CN107655393A - 一种tbm滚刀全状态实时在线监测系统及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统及其测量方法，包括电感式传感器、霍尔元件、应变片、传感器基座，电感式传感器和霍尔元件均设置在传感器基座内，所述电感式传感器与TBM滚刀的刀圈相对应，TBM滚刀上与所述霍尔元件相对设置有磁块，TBM滚刀的轴孔设置有支撑楔块和拉紧楔块，应变片设置在支撑楔块内，传感器基座内设置有信号处理单元，电感式传感器、霍尔元件及应变片均与信号处理单元相连，信号处理单元通过无线通信模块与TBM上位机相连。本发明可以监测TBM滚刀的磨损量、TBM滚刀转速、TBM滚刀受力和TBM滚刀工作温度四个指标参数，通过实时监测可以精确地监控TBM滚刀的工作状态，及时得知TBM滚刀受损状况，便于及时对TBM滚刀进行维修或者更换。

Description

一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及TBM滚刀监测领域，特别是指一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统及其测量方法。
背景技术
TBM作为大型的工程机械，工作环境恶劣，系统复杂且庞大，任意一部分出现问题就可能导致系统停机，致使施工效率大大降低。TBM刀具是TBM向前掘进的直接执行者，极易损耗。刀具的磨损量直接影响到施工效率，间接增加了施工成本。根据以往施工情况，TBM工作耗时中，刀具的检测和过度磨损导致设备意外停机更换与维修占用的时间和费用约为整体工程的30%。因而需要对TBM滚刀整体运行状态进行实时监测，以便及时进行刀具维修或零部件的更换，避免浪费不必要的工时而影响施工效率。
目前国内外检测盾构刀具状态的方法主要有：开仓检查、异味检测、油压检测、掘进参数分析等。其物理检测方面的可靠性较低，且只能等刀体完全损坏后才能发现；开仓检查需停机后对每把刀进行人工检查，有较大危险行且耗时较长；而掘进参数分析具有较大的主观性，且需较大的数据量，不能实现普适性。
国内已有TBM滚刀磨损方面的研究，例如授权公告号为CN 103969139 B、授权公告日为2016.06.22的发明专利提出了一种掘进机在线TBM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TBM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；授权公告号为CN 103234903 B、授权公告日为2015.08.19的发明专利公开了一种TBM滚刀磨损检测装置，利用激光发射器和光敏传感器对TBM滚刀的磨损量进行监测，但是此方法同样会受到异物的影响，不能进行有效测量，监测的数据缺乏可靠性；申请公布号为CN 105352420 A、申请日为2016.02.24的发明专利公开了一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置及监测方法，利用永磁体和磁敏元件对TBM滚刀磨损量进行测量，但其受周围金属磁化效应的影响，监测的结果存在很大的误差，因此监测的数据同样缺乏可靠性。
综上所述，对于TBM滚刀整体状态的监测尚未有可大范围推广应用的成熟设备及系统，亟需开发一种精度高、量程大、测量数据多且稳定可靠的监测系统解决TBM滚刀状态监测难的问题。
发明内容
本发明为解决现有TBM滚刀磨损检测装置和方法监测数据不可靠的问题，而公开一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统及其测量方法。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，包括电感式传感器、霍尔元件、应变片、传感器基座，电感式传感器和霍尔元件均设置在传感器基座内，所述电感式传感器与TBM滚刀的刀圈相对应，TBM滚刀上与所述霍尔元件相对设置有磁块，TBM滚刀上设置有支撑楔块和拉紧楔块，应变片设置在支撑楔块内，传感器基座内设置有信号处理单元，电感式传感器、霍尔元件及应变片均与信号处理单元相连，信号处理单元通过无线通信模块与TBM上位机相连。设置电感式传感器、霍尔元件、应变片，可以实时监测TBM滚刀磨损量、TBM滚刀转速和TBM滚刀的受力大小，通过对多个指标的实时监测可以将误差缩减到低于2%，通过与TBM上位机数据通信，可以确保在TBM滚刀受损严重或者其他TBM不适继续掘进时及时停机维修，解决了现有技术监测数据不可靠的问题。
