CN104155300B - 一种盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安全、便捷、经济、可靠的盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置及其方法。它包括摄像装置、照明装置、冲洗装置、第一推进装置、第二推进装置、数据采集与分析装置和盾构机气泡舱，盾构机气泡舱的前壁上设有三个圆孔，圆孔焊接球铰且分别安装球阀用于连接摄像装置、照明装置和冲洗装置，第一推进装置分别与摄像装置和照明装置螺纹连接，第二推进装置与冲洗装置螺纹连接，摄像装置与数据采集与分析装置连接，第一推进装置和第二推进装置均与盾构机气泡舱的前壁通过球阀连接。本发明的有益效果是：避免刀具损坏后未及时更换而造成大面积损伤或不必要开舱检查及更换刀具，延长刀具使用寿命，降低工程安全风险，缩短工程周期。

Description

一种盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及盾构机刀具磨损检测相关技术领域，尤其是指一种用于隧道盾构施工中盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置及其方法。

背景技术

隧道盾构施工由于其经济性、安全性以及对地面环境影响较小等优点在软土地区得到广泛应用。在盾构施工过程中，刀具磨损的评估与解决是最难的课题之一。在复合地层的盾构工程中，盾构机一般选用复合式刀盘，即滚刀与刮刀相互搭配，刮刀受到滚刀的保护，盾构机刀具的磨损以滚刀的磨损为主。滚刀的磨损一般可分为正常磨损和非正常磨损，正常磨损主要指均匀磨损和偏磨，而非正常磨损则主要包括漏油、刀圈崩裂、挡圈脱落等等。刀具磨损或失效后若不能及时发现或更换，将导致刀圈超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至刀盘严重磨损，大大降低掘进效率。并且刀具更换必须为带压作业，其特点是安全风险大、费用高昂、作业工期长。所以，人为的任意盲目更换刀具会造成工期延长，增加工程成本和安全风险。

目前，刀具磨损、失效的常见的监测方法有以下几种：①异味添加剂：这种方法适合在TBM中应用，为了检测轴承失效情况，在其轴承润滑油中加入了具有异味的MOLYUAN添加剂，掘进中若刀具漏油，则放出刺鼻的异味，能很敏感地报告刀具损坏信息。②刀具磨损感应装置：在刀具或刀盘内安装液压或电子传感器系统，一旦刀具磨损到一定程度就会自动报警指示。③掘进参数分析：随着刀具的磨损，在推力不变的情况下，掘进速度一般会降低，扭矩增加，据此可以粗略估计刀具磨损情况。④岩渣形状分析：一般地，新刀产生的岩渣块度较大，多呈片块状，棱角分明，刀具磨损后，岩渣块度变小棱角磨损，粉末增加。⑤开舱检查：这是最直接最可靠的方法，停机后由人工进舱逐个刀具检查。在上述方法中，开舱检查的方法最为直接有效，但却存在很高的风险，可能造成开挖面的坍塌，进而影响隧道周边建筑物的安全，且周期长、费用高。刀具磨损感应装置只能安装于少部分刀具上，对其他刀具的磨损则无法感应，且无法检测偏磨和非正常磨损。异味添加剂在土压平衡式盾构和泥水式盾构中效果不佳。掘进参数分析方法则是通过对一些最基本、最重要的掘进数据进行分析后，建立经验关系，其无法准确预测刀具的磨损情况。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种安全、便捷、经济、可靠的盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置及其方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置，其特征是，包括摄像装置、照明装置、冲洗装置、第一推进装置、第二推进装置、数据采集与分析装置和盾构机气泡舱，所述盾构机气泡舱的前壁上设有三个圆孔，所述的圆孔焊接球铰且分别安装球阀用于连接摄像装置、照明装置和冲洗装置，所述的第一推进装置分别与摄像装置和照明装置螺纹连接，所述的第二推进装置与冲洗装置螺纹连接，所述的摄像装置与数据采集与分析装置连接，所述的第一推进装置和第二推进装置均与盾构机气泡舱的前壁通过球阀连接。

