CN108710732B - 一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构刀具磨损检测领域，并公开了一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法。包括：(a)将盾构刀具使用过程划分为多个阶段，记录各阶段的地质情况，建立各阶段结束时的三维模型，将两个相邻阶段的刀具模型对比获得刀具磨损量；(b)选取不同类型刀具和不同径距的同种刀具，获得不同地质情况下对应的刀具磨损量，形成刀具类型、刀具径距、地质情况和刀具磨损量的数据库和预测模型；(c)确定待预测的盾构刀具类型、刀具径距和待掘进地质环境，并输入到预测模型中获得刀具磨损面各点磨损量，实现刀具磨损的评估和预测。通过本发明，实现刀具相应地质情况下，刀具磨损面各点磨损量的精准计算，耗时短，应用范围广。

Description

一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法

技术领域

本发明属于盾构刀具磨损检测领域，更具体地，涉及一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法。

背景技术

随着科学技术的进步，人民生活水平的提高，城市建设的发展，城市土地资源日趋紧张，地下资源成为现代城市建设过程中必不可少的开发资源。盾构施工技术是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程以及市政建设等需要而发展起来的先进的隧道施工技术；盾构机是依靠刀盘上的刀具切削土体不断掘进的，在掘进过程中，刀具不可避免的会受到冲击和磨损，而如何快速准确的判断刀具的磨损程度，了解刀具在掘进过程中的磨损规律，及时更换磨损已达磨损极限的刀具，对盾构掘进效率及安全至关重要。通过快速而准确地了解盾构刀具的磨损程度，可以了解盾构机刀具随时间的磨损轨迹，可以预测盾构机刀具更换的时间，避免因刀具更换不及时而导致的盾构掘进安全事故，另外，对盾构机刀具磨损的快速检验也可以为盾构刀具的制作提供一定的依据。

目前国内外检测盾构刀具磨损的方法主要有：尺子测量、异味检测、油压检测、声信号检测，掘进参数分析法等。刀具磨损量一般采用目视或尺子测量的方法，工作效率低，不准确且仅能获得近似的最大磨损量数据；异味检测能够很灵敏地报告刀具磨损的信息，但是这种方法只适合用在TBM中，在盾构机中无效；在油压磨损检测中，由于油路有限，受到油路数量的限制，只能将其安装于少部分刀具上，无法得知其他刀具是否磨损，而且无法获取刀具的具体磨损量；还有一些在刀盘内安装液压或者电子传感器系统，或采用光纤维短路或超声波等方式来判断刀具磨损程度，一旦磨损到一定程度就会自动报警，但这种方法仅有预警功能并没有测量功能；海瑞克公司曾提出带有磨损探测器的刮刀，但是感应装置只能安在少部分刀具上，应用范围小；也有采用声发射装置检测刀具的磨损状况的方法，将声发射信号作为人工神经网络的输入，并由神经网络自动判断刀具是否已经磨损失效，但是该方法也没有解决磨损部分的尺寸测量问题。

因此，发明一种能够快速检测刀具各部位的磨损量并且能够预测刀盘更换时间的方法，具有重要的工程意义和现实价值。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法，其通过采集不同类型盾构刀具在不同地质情况下对应的磨损量，建立盾构刀具磨损量和地质情况的数据库和预测模型，实现获取盾构刀具上每个特征点处的磨损量，由此解决刀具各个部位磨损量的准确计算和预测刀盘更换时间的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)针对盾构刀具，根据盾构实际掘进情况，将其服役期内使用过程划分为多个阶段，在每个阶段结束时建立盾构刀具的三维模型，同时记录该阶段对应的地质情况，通过将每两个相邻阶段的盾构刀具三维模型进行三维对齐并比对，获得每个阶段的刀具磨损量，即获得每个阶段对应的地质情况下的刀具磨损量；

(b)选取刀盘上不同径距的同种刀具，重复步骤(a)，获得同种刀具在不同径距和地质情况下对应的刀具磨损量；选取多种不同类型的盾构刀具，重复步骤(a)，以此获得不同盾构刀具在不同地质情况下对应的刀具磨损量，形成刀具类型、刀具径距、地质情况和刀具磨损量的数据库，根据该数据库建立刀具磨损量的预测模型，其中，刀具类型、刀具径距和地质情况作为该预测模型的输入，刀具磨损量作为该预测模型的输出；