进一步地，所述信号处理单元包括一次连接的信号采集模块、处理器和工作启停开关，电感式传感器、霍尔元件及应变片均与信号采集模块相连，所述传感器基座内设置有对信号处理单元供电的电源模块，电源模块和信号处理单元的外周设置有密封圈。
进一步地，所述传感器基座包括基座本体和基座外延模块，基座外延模块与TBM滚刀的刀毂相对应，信号处理单元和电感式传感器均设置在基座本体内，霍尔元件设置在基座外延模块内，所述磁块设置在与霍尔元件相对应的刀毂上。电感式传感器设置在基座本体内既保证了工作的可靠性，又缩短了信号处理单元与电感式传感器的连接线路；将霍尔元件设置在刀毂上既不影响刀圈正常工作，又可以精确地测量TBM滚刀的转速。
进一步地，所述应变片设置有两个，两个应变片的位置相互垂直，所述应变片通过型块紧密地设置在支撑楔块内。设置两个相互垂直的应变片可以在纵向和横向两个方向监测TBM滚刀的受力大小，使监测数据更加精确可靠。
进一步地，所述应变片上设置有用于监测TBM滚刀温度的热电偶，所述热电偶与信号处理单元相连。设置电热偶配合应变片、电感式传感器、霍尔元件使用，可以同时监测TBM滚刀的磨损量、TBM滚刀转速、TBM滚刀受力、TBM滚刀工作温度四个指标参数，使检测效果更加精确可靠。
进一步地，所述基座上设置有用于防止霍尔元件沾湿和震动的保护垫层，霍尔元件的外端设置有无磁钛合金端盖。在霍尔元件后方设置保护垫层，可以有效保护霍尔元件免受损伤，同时也可以降低霍尔元件的震动幅度，则可保证TBM滚刀转速测量的可靠性；无磁钛合金端盖的设置不仅起到碰撞防护的作用，而且可以有效避免磁性金属对霍尔元件造成测量不精确的影响。
进一步地，所述传感器基座内设置有定位轴套，电感式传感器设置在定位轴套内，电感式传感器的端部设置有保护端盖。设置定位轴套可以使电感式传感器精确地对准刀圈的刀刃，进一步保证测量结果的精确度。
进一步地，所述保护端盖的前端设置有用于挡止岩渣的耐磨块。设置耐磨块可以有效阻挡岩渣对保护端盖的冲击，进而可以保证保护端盖内电感式传感器免受损坏。
一种TBM滚刀全状态实时监测系统测量方法，包括以下步骤：
①将未磨损的TBM滚刀装入所述TBM滚刀全状态实时在线监测系统的刀座上，TBM上位机发出指令使TBM滚刀全状态实时在线监测系统工作，电感式传感器、霍尔元件、应变片及热电偶将采集到的实时数据作为初始值通过信号处理单元传输至TBM上位机；
②TBM滚刀工作时会受到岩石的法向挤压力和周向推力，随着工作时间的积累，TBM滚刀的刀圈产生磨损，进而应变片、热电偶、霍尔元件及电感式传感器监测到的实时数据都会发生相应的变化，则TBM上位机可以接收到变化后的实时数据；
③TBM上位机接收到变化后的实时数据后，TBM上位机对变化后的实时数据进行计算，可得到TBM滚刀现磨损量、受力、温度及转速的变化。
本发明一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，设置电感式传感器、应变片、电热偶和霍尔元件，可以同时监测TBM滚刀的磨损量、TBM滚刀转速、TBM滚刀受力和TBM滚刀工作温度四个指标参数，通过对所述四个指标参数的实时监测可以精确地监控TBM滚刀的工作状态，可以及时得知TBM滚刀何时受损，便于及时对TBM滚刀进行维修或者更换；将信号处理单元和电源模块设置在传感器基座内，避免了额外的线缆铺设，可有效降低因线缆破损而引发的故障率，设置密封圈可以有效保护信号处理单元及电源模块避免受损；设计可拆卸的传感器基座，能在恶劣环境下持续工作，如有损坏可以及时更换零部件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统的主视结构示意图；
图2为一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统的俯视结构示意图；
