CN105352420B - 一种tbm滚刀磨损在线实时监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置及监测方法，其装置包括刀座、设于刀座上的滚刀、数据采集模块和计算机，所述数据采集模块包括置于刀座内的磁敏Z元件和永磁体、定值电阻和单片机处理器，所述磁敏Z元件、定值电阻和单片机处理器组成数据采集回路，当永磁体的磁场由于滚刀磨损而发生变化时，会引起磁敏Z元件阻值变化，定值电阻两端电压也改变；单片机处理器测得定值电阻两端电压并通过无线发射模块发送给计算机，并由计算机根据电压与磨损的对应关系公式计算得到滚刀磨损量；该发明设备和方法可以实现对滚刀磨损的监测，精确度高，监测量程大，并有较强的抗振动干扰及防水能力，可以方便拆卸，具有较强的适用性。

Description

一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置及监测方法
技术领域
本发明属于地下工程及隧道TBM掘进施工领域，涉及功能材料组合及传感器的应用，具体涉及一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置及监测方法。
背景技术
目前TBM已广泛应用于地下工程如隧道、引水隧洞等的施工，由于岩石坚硬以及地层的不均一性，滚刀在TBM掘进过程中极易被磨损破坏。据统计，由刀具磨损破坏引起的使用消耗约占TBM整机价格的30％，由刀具检查、换刀等引起的时间消耗约占TBM掘进时间的1/3。通常认为，滚刀磨损量达到20mm就会影响正常的掘进效率，单把滚刀的破坏会引起相邻刀具的偏磨，加剧其破坏速度，甚至会造成刀盘开裂、解体，因而需要对滚刀磨损量大小进行实时监测。
对于滚刀磨损量目前多由施工经验或理论方法计算，此方法难以实现对每一把滚刀的跟踪监测，且具有较大的主观性，不能实现在不同的掘进环境下普遍适用；对于敞开式TBM，可以通过停机进入刀盘内部对滚刀磨损量进行逐一测量，但是此方法费时费力，还具有较大的危险性。
国内已有这方面的研究，例如中国发明专利(公开号CN 103969139 A)提出了一种在线滚刀磨损检测方法，利用位移传感器及速度传感器可以实现对滚刀磨损量及转速的测量，但是此方法所用的位移传感器在岩渣较多时可能会受到大的干扰，难以检测到有效数据；中国实用新型专利(公开号2013164109 U)公开了一种TBM滚刀磨损的检测装置，利用激光光学传感器实现对滚刀磨损量的检测，但是此方法同样会受到异物的影响，不能有效测量；中国发明专利(公开号CN 103148771 A)公布了一种利用电涡流传感器监测TBM滚刀磨损的装置，可以实现对滚刀磨损的在线监测，但是由于电涡流传感器对测量对象的金属表面积要求较高，并且量程不足，给实际应用带来了一定难度。市面上常见的电涡流传感器最大量程大约为25mm，传感器探头直径为50mm，量程越大，电涡流传感器的探头直径越大，所需要的金属板范围大约为探头直径的两倍，也就是说要想达到量程为25mm需要直径为100mm的金属板，否则会引起测量不准。
综上所述，针对TBM滚刀磨损的监测尚未有成熟可以大范围推广使用的设备及方法，急需开发一种新的量程足够，精度高且稳定可靠的设备及监测方法解决滚刀磨损监测的难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置及监测方法，既能提供足够量程精确测量滚刀磨损，又能防止测量受到岩渣等异物的干扰。
本发明提供一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置，包括刀座、设于刀座上的滚刀、数据采集模块和数据处理模块，其特征在于：所述数据采集模块包括永磁体、磁敏Z元件和数据采集器，所述永磁体和磁敏Z元件固定设于刀座内正对着滚刀，所述数据采集器块包括A电源、定值电阻、单片机处理器和无线发射模块，所述A电源、定值电阻和磁敏Z元件两端通过导线串联组成数据采集回路，所述单片机处理器与定值电阻并联，当永磁体的磁场由于滚刀磨损而发生变化时，会引起磁敏Z元件阻值变化，从而引起定值电阻两端的电压变化，所述对数据进行采集并进行A/D转换的单片机处理器与可以发射无线信号的无线发射模块相连，B电源为单片机处理器和无线发射模块提供电源；所述数据处理模块包括无线接收模块和将接受的无线信号转换成滚刀磨损量的计算机。