摄像装置需满足高像素、小畸变、性能稳定的要求，并具备防泥水、耐高压、耐侵蚀的特点。照明装置用于补强密封舱内光照，分为摄像自带照明和独立辅助照明两部份：前者安装于摄像装置前端封装头周围；后者独立封装，通过第一推进装置推送至合适位置，起到辅助照明的作用；其中：照明装置要求有足够光照度，使相机成像清晰；光照不能太集中，以防成像时局部出现过曝或存在暗影；同时尺寸不能太大，要能够从预留的球阀中通过；易于封装及与第一推进装置相连接；满足防水耐压抗腐蚀的功能要求。冲洗装置能在狭小的盾构机气泡舱内安装使用，且轻便易于安装和操作；能够冲洗刀具。第一推进装置分别与摄像装置和照明装置螺纹连接，第二推进装置与冲洗装置螺纹连接，并可将其推至刀盘后部，以满足对指定位置的摄像需要，完成拍摄后可退缩至原位，第一推进装置和第二推进装置均与气泡舱的前壁通过球阀连接，并可通过圆孔上焊接的球铰调整角度，不用时可将球阀关闭。数据采集与分析装置用于采集摄像数据，并分析数据，得到刀具磨损信息。通过摄像装置对刀具进行拍照成像，然后数据采集与分析装置对摄像装置所得图像进行分析处理建立数字化模型，并和刀具原始模型进行比较，确定刀具磨损情况，以便对需要更换的刀具进行及时处理，避免刀具损坏后未及时更换而造成大面积的损伤或不必要开舱检查及更换刀具，延长刀具的使用寿命，从而降低工程安全风险，降低工程造价，缩短工程周期。

作为优选，所述的第一推进装置包括第一手轮、中空的螺纹杆、中空的活塞杆、转接头和第一连接体，所述的活塞杆安装在第一连接体内，所述活塞杆的一端安装转接头，所述活塞杆的另一端与螺纹杆连接，所述螺纹杆的一端置于活塞杆的内部，所述螺纹杆的另一端安装第一手轮，所述的摄像装置包括摄像电源线和数据线，所述的照明装置包括照明电源线，所述的摄像装置和照明装置均与转接头连接，所述的摄像装置和照明装置与转接头之间均设有密封圈，所述的摄像电源线、数据线和照明电源线均安装在螺纹杆的内部，所述的摄像装置通过数据线与数据采集和分析装置连接。

作为优选，所述的第二推进装置包括第二手轮、前立板、后立板、挡管夹、夹管器、定位栓和钢管连接体，所述的第二手轮安装在后立板一侧，所述的钢管连接体安装在前立板上，所述的前立板与后立板通过若干连接杆连接，所述的前立板和后立板之间设有螺杆，所述第二手轮安装在螺杆的一端，所述的螺杆上设有连接座，所述的连接座与螺杆螺纹连接，所述的连接座与连接杆滑动连接，所述的挡管夹和夹管器安装在连接座上，所述的定位栓安装在钢管连接体上。

一种基于盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置的定量分析方法，通过从刀盘背面对刀具进行拍照成像，然后利用图像处理软件对所得图像进行分析处理，再与刀具原始三维模型进行对比，计算刀具磨损情况，以便对需要更换的刀具进行及时处理，具体操作步骤如下：

(5)盾构机精密三维模型的构造，用于与被测刀具相比较，以便于确定刀具的磨损情况；

(6)相机选型、封装与标定，通过相机标定，可以对摄取的影像进行畸变校正，消除由相机镜头畸变产生的像点坐标误差；

(7)图像采集，采集实际使用的一组刀具影像；

(8)数据分析，以获取磨损信息。

刀具磨损的定量分析方法主要包括盾构机精密三维模型建立、施工中刀具照片拍摄和磨损定量计算三部份工作。其中精密三维模型建立采用设计单位提供的CAD图纸作为盾构机模型的基础框架，以盾构机实体的激光扫描点云信息作为调整依据。施工中刀具照片拍摄采用经过三维控制场标定的摄像头为摄像装置，利用高压封装技术，并配合照明装置和冲洗装置，以克服盾构开挖舱内高水压、无光源、高侵蚀性、泥水混合复杂介质等不利条件，获得一组刀具影像。磨损定量计算采用经畸变修正后的影像，利用P4P算法和空间后方交会(Resection)进行定向解算，在影像和模型上提取特征点或特征线，将模型上的点投影到图像上，获取磨损信息。