图3为一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统测量方法的信号传输示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，实施例1，一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，包括电感式传感器1、霍尔元件2、应变片3、传感器基座4，电感式传感器4和霍尔元件2均设置在传感器基座4内，所述传感器基座4包括基座本体7和基座外延模块8，基座外延模块8与TBM滚刀5的刀毂55相对应，电感式传感器1均设置在基座本体7内，霍尔元件2设置在基座外延模块8内，电感式传感器1与TBM滚刀5的刀圈51相对应，进而电感式传感器1可以实时监测TBM滚刀的磨损量。TBM滚刀5上与所述霍尔元件2相对设置有磁块52，通过霍尔元件2与磁块52之间的感应输入可以实时监测TBM滚刀的转速，进而可以得到TBM滚刀的掘进状态。TBM滚刀5的轴孔内设置有支撑楔块53和拉紧楔块54，支撑楔块53和拉紧楔块54对TBM滚刀5进行轴向和周向定位，应变片3设置在支撑楔块53内，由于TBM滚刀会受到周向和径向的推力，周向和径向的推力会传输至支撑楔块53和拉紧楔块54，进而设置在支撑楔块53内的应变片可以检测到TBM滚刀5受力的实时数据。
基座本体7内还设置有信号处理单元41，信号处理单元41包括依次连接的信号采集模块、处理器和工作启停开关，电感式传感器1、霍尔元件2及应变片3均通过线缆6与信号采集模块42相连。所述传感器基座4内设置有对信号处理单元41供电的电源模块45，电源模块45和信号处理单元41的外周均设置有密封圈47，信号处理单元41通过无线通信模块与TBM上位机相连。将信号处理单元和电源模块设置在传感器基座内，避免了额外的线缆铺设，可有效降低因线缆破损而引发的故障率，设置密封圈可以有效保护信号处理单元及电源模块避免受损。
实施例2，一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，所述应变片3设置有两个，两个应变片3的相互垂直地设置在支撑楔块53内，而且所述应变片3通过型块56紧密地设置在支撑楔块53内。设置两个相互垂直的应变片可以在纵向和横向两个方向监测TBM滚刀的受力大小，使监测数据更加精确可靠。
进一步地，所述应变片3上设置有用于监测TBM滚刀温度的热电偶31，所述热电偶31与信号处理单元41相连。设置电热偶配合应变片、电感式传感器、霍尔元件使用，可以同时监测TBM滚刀的磨损量、TBM滚刀转速、TBM滚刀受力、TBM滚刀工作温度四个指标参数，使检测效果更加精确可靠。本实施例的其他结构与实施例1相同。
实施例3，一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，所述基座上设置有用于防止霍尔元件2沾湿和震动的保护垫层21，保护垫层21由AB胶构成，霍尔元件2的外端设置有无磁钛合金端盖22。在霍尔元件后方设置保护垫层，可以有效保护霍尔元件免受损伤，同时也可以降低霍尔元件的震动幅度，则可保证TBM滚刀转速测量的可靠性；无磁钛合金端盖的设置不仅起到碰撞防护的作用，而且可以有效避免磁性金属对霍尔元件造成测量不精确的影响。
进一步地，所述传感器基座4内设置有定位轴套46，电感式传感器1设置在定位轴套46内，电感式传感器1的外端部设置有保护端盖11，保护端盖11由聚酰胺材质制成。设置定位轴套可以使电感式传感器精确地对准刀圈的刀刃，进一步保证测量结果的精确度。所述保护端盖11的前端设置有用于挡止岩渣的耐磨块12。设置耐磨块可以有效阻挡岩渣对保护端盖的冲击，进而可以保证保护端盖内电感式传感器免受损坏。本实施例的其他结构与实施例2相同。
一种TBM滚刀全状态实时监测系统测量方法，包括以下步骤：
①在将未磨损的新TBM滚刀装入所述TBM滚刀全状态实时在线监测系统的刀座上，TBM上位机发出指令使TBM滚刀全状态实时在线监测系统工作，电感式传感器、霍尔元件、应变片及热电偶将采集到的实时数据作为初始值通过信号处理单元传输至TBM上位机；
②TBM滚刀工作时会受到岩石的法向挤压力和周向推力，随着工作时间的积累，TBM滚刀的刀圈产生磨损，进而应变片、热电偶、霍尔元件及电感式传感器监测到的实时数据都会发生相应的变化，则TBM上位机可以接收到变化后的实时数据；
