CN103698075B - 在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，包括刀具中心轴的轴端支撑结构、用于检测滚刀受力的传感器、信号放大器、发射天线、信号接收装置和监测计算机；所述刀具中心轴的轴端支撑结构包括所述刀具中心轴的轴端结构、支撑楔块和锁紧楔块；在支撑楔块上形成有传感器。本发明利用支撑楔块作为弹性体，通过在弹性体上粘贴电阻应变片形成用于检测滚刀受力的传感器，当掘进机工作时，传感器可在线检测滚刀刀刃所承受的三个方向的受力，据此可以调整掘进操作方案，延长刀具使用寿命，以取得好的掘进效率。还可识别是否发生弦磨，及时掌握滚刀的工作状态，如发生刀刃弦磨可及时换刀具保证掘进效率。

Description

在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置

技术领域

本发明属于大型机械施工设备，具体涉及一种对全断面硬岩掘进机所用的滚刀受力和磨损进行监测的装置。

背景技术

TBM是全断面硬地质掘进机的英文缩写，包括硬岩掘进机和复合盾构掘进机等，前者主要用于岩石地质结构的隧道、涵洞等地下交通工程建设；后者主要用于掘进既有土质又有岩石的地质。硬岩掘进机的刀盘上装有滚刀；复合盾构掘进机的刀盘上既有刮刀又有滚刀。为叙述方便在下文中将硬岩掘进机和复合盾构掘进机统称为掘进机。掘进机在推进力的作用下，滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，滚刀将岩石碾碎，也称为破岩，从而使隧道全断面一次成型。在破岩过程中，滚刀的受力很大，这是破岩所必须的。由此所产生的结果是滚刀易损坏。表现为滚刀结构损坏而失去破岩功能。损坏的形式分为两种，一种是构件断裂，另一种是可旋转的刀刃（也称刀圈）发生弦磨导致无法转动而失去破岩功能。因此，在线测量滚刀在工作时的受力，进而调整工作方式有助于减少损坏。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，包括刀具中心轴的轴端支撑结构、用于检测滚刀受力的传感器、信号放大器、发射天线、信号接收装置和监测计算机；

所述刀具中心轴的轴端支撑结构包括所述刀具中心轴的轴端结构、支撑楔块和锁紧楔块；所述刀具中心轴的轴端结构包括一底部平面、一侧立面和一侧斜面，所述侧斜面和所述侧立面分设在所述刀具中心轴的轴端两侧；所述支撑楔块设有与所述刀具中心轴的轴端结构适配的底部支撑平面、侧部支撑立面和侧部开口；在刀架上设有楔嵌槽，所述支撑楔块安装在所述楔嵌槽内，所述刀具中心轴的轴端被支承在所述支撑楔块内，所述锁紧楔块压在所述刀具中心轴的侧斜面上，并与所述刀架固接；所述支撑楔块被刀具中心轴和所述锁紧楔块压紧固定在所述楔嵌槽内；

所述支撑楔块设有两个端面，一个端面朝向刀刃，另一个端面背向刀刃，在所述支撑楔块的两个端面设有一一相对的电阻应变片；在所述支撑楔块的每个端面上设有贴片凹槽，在所述贴片凹槽内设有两个矩形贴片区，一个是下部贴片区，另一个是侧部贴片区；在每个所述贴片区内设有两组电阻应变片，每组电阻应变片由一横一纵设置的两个电阻应变片组成；每个贴片区内的两个横置电阻应变片串联形成横向片，两个纵置电阻应变片串联形成纵向片，连接同一端面上的所述横向片和所述纵向片形成两相邻桥臂，连接两个端面上相对的所述横向片和纵向片分别形成相对桥臂，相对的两个贴片区内的电阻应变片相连形成一电桥电路，所述电桥电路设有供电线和输出线，每个所述电桥电路构成一所述传感器；

所述信号放大器接收所述传感器的信号，所述发射天线接收所述信号放大器的信号，所述信号接收装置接收所述发射天线的信号，所述监测计算机接收所述信号接收装置的信号。

所述侧部贴片区的中心到所述侧部支撑立面的距离为该中心部位支撑楔块厚度的0.3-0.4倍，所述侧部贴片区的中心位于所述侧部支撑立面接触部分的水平平分面内；所述下部贴片区的中心到所述底部支撑平面的距离为该中心部位支撑楔块厚度的0.3-0.4倍，所述下部贴片区的中心相对所述底部支撑平面接触部分的垂直平分面向所述侧部开口方向偏离0.2-0.3倍的底部支撑平面的长度。