作为优选，在步骤(1)中，采用设计单位提供的CAD图纸，作为模型的基础框架设计基准，盾构机精密三维模型的构造主要采用构建实体几何(CSG)的方式，首先完成盾构设备中尺寸确定的部件和框架，然后将这些局部体素进行拼接组装；在盾构机根据工程图制作的三维模型初步完成以后，对生产车间内的盾构机实体进行了激光扫描，采集了盾构机的点云信息，用点云数据进行调整和进一步构造。

作为优选，在步骤(2)中，相机的标定是通过室内高精度三维控制场进行标定，得到内参数矩阵K和畸变参数kc，然后采用P4P算法结合空间后方交会(Resection)方法的联合定向解算方案，实现精密姿态解算。

作为优选，在步骤(3)中，具体步骤如下，将摄像装置固定到第一推进装置的转接头处，与球阀对接，打开球阀，转动第一手轮，利用螺纹杆将摄像装置推送到盾构机气泡舱的前壁外，同时采用类似方法将照明装置与冲洗装置推送到合适位置，打开电源，通过摄像装置对刀具进行观察，如有必要可利用冲洗装置进行定向清洗，照明装置调整光照，至所成图像清晰可辨，利用球铰将摄像装置调整一定角度后，再次拍照，获得一组刀具影像。

作为优选，在步骤(4)中，在盾构机精密三维模型和采集的图像上提取明显的特征点或特征线，用他们作为转化的基准数据，采用P4P定向算法来实现定向操作，即在盾构机精密三维模型和采集的图像上分别选取同名点，存入盾构机精密三维模型和采集的图像坐标文件，然后一次性读取这些文件，计算定向参数，定向操作完成以后，获取了由盾构机精密三维模型到采集的图像的投影参数或矩阵，就可以将盾构机精密三维模型上的点投影到采集的图像上，将盾构机精密三维模型上的刀盘的边缘投影到采集的图像上，与采集的图像上的刀盘边缘进行对比，就可以获取磨损信息。

本发明的有益效果是：以安全、便捷、经济、可靠的方法检测刀具的磨损程度，避免刀具损坏后未及时更换而造成大面积的损伤或不必要开舱检查及更换刀具，延长的刀具的使用寿命，从而降低工程安全风险，降低工程造价，缩短工程周期；实现了刀具虚拟可视化集成显示和磨损情况的数字化评估，既有利于施工安排和进行盾构机的及时停机检修与故障处理，又可把由刀具磨损造成的经济和时间损失降至最低，使大型隧道工程建设与运营效益最大化，具有重要的经济和社会效益及重大的工程意义。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明检测装置的分布示意图；

图3是第一推进装置的结构示意图；

图4是第二推进装置的结构示意图。

图中：1、盾构机气泡舱，2、摄像装置，3、照明装置，4、冲洗装置，5、第一手轮，6、螺纹杆，7、活塞杆，8、转接头，9、第一连接体，10、第二手轮，11、后立板，12、挡管夹，13、夹管器，14、前立板，15、定位栓，16、钢管连接体，17、连接杆，18、螺杆，19、连接座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图2所述的实施例中，一种盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置，包括摄像装置2、照明装置3、冲洗装置4、第一推进装置、第二推进装置、数据采集与分析装置和盾构机气泡舱1，盾构机气泡舱1的前壁上设有三个圆孔，圆孔焊接球铰且分别安装球阀用于连接摄像装置2、照明装置3和冲洗装置4，第一推进装置分别与摄像装置2和照明装置3螺纹连接，第二推进装置与冲洗装置4螺纹连接，摄像装置2与数据采集与分析装置连接，第一推进装置和第二推进装置均与盾构机气泡舱1的前壁通过球阀连接。