③TBM上位机接收到变化后的实时数据后，TBM上位机对变化后的实时数据进行计算，可得到TBM滚刀现磨损量、受力、温度及转速的变化量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：包括电感式传感器（1）、霍尔元件（2）、应变片（3）、传感器基座（4），电感式传感器（1）和霍尔元（2）件均设置在传感器基座（4）内，所述电感式传感器（1）与TBM滚刀（5）的刀圈（51）相对应，TBM滚刀（5）上与所述霍尔元件（2）相对设置有磁块（52），TBM滚刀（5）的轴孔内设置有支撑楔块（53）和拉紧楔块（54），应变（3）片设置在支撑楔块（53）内，传感器基座（4）内设置有信号处理单元（41），电感式传感器（1）、霍尔元件（2）及应变片（3）均与信号处理单元（41）相连，信号处理单元（41）通过无线通信模块与TBM上位机相连。
2.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：所述信号处理单元（41）包括依次连接的信号采集模块、处理器和工作启停开关，电感式传感器（1）、霍尔元件（2）及应变片（3）均与信号采集模块相连，所述传感器基座（4）内设置有对信号处理单元（41）供电的电源模块（45），电源模块（45）和信号处理单元（41）的外周设置有密封圈（47）。
3.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：所述传感器基座（4）包括基座本体（7）和基座外延模块（8），基座外延模块（8）与TBM滚刀（5）的刀毂（55）相对应，信号处理单元（41）和电感式传感器（1）均设置在基座本体（7）内，霍尔元件（2）设置在基座外延模块（8）内，所述磁块（52）设置在与霍尔元件（2）相对应的刀毂（55）上。
4.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：所述应变片（3）设置有两个，两个应变片（3）的位置相互垂直，所述应变片（3）通过型块（56）紧密地设置在支撑楔块（53）内。
5.根据权利要求4所述的一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：所述应变片（3）上设置有用于监测TBM滚刀（5）温度的热电偶（31），所述热电偶（31）与信号处理单元（41）相连。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：所述传感器基座（4）上设置有用于防止霍尔元件（2）沾湿和震动的保护垫层（21），霍尔元件（2）的外端设置有无磁钛合金端盖（22）。
7.根据权利要求6所述的一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：所述传感器基座（4）内设置有定位轴套（46），电感式传感器（1）设置在定位轴套（46）内，电感式传感器（1）的外端部设置有保护端盖（11）。
8.根据权利要求7所述的一种TBM滚刀全状态实时在线监测系统，其特征在于：所述保护端盖（11）的前端设置有用于挡止岩渣的耐磨块（12）。
9.一种TBM滚刀全状态实时监测系统的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
①将未磨损的TBM滚刀装入TBM滚刀全状态实时在线监测系统的刀座上，TBM上位机发出指令使TBM滚刀全状态实时在线监测系统工作，电感式传感器、霍尔元件、应变片及热电偶将采集到的实时数据作为初始值通过信号处理单元传输至TBM上位机；
②TBM滚刀工作时会受到岩石的法向挤压力和周向推力，随着工作时间的积累，TBM滚刀的刀圈产生磨损，进而应变片、热电偶、霍尔元件及电感式传感器监测到的实时数据都会发生相应的变化，则TBM上位机可以接收到变化后的实时数据；
③TBM上位机接收到变化后的实时数据后，TBM上位机对变化后的实时数据进行计算，可得到TBM滚刀磨损量、受力、温度及转速变化的变化量。
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