所述矩形贴片区的宽度为3-6mm，所述矩形贴片区的长度为所述侧立面的长度的0.25-0.4倍或所述底部平面的长度的0.25-0.4倍。

支撑楔块朝向刀刃的端面上设有与其固接的保护盖板。

本发明具有的优点和积极效果是：利用支撑楔块作为弹性体，通过在弹性体上粘贴电阻应变片形成用于检测滚刀受力的传感器，当掘进机工作时，传感器可在线检测滚刀刀刃所承受的三个方向的受力，据此可以调整掘进操作方案，延长刀具使用寿命，以取得好的掘进效率。还可识别是否发生弦磨，及时掌握滚刀的工作状态，如发生刀刃弦磨可及时换刀具保证掘进效率。

附图说明

图1为掘进机刀盘上滚刀安装的示意简图；

图2为滚刀安装结构的侧向简图；

图3为滚刀安装结构的正向结构简图；

图4为图3的A-A向视图；

图5为图4的局部放大图；

图6为本发明在朝向刀刃端面上的结构简图；

图7为本发明在背向刀刃端面上的结构简图；

图8为支撑楔块侧部应变片组成桥式电路的原理示意图；

图9为支撑楔块下部应变片组成桥式电路的原理示意图；

图10为滚刀受力示意图。

图中：1、刀盘；2、滚刀装置；3、滚刀刀刃；4、轴承；5、刀具中心轴；6、底部平面；7、侧立面；8、侧斜面；9、支撑楔块；10、锁紧楔块；11、螺栓；12、刀架；13、朝向刀刃的端面；14、背向刀刃的端面；15、16、20、21、区域；17、过孔；18、出线孔。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图10，在全断面硬地质掘进机的刀盘1上安装有多个滚刀装置2，滚刀刀刃3呈扁平圆盘形状，也称刀圈，滚刀刀刃3通过轴承4支承在刀具中心轴5上，所述刀具中心轴5的两端各设一轴端支撑结构。

本发明一种在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，包括刀具中心轴5的轴端支撑结构、用于检测滚刀受力的传感器、信号放大器、发射天线、信号接收装置和监测计算机。

所述刀具中心轴5的轴端支撑结构包括所述刀具中心轴5的轴端结构、支撑楔块9和锁紧楔块10；所述刀具中心轴5的轴端结构包括一底部平面6、一侧立面7和一侧斜面8，所述侧斜面8和所述侧立面7分设在所述刀具中心轴5的轴端两侧；所述支撑楔块9设有与所述刀具中心轴5的轴端结构适配的底部支撑平面、侧部支撑立面和侧部开口；在刀架12上设有楔嵌槽，所述支撑楔块9安装在所述楔嵌槽内，所述刀具中心轴5的轴端被支承在所述支撑楔块9内，所述锁紧楔块10压在所述刀具中心轴5的侧斜面8上，并与所述刀架12固接；所述支撑楔块9被刀具中心轴5和所述锁紧楔块10压紧固定在所述楔嵌槽内。上述结构形成一轴端支撑结构。

刀架12是固定中心轴5的框形结构并被焊接在刀盘1上。支撑楔块9位于刀架12上的楔嵌槽内，固定不动。所起作用是支撑刀具中心轴5，便于更换滚刀，滚刀所受外载荷直接由支撑楔块9承载。掘进过程中，滚刀刀刃3、刀具中心轴5是易损件，可随时更换，而支撑楔块9可重复使用。