如图3所示，第一推进装置包括第一手轮5、中空的螺纹杆6、中空的活塞杆7、转接头8和第一连接体9，活塞杆7安装在第一连接体9内，活塞杆7的一端安装转接头8，活塞杆7的另一端与螺纹杆6连接，螺纹杆6的一端置于活塞杆7的内部，螺纹杆6的另一端安装第一手轮5，摄像装置2包括摄像电源线和数据线，照明装置3包括照明电源线，摄像装置2和照明装置3均与转接头8连接，摄像装置2和照明装置3与转接头8之间均设有密封圈，摄像电源线、数据线和照明电源线均安装在螺纹杆6的内部，摄像装置2通过数据线与数据采集与分析装置连接。

如图4所示，第二推进装置包括第二手轮10、前立板14、后立板11、挡管夹12、夹管器13、定位栓15和钢管连接体16，第二手轮10安装在后立板11一侧，钢管连接体16安装在前立板14上，前立板14与后立板11通过若干连接杆17连接，前立板14和后立板11之间设有螺杆18，第二手轮10安装在螺杆18的一端，螺杆18上设有连接座19，连接座19与螺杆18螺纹连接，连接座19与连接杆17滑动连接，挡管夹12和夹管器13安装在连接座19上，定位栓15安装在钢管连接体16上。

如图1所示，一种基于盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置的定量分析方法，通过从刀盘背面对刀具进行拍照成像，然后利用图像处理软件对所得图像进行分析处理，再与刀具原始三维模型进行对比，计算刀具磨损情况，以便对需要更换的刀具进行及时处理，具体操作步骤如下：

(1)盾构机精密三维模型的构造，用于与被测刀具相比较，以便于确定刀具的磨损情况；具体如下，采用设计单位提供的CAD图纸，作为模型的基础框架设计基准，盾构机精密三维模型的构造主要采用构建实体几何(CSG)的方式，首先完成盾构设备中尺寸确定的部件和框架，然后将这些局部体素进行拼接组装；在盾构机根据工程图制作的三维模型初步完成以后，对生产车间内的盾构机实体进行了激光扫描，采集了盾构机的点云信息，用点云数据进行调整和进一步构造；

(2)相机选型、封装与标定，通过相机标定，可以对摄取的影像进行畸变校正，消除由相机镜头畸变产生的像点坐标误差；相机的标定是通过室内高精度三维控制场进行标定，得到内参数矩阵K和畸变参数kc，然后采用P4P算法结合空间后方交会(Resection)方法的联合定向解算方案，实现精密姿态解算；

(3)图像采集，采集实际使用的一组刀具影像；具体步骤如下，将摄像装置2固定到第一推进装置的转接头8处，与球阀对接，打开球阀，转动第一手轮5，利用螺纹杆6将摄像装置2推送到盾构机气泡舱1的前壁外，同时采用类似方法将照明装置3与冲洗装置4推送到合适位置，打开电源，通过摄像装置2对刀具进行观察，如有必要可利用冲洗装置4进行定向清洗，照明装置3调整光照，至所成图像清晰可辨，利用球铰将摄像装置2调整一定角度后，再次拍照，获得一组刀具影像；

(4)数据分析，以获取磨损信息；具体如下，在盾构机精密三维模型和采集的图像上提取明显的特征点或特征线，用他们作为转化的基准数据，采用P4P定向算法来实现定向操作，即在盾构机精密三维模型和采集的图像上分别选取同名点，存入盾构机精密三维模型和采集的图像坐标文件，然后一次性读取这些文件，计算定向参数，定向操作完成以后，获取了由盾构机精密三维模型到采集的图像的投影参数或矩阵，就可以将盾构机精密三维模型上的点投影到采集的图像上，将盾构机精密三维模型上的刀盘的边缘投影到采集的图像上，与采集的图像上的刀盘边缘进行对比，就可以获取磨损信息。