当刀座上的滚刀磨损时，滚刀与永磁体之间的距离变大，二者之间的磁感线密度减小，引起磁敏Z元件阻值的变化，从而改变定值电阻两端的电压值，单片机处理器测得定值电阻两端电压值并通过无线发射模块发送给计算机，所述计算机获取定值电阻两端电压值，通过先前标定时录入其中的公式即可计算出滚刀磨损量
作为优选，所述一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置的刀座内正对着滚刀位置设有可拆卸连接的传感器基座，所述传感器基座内设有密封配合的四氟乙烯保护壳，所述永磁体和磁敏Z元件通过AB胶固定于四氟乙烯保护壳。
作为优选，所述一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置，还包括四氟乙烯保护箱，所述A电源、定值电阻、B电源、单片机处理器和无线发射模块均置于四氟乙烯保护箱内。
所述四氟乙烯保护箱具有较强的耐磨性，防止岩渣对位移监测装置的破坏，保证测量精度，兼具有防水和抗震功效。
本发明提供一种TBM滚刀磨损在线实时监测方法，其特征在于包括如下步骤：
①将没有磨损的全新滚刀安装在上述TBM滚刀磨损在线实时监测装置的刀座上，打开所述监测装置电源并记录好定值电阻两端初始电压值；
②沿磁敏Z元件轴线方向加大滚刀与磁敏Z元件之间的距离，每次增大1mm，并记录相应的电压值变化，直至位移达到3cm；
③根据对上述滚刀位移大小和测得对应的定值电阻两端电压值数据进行线性拟合，得到一个计算公式，将拟合好的计算公式输入计算机中，就完成了对本发明在线监测装置的初始标定；
④当刀座上的滚刀磨损时，单片机处理器测得定值电阻两端的电压值，将测得的定值电阻两端电压值录入计算机中之前标定时拟合的公式即可计算出滚刀磨损量。
本发明的有益效果是：
提供一种全新的可以实现对滚刀磨损量的非接触监测的设备及方法，利用本发明TBM滚刀磨损在线实时监测装置可以实现非接触监测滚刀磨损量，其监测磨损量精度达到1.0mm，量程可达100mm，无需支架等支撑设备，对所测金属的表面积要求较低，电磁信号灵敏度高且稳定可靠。由于所有监测部件不与滚刀一边接触且位于四氟乙烯保护壳内，所述四氟乙烯保护壳具有较强的耐磨性，防止岩渣对位移监测装置的破坏，AB胶有助于固定永磁体与磁敏Z元件的相对位置，保证测量精度，兼具有防水和抗震功效，所述传感器基座可以拆卸，传感器损坏时，可以及时更换，具有较强的适用性。
附图说明
图1为滚刀磨损监测系统工作图。
图2为磁敏Z元件位移监测装置内部结构图。
图3为滚刀位移大小和定值电阻两端电压值线性拟合曲线。
其中滚刀1、刀座2、传感器基座3、四氟乙烯保护壳4、磁敏Z元件5、永磁体6、导线7、螺栓8、AB胶9、A电源10、A开关11、定值电阻12、B电源13、B开关14、单片机处理器15、无线发射模块16、无线接收模块17、计算机18、四氟乙烯保护箱19
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1至图2所示一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置，包括刀座2、设于刀座2上的滚刀1、数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块包括永磁体6、磁敏Z元件5和数据采集器，所述刀座2内正对着滚刀1位置设有可拆卸连接的传感器基座3，所述传感器基座3内设有密封配合的四氟乙烯保护壳4，所述永磁体6和磁敏Z元件5通过AB胶9固定于四氟乙烯保护壳4内；
所述数据采集器包括A电源10、A开关11、定值电阻12、单片机处理器15和无线发射模块16，所述A电源10、A开关11、定值电阻12和磁敏Z元件5两端通过导线7串联组成数据采集回路，所述单片机处理器15与定值电阻12并联，所述单片机处理器15采集并进行A/D转换的数据通过无线发射模块16进行信号发射，所述带B开关14的B电源13为单片机处理器15和无线发射模块16提供电源；所述数据处理模块包括无线接收模块17和将接受的无线信号转换成滚刀1磨损量值的计算机18；
