径向孔为阶梯孔，阶梯孔包括一个处在盘形滚刀刀轴径向靠外部分的内径较大的内螺纹孔及一个连接在内螺纹孔后的内径较小光孔，信号传感器固定于内螺纹孔内，连接于信号传感器尾端的信号导出线穿过光孔，轴向孔和径向孔在刀圈对应轴段中心处贯通，传感器导线经由阶梯孔、轴向孔引出至轴端，所述的盘形滚刀内部隔环沿径向开有与内螺纹孔贯通的圆孔以便于传感器安装，刀榖内表面的凸台表面开有多个均匀排列的齿，检测探头正对刀榖内表面的凸台表面以在滚刀转动时检测齿的运动。
2.根据权利要求1所述的一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统，其特征在于，所述的无线发射装置包括发射装置微控制器、发射装置电源模块及发射装置射频收发器，所述的发射装置电源模块为发射装置微控制器供电，所述的发射装置微控制器通信连接发射装置射频收发器，所述的发射装置射频收发器通过无线方式通信连接信号接收装置，发射装置微控制器通信连接前置器，所述的信号接收装置包括接收装置微控制器、接收装置射频收发器、接收装置电源模块和串口单元，所述的接收装置电源模块为接收装置微控制器供电，所述的接收装置微控制器分别通信连接接收装置射频收发器和串口单元，接收装置射频收发器通过无线方式通信连接无线发射装置，串口单元通信连接掘进机PLC控制系统。
3.根据权利要求1所述的一种掘进机刀盘盘形滚刀群体运行状态监测系统，其特征在于，所述的检测探头为声信号传感器，所述盘形滚刀刀轴上开有径向孔以及处于轴中心处的轴向孔，所述的径向孔为阶梯孔，阶梯孔包括一个处在盘形滚刀刀轴径向靠外部分的内径较大的内螺纹孔及一个连接在内螺纹孔后的内径较小光孔，信号传感器固定于内螺纹孔内，连接于信号传感器尾端的信号导出线穿过光孔，轴向孔和径向孔在刀圈对应轴段中心处贯通，传感器导线经由阶梯孔、轴向孔引出至轴端，所述的盘形滚刀内部隔环沿径向开有与内螺纹孔贯通的圆孔以便于传感器安装。
4.一种采用如权利要求1-3任一所述的系统进行监测掘进机掘进过程中刀盘盘形滚刀群体运行状态的方法，其特征在于，利用传感器检测各盘形滚刀个体自转速度n，并通过无线数据传输装置将该个体自转速度n传送至掘进机控制室计算机，进而根据盘形滚刀个体自转速度n以及预存的基准值n1之间的关系，进而判断盘形滚刀的运行状态，所述被检测到的盘形滚刀个体自转速度n与预存的基准值n1之间的关系通过以下公式获得：
S＝(n1－n)/n1
其中S为个体参考值，n1＝n2R2/R1，R1为未磨损状态下盘形滚刀半径、R2为滚刀安装半径，n2为刀盘转速，判断盘形滚刀的运行状态的步骤为：给定盘形滚刀磨损许可极限值Δh0，当参考值S<－Δh0/R1时，说明盘形滚刀个体发生超量磨损；参考值－Δh0/R1≤S≤0时，说明盘形滚刀个体正常运行；参考值S>0时，说明盘形滚刀处于非正常运行状态，即可能出现包括弦磨、卡死在内的非正常运行状态。
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