具体的操作规程包括准备工作、安装推进系统、采集分析数据和系统拆卸四个步骤。

(1)准备工作：降低开挖舱液面至待观测刀具以下，并维持开挖舱内气压；摄像装置2安装时，通过旋转第一手轮5，把活塞杆7旋出第一连接体9外约10cm，在摄像装置2和转接头8之间加上密封圈，把摄像装置2的数据线和电源线合并成单股后从螺纹杆6的中心孔道穿出，旋转摄像装置2使之与转接头8通过螺纹连接，保证系统的密封性，旋转第一手轮5把摄像装置2退回到第一连接体9内；照明装置3的安装与摄像装置2相同，只是缺少数据线；冲洗装置4安装时，通过旋转第二手轮10，将夹管器13退至后立板11，将带喷嘴的钢管穿过后立板11、夹管器13和钢管连接体16的通管孔，拧紧夹管器13，并用挡管夹12固定钢管尾端；检查整体密封性，利用专用的耐压密封试验装置，检查设备的整体密封性，并检查后视设备的功能完备性。为摄像装置2、照明装置3和数据采集与分析装置提供220V的民用电压。

(2)安装推进系统：将推进系统法兰和球阀法兰盘用螺栓连接，连接时在球阀法兰盘与第一推进装置和第二推进装置的法兰盘之间加垫片，在摄像装置2的镜头前装防泥水棉球，以保护镜头；慢慢打开球阀开关，观察有无气体泄漏；推出检测设备，旋转第一手轮5和第二手轮10，把摄像装置2、照明装置3和冲洗装置4慢慢推至既定位置，其中摄像装置2以刚推出盾构机气泡舱1的前壁为宜，冲洗装置4推进过程中需要接管，待夹管器13靠近前立板14，用定位栓15固定钢管，松开待挡管夹12和夹管器13，通过反向转动第二手轮10，将夹管器13退至后立板11，用另一段钢管穿过后立板11、夹管器13和钢管连接体16的通管孔，与前一段钢管连接，重复推进步骤；摄像装置2试成像，数据线和摄像电源线分别与电脑和电源插座连接，在摄像装置2所获取影像的帮助下，调整冲洗装置4的球铰，对需要分析的刀具进行冲洗处理，并调整光照角度至最佳成像状态。

(3)采集分析数据：转动刀盘，使需要检查的刀具和摄像装置2正对，然后成像并采集数据，通过摄像装置2的球铰调整和刀盘位置调整，获得一组刀具影像；转动刀盘，重复之前操作，采集下一位置，直至全部采集完成；将经畸变修正后的影像进行定向解算，在影像和模型上提取特征点或特征线，将模型上的点投影到图像上，获取磨损信息。

(4)系统拆卸：数据采集结束后，将摄像装置2、照明装置3和冲洗装置4退回；关闭球阀开关；安全拆卸，慢慢拧松螺栓，泄出筒内带压气体，并观察有无气体持续泄漏，如确认无气体持续泄漏，则依次拧松螺栓，小心拆卸；如发现有气体持续泄漏，则检查球阀开关是否关紧，直至确认无气体持续泄漏，再进行拆卸。

Claims (5)