所述A电源10、定值电阻12、B电源13、单片机处理器15和无线发射模块16均置于四氟乙烯保护箱19内。
一种TBM滚刀磨损在线实时监测方法，包括如下步骤：
TBM滚刀磨损在线实时监测装置初次使用标定步骤，
①将没有磨损的全新滚刀1安装在上述TBM滚刀磨损在线实时监测装置的刀座2上，打开上述监测装置电源并记录好定值电阻12两端初始电压值；
②沿磁敏Z元件5轴线方向加大滚刀1与磁敏Z元件5之间的距离，每次增大1mm，并记录相应的电压值变化，直至位移达到3cm；
③根据对上述滚刀1位移大小和测得对应的定值电阻12两端电压值数据进行线性拟合，得到一个计算公式，将拟合好的计算公式输入计算机18中，就完成了对本发明在线监测装置的初始标定，标定曲线如图3所示；
拟合公式：
V＝-0.0826l+24.548(R2＝0.996)
其中，V为输出电压值；l为滚刀磨损量；R2为拟合优度判断系数，越接近1说明曲线拟合程度越高，越接近0说明曲线拟合程度越低，拟合公式越不可信。
④当装有上述监测装置的刀座2上滚刀1磨损时，
单片机处理器15测得定值电阻12两端的电压值，将测得的定值电阻12两端电压值录入计算机18中之前标定时拟合的公式即可计算出滚刀磨损量。

Claims (4)

1.一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置，包括刀座(2)、设于刀座(2)上的滚刀(1)、数据采集模块和数据处理模块，其特征在于：所述数据采集模块包括永磁体(6)、磁敏Z元件(5)和数据采集器，所述永磁体(6)和磁敏Z元件(5)固定设于刀座(2)内正对着滚刀(1)，所述数据采集器包括A电源(10)、定值电阻(12)、单片机处理器(15)和无线发射模块(16)，所述A电源(10)、定值电阻(12)和磁敏Z元件(5)两端通过导线(7)串联组成数据采集回路，所述单片机处理器(15)与定值电阻(12)并联，所述对数据进行采集并进行A/D转换的单片机处理器(15)与可以发射无线信号的无线发射模块(16)相连，B电源(13)为单片机处理器(15)和无线发射模块(16)提供电源；所述数据处理模块包括无线接收模块(17)和将接受的无线信号转换成滚刀(1)磨损量的计算机(18)。
2.如权利要求1所述一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置，其特征在于：所述刀座(2)内正对着滚刀(1)位置设有可拆卸连接的传感器基座(3)，所述传感器基座(3)内设有密封配合的四氟乙烯保护壳(4)，所述永磁体(6)和磁敏Z元件(5)通过AB胶(9)固定于四氟乙烯保护壳(4)内。
3.如权利要求2所述一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置，其特征在于：还包括四氟乙烯保护箱(19)，所述A电源(10)、定值电阻(12)、B电源(13)、单片机处理器(15)和无线发射模块(16)均置于四氟乙烯保护箱(19)内。
4.利用权利要求1所述装置的TBM滚刀磨损在线实时监测方法，其特征在于包括如下步骤：
①将没有磨损的全新滚刀(1)安装在上述TBM滚刀磨损在线实时监测装置的刀座(2)上，打开所述监测装置电源并记录好定值电阻(12)两端初始电压值；
②沿磁敏Z元件(5)轴线方向加大滚刀(1)与磁敏Z元件(5)之间的距离，每次增大1mm，并记录相应的电压值变化，直至位移达到3cm；
③根据对上述滚刀(1)位移大小和测得对应的定值电阻(12)两端电压值数据进行线性拟合，得到一个计算公式，将拟合好的计算公式输入计算机(18)中，就完成了对本发明在线监测装置的初始标定；
④当刀座(2)上的滚刀(1)磨损时，单片机处理器(15)测得定值电阻(12)两端的电压值，将测得的定值电阻(12)两端电压值录入计算机(18)中之前标定时拟合的公式即可计算出滚刀磨损量。
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