本发明选择支撑楔块9作为载荷传递元件或称弹性体，通过在支撑楔块9上贴电阻应变片来实现受力测量。

所述支撑楔块9设有两个端面，一个端面朝向刀刃，另一个端面背向刀刃，在所述支撑楔块9的两个端面设有一一相对的电阻应变片；请参见图6，在所述支撑楔块9的每个端面上设有贴片凹槽，在所述贴片凹槽内设有两个矩形贴片区，一个是下部贴片区，另一个是侧部贴片区，在每个所述贴片区内设有两组电阻应变片，每组电阻应变片由一横一纵设置的两个电阻应变片组成，每个贴片区内的两个横置电阻应变片串联形成横向片，两个纵置电阻应变片串联形成纵向片，连接同一端面上的所述横向片和所述纵向片形成两相邻桥臂，连接两个端面上相对的所述横向片和纵向片分别形成相对桥臂，相对的两个贴片区内的电阻应变片相连形成电桥电路，所述电桥电路设有供电线和输出线，每个所述电桥电路构成一所述传感器。每个支撑楔块上有两组相对的贴片区，因此每一轴端支撑结构上设有两组用于检测滚刀受力的传感器。

具体结构请参见图6～图9，在支撑楔块9朝向刀刃的端面13上和背向刀刃的端面14上，分别加工出深1-1.5mm的贴片凹槽，用于粘贴电阻应变片。在支撑楔块9朝向刀刃的端面上选择区域15、16作为贴片区域，在位于侧部的区域15内粘贴纵置的一组应变片R11、R12以及一组横置的应变片R13、R14，在位于下部的区域16内粘贴一组纵置的应变片R15、R16以及一组横置的应变片R17、R18，在支撑楔块9背向刀刃的端面14上选择区域20、21作为贴片区域，在位于侧部的区域20内粘贴纵置的一组应变片R21、R22以及一组横置的应变片R23、R24，在位于下部的区域21内粘贴一组纵置的应变片R25和R26以及一组横置的应变片R27、R28，且每组的两个应变片串联后作为桥臂，相对的两个区域15、20内的四组8个应变片R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23、R24连接形成一电桥电路，在输入端施加电压V01，输出端的输出电压VSC1随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。相对的两个区域16、21内的四组8个应变片R15、R16、R17、R18、R25、R26、R27、R28连接形成一电桥电路，在输入端施加电压V02，输出端的输出电压VSC2随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。电桥电路的引线包括供电线和输出线，均引入到过孔17，再由出线孔18引出。输出导线经防护钢管，内径即可，连接到无线应变放大器，放大器和发射天线放置在刀盘箱体不易受碎石冲击之处，并用高强度工程塑料壳保护。无线接收装置接收到所有测量信号后，再由监测计算机采集并处理数据。

支撑楔块背向刀刃的端面紧贴刀架12的内壁不会受到碎石的破坏，而朝向刀刃的端面与轴承4之间会有间隙。为了确保电阻应变片不被碎石损坏，在这一端面增加了保护盖板19。盖板19通过螺钉紧固于支撑楔块9上。

在本文中，矩形贴片区位于贴片区域内，是下部贴片区和侧部贴片区的统称。矩形贴片区的宽度代表一横一纵粘贴的应变片的外侧尺寸，矩形贴片区的长度代表两平行应变片的中轴线之间的距离，并非虚线框的几何尺寸。为了使测量的准确性最好，矩形贴片区的宽度是3-6mm，长度为所述侧立面7的长度的0.25-0.4倍或所述底部平面6的长度的0.25-0.4倍。

矩形贴片区域的位置确定如下，请参见图6，所述侧部贴片区的中心到所述侧部支撑立面的距离为该中心部位支撑楔块厚度的0.3-0.4倍，且所述侧部贴片区的中心位于所述侧部支撑立面接触部分的水平平分面内；所述下部贴片区的中心到所述底部支撑平面的距离为该中心部位支撑楔块厚度的0.3-0.4倍，所述下部贴片区的中心相对所述底部支撑平面接触部分的垂直平分面向所述侧部开口方向偏离0.2-0.3倍的底部支撑平面的长度。选择上述位置和尺寸的目的：是在此贴片对外力的大小尽量敏感而对力作用点的变化尽量不敏感。

每套滚刀有两个支撑楔块9，因此可形成四个传感器。利用传感器的测量信号，可得到滚刀的三个受力，进而可判断弦磨。

请参见图10，外力识别：滚刀工作时受到互相垂直的三个方向力的作用，分别为正向压力F_n、侧向力F_s和滚压阻力F_r。这些力传递到滚刀的两个支撑楔块上，分别为，F_n1，F_n2，F_r1，F_r2，可由四个电桥电路即四个传感器测量，三个力的最终测量值分别为：