1.一种盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置，其特征是，包括摄像装置(2)、照明装置(3)、冲洗装置(4)、第一推进装置、第二推进装置、数据采集与分析装置和盾构机气泡舱(1)，所述盾构机气泡舱(1)的前壁上设有三个圆孔，所述的圆孔焊接球铰且分别安装球阀用于连接摄像装置(2)、照明装置(3)和冲洗装置(4)，所述的第一推进装置分别与摄像装置(2)和照明装置(3)螺纹连接，所述的第二推进装置与冲洗装置(4)螺纹连接，所述的摄像装置(2)与数据采集与分析装置连接，所述的第一推进装置和第二推进装置均与盾构机气泡舱(1)的前壁通过球阀连接，所述的第二推进装置包括第二手轮(10)、前立板(14)、后立板(11)、挡管夹(12)、夹管器(13)、定位栓(15)和钢管连接体(16)，所述的第二手轮(10)安装在后立板(11)一侧，所述的钢管连接体(16)安装在前立板(14)上，所述的前立板(14)与后立板(11)通过若干连接杆(17)连接，所述的前立板(14)和后立板(11)之间设有螺杆(18)，所述第二手轮(10)安装在螺杆(18)的一端，所述的螺杆(18)上设有连接座(19)，所述的连接座(19)与螺杆(18)螺纹连接，所述的连接座(19)与连接杆(17)滑动连接，所述的挡管夹(12)和夹管器(13)安装在连接座(19)上，所述的定位栓(15)安装在钢管连接体(16)上。

2.根据权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置，其特征是，所述的第一推进装置包括第一手轮(5)、中空的螺纹杆(6)、中空的活塞杆(7)、转接头(8)和第一连接体(9)，所述的活塞杆(7)安装在第一连接体(9)内，所述活塞杆(7)的一端安装转接头(8)，所述活塞杆(7)的另一端与螺纹杆(6)连接，所述螺纹杆(6)的一端置于活塞杆(7)的内部，所述螺纹杆(6)的另一端安装第一手轮(5)，所述的摄像装置(2)包括摄像电源线和数据线，所述的照明装置(3)包括照明电源线，所述的摄像装置(2)和照明装置(3)均与转接头(8)连接，所述的摄像装置(2)和照明装置(3)与转接头(8)之间均设有密封圈，所述的摄像电源线、数据线和照明电源线均安装在螺纹杆(6)的内部，所述的摄像装置(2)通过数据线与数据采集与分析装置连接。

3.一种基于如权利要求1或2所述的盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置的定量分析方法，其特征是，通过从刀盘背面对刀具进行拍照成像，然后利用图像处理软件对所得图像进行分析处理，再与刀具原始三维模型进行对比，计算刀具磨损情况，以便对需要更换的刀具进行及时处理，具体操作步骤如下：

(1)盾构机精密三维模型的构造，用于与被测刀具相比较，以便于确定刀具的磨损情况；

(2)相机选型、封装与标定，通过相机标定，可以对摄取的影像进行畸变校正，消除由相机镜头畸变产生的像点坐标误差；相机的标定是通过室内高精度三维控制场进行标定，得到内参数矩阵K和畸变参数kc，然后采用P4P算法结合空间后方交会方法的联合定向解算方案，实现精密姿态解算；

(3)图像采集，采集实际使用的一组刀具影像；

(4)数据分析，以获取磨损信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置的定量分析方法，其特征是，在步骤(1)中，采用设计单位提供的CAD图纸，作为模型的基础框架设计基准，盾构机精密三维模型的构造主要采用构建实体几何(CSG)的方式，首先完成盾构设备中尺寸确定的部件和框架，然后将这些局部体素进行拼接组装；在盾构机根据工程图制作的三维模型初步完成以后，对生产车间内的盾构机实体进行了激光扫描，采集了盾构机的点云信息，用点云数据进行调整和进一步构造。

5.根据权利要求3所述的一种基于盾构机刀具磨损的后部可视化检测装置的定量分析方法，其特征是，在步骤(4)中，在盾构机精密三维模型和采集的图像上提取明显的特征点或特征线，用它们作为转化的基准数据，采用P4P定向算法来实现定向操作，即在盾构机精密三维模型和采集的图像上分别选取同名点，存入盾构机精密三维模型和采集的图像坐标文件，然后一次性读取这些文件，计算定向参数，定向操作完成以后，获取了由盾构机精密三维模型到采集的图像的投影参数或矩阵，就可以将盾构机精密三维模型上的点投影到采集的图像上，将盾构机精密三维模型上的刀盘的边缘投影到采集的图像上，与采集的图像上的刀盘边缘进行对比，就可以获取磨损信息。