F_n＝F_n1+F_n2

F_r＝F_r1+F_r2

$F_s=\frac{F_{n1}-F_{n2}}{R}\·L$

式中：R为滚刀半径，L为滚刀刀圈至中心轴支撑楔块接触面中心的距离。

将上述四路测量信号采集到监测计算机中，只需简单的计算就可得到滚刀的三个受力。滚刀刀刃处于弦磨和未弦磨时，三个受力之间的数量关系会发生变化，刀圈和中心轴的振动模态也会发生变化。基于这些变化可以识别弦磨。

单个滚刀破岩正向压力可达25吨，所以滚刀自身既是关键部件又是易损件，其受力状况直接影响刀具的工作效率和寿命。比如，滚刀受力太大会增加自身的破损，降低工作效率，而一旦发生偏磨将彻底失去功能。

每套滚刀对应4个测量桥路。通过4路测量信号可以得到滚刀所受的三个方向的力。这四路信号既反映力的大小也反映滚刀的振动状态，如果滚刀刀刃进入弦磨状态，滚刀的转动将受到影响甚至停转。刀刃与岩石之间的弦磨状态由滚压变为滑动摩擦。这将使得滚刀振动幅值和频率会发生明显改变。根据检测到的振动幅值和频率便可判定滚刀刀刃是否进入弦磨状态。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，其特征在于，包括刀具中心轴的轴端支撑结构、用于检测滚刀受力的传感器、信号放大器、发射天线、信号接收装置和监测计算机；

所述刀具中心轴的轴端支撑结构包括所述刀具中心轴的轴端结构、支撑楔块和锁紧楔块；所述刀具中心轴的轴端结构包括一底部平面、一侧立面和一侧斜面，所述侧斜面和所述侧立面分设在所述刀具中心轴的轴端两侧；所述支撑楔块设有与所述刀具中心轴的轴端结构适配的底部支撑平面、侧部支撑立面和侧部开口；在刀架上设有楔嵌槽，所述支撑楔块安装在所述楔嵌槽内，所述刀具中心轴的轴端被支承在所述支撑楔块内，所述锁紧楔块压在所述刀具中心轴的侧斜面上，并与所述刀架固接；所述支撑楔块被刀具中心轴和所述锁紧楔块压紧固定在所述楔嵌槽内；

所述支撑楔块设有两个端面，一个端面朝向刀刃，另一个端面背向刀刃，在所述支撑楔块的两个端面设有一一相对的电阻应变片；在所述支撑楔块的每个端面上设有贴片凹槽，在所述贴片凹槽内设有两个矩形贴片区，一个是下部贴片区，另一个是侧部贴片区；在每个所述贴片区内设有两组电阻应变片，每组电阻应变片由一横一纵设置的两个电阻应变片组成；每个贴片区内的两个横置电阻应变片串联形成横向片，两个纵置电阻应变片串联形成纵向片，连接同一端面上的所述横向片和所述纵向片形成两相邻桥臂，连接两个端面上相对的所述横向片和纵向片分别形成相对桥臂，相对的两个贴片区内的电阻应变片相连形成一电桥电路，所述电桥电路设有供电线和输出线，每个所述电桥电路构成一所述传感器；

所述信号放大器接收所述传感器的信号，所述发射天线接收所述信号放大器的信号，所述信号接收装置接收所述发射天线的信号，所述监测计算机接收所述信号接收装置的信号。

2.根据权利要求1所述的在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，其特征在于，所述侧部贴片区的中心到所述侧部支撑立面的距离为该中心部位支撑楔块厚度的0.3-0.4倍，所述侧部贴片区的中心位于所述侧部支撑立面接触部分的水平平分面内；所述下部贴片区的中心到所述底部支撑平面的距离为该中心部位支撑楔块厚度的0.3-0.4倍，所述下部贴片区的中心相对所述底部支撑平面接触部分的垂直平分面向所述侧部开口方向偏离0.2-0.3倍的底部支撑平面的长度。

3.根据权利要求1所述的在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，其特征在于，所述矩形贴片区的宽度为3-6mm，所述矩形贴片区的长度为所述侧立面的长度的0.25-0.4倍或所述底部平面的长度的0.25-0.4倍。

4.根据权利要求1所述的在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，其特征在于，支撑楔块朝向刀刃的端面上设有与其固接的保护盖板。