(c)对于待预测的盾构刀具，确定其刀具类型、刀具径距和待掘进地质环境，并输入到所述预测模型中以此获得该待预测刀具的刀具磨损量，实现盾构刀具磨损的评估和预测。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述建立盾构刀具的三维结构模型是通过对所述盾构刀具进行三维扫描，获得该盾构刀具对应的点云网格模型；然后在该刀具点云网格模型磨损面上选取多个均匀分布的点作为特征点，特征点是对盾构刀具点云模型磨损面的简化。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述将每两个相邻阶段的盾构刀具三维结构模型进行对比，获得每个阶段的刀具磨损量，具体包括下列步骤：

(b1)在两个相邻阶段的刀具三维结构模型中分别建立各自的三维坐标系，并将二者的三维坐标系重合使得二者在同一个三维坐标系中；

(b2)设定磨损偏差计算方向，在所述步骤(b1)中的三维坐标系中，按照所述偏差计算方向计算两个三维结构模型上相应的每个特征点处的差值，以此获得刀具每个特征点处的磨损量，其中，所述特征点是在所述点云模型的磨损面上任意选取的多个均匀分布的点。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述地质情况包括水土压力、土层类型和岩石磨损指数CAI值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明采用三维扫描磨损刀具的方式对磨损刀具进行三维结构模型，操作简单便捷经济，实际扫描数据步骤少，不需要专门的技术人员进行扫描，扫描一次时间在两分钟左右，但可一次性扫描多个盾构刀具；

2、本发明通过将盾构刀具磨损量进行显示，实现磨损量的评估，直观显示盾构刀具磨损量，方便盾构工作人员快速了解盾构磨损情况，并可以进行注释；

3、本发明可在盾构机停机期间对盾构机所有刀具进行扫描，对所有刀具上的每个特征点进行磨损量的计算，全面体现盾构刀盘磨损情况，实现根据盾构刀具磨损情况对盾构机的掘进状态做出调整；

4、本发明通过建立不同类型的刀具、地质情况和刀具磨损量的数据库和预测模型，以此用于预测盾构机刀具磨损量，进一步确定刀具更换时间，应用范围广，使用便捷。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法具体包括下列步骤：

(a)根据盾构实际掘进情况，将盾构刀具服役期使用过程划分为多个阶段，在每个阶段结束时建立盾构刀具的三维模型，同时记录该阶段对应的地质情况，将每两个相邻阶段的盾构刀具三维模型进行三维对齐并比对，获得每个阶段的刀具磨损量，即获得每个阶段对应的地质情况下的刀具磨损量，对于被划分的第一个阶段的磨损量，通过将第一个阶段的三维模型与盾构刀具的新刀三维结构模型进行对比，

1、建立三维结构模型

对于新刀三维结构模型，是根据刀具设计图纸在建模软件上建立同等大小的设计模型；

对于磨损的盾构刀具的三维结构模型的建立具体如下：

(1)盾构机停机修整期间，从刀盘后将盾构机刀具取出，在较空旷的位置将刀具摆放整齐，打开电脑与三维扫描软件，连接kinect并用kinect环绕刀具扫描一圈，距离刀具距离在一米左右，时间大概在两三分钟；

(2)使用kinect扫描时，kinect与电脑三维扫描软件连接，会在电脑上显示出扫描图像的深度图，深度图包含kinect与盾构刀具的距离信息，扫描过程尽量缓慢均匀，尽量减少抖动；

(3)获得深度图之后，三维扫描软件会自动计算并产生点云网格模型；

(4)将产生的点云模型导入到点云处理软件中去噪，去除扫描时扫描进去的环境信息，然后在处理后的点云模型的磨损面上选取均匀分布的多个点作为特征点，特征点是对盾构刀具点云模型磨损面的简化，为后期的模型比对做准备。

2、两个相邻阶段的刀具三维模型三维对齐与3D对比方法的流程如下：

(1)将步骤1中获得的的当前磨损刀具和下一个阶段磨损刀具三维结构模型同时导入到模型对比软件中，同时保证导入时两模型大小基本一致；

(2)将当前磨损刀具三维结构模型设置为参考模型，下一个阶段磨损刀具三维结构模型设置为测试模型，即在参考模型上测试测试模型相对参考模型的磨损量；

(3)采用3-2-1对齐方式将两个磨损刀具三维模型对齐，在参考模型和测试模型上分别根据两模型坐标轴方向选择底面3个点，长侧面2个点，短侧面1个点构建两两垂直的X、Y、Z平面，以此形成各自的三维坐标，重新定向两模型，并使得测试模型的X、Y、Z平面三个平面与参考模型相应的三个平面一一对应，注意需要按照模型顺序选择点，否则对齐时会出现错位情况，具体为：

在两个刀具三维结构模型中分别在刀具底部选择3个点，构成底部平面，在长侧边选择2个点，构成长侧边平面，在短侧边选择1个点，构成短侧边平面，在测试模型中选多个点构成平面时尽量选点距较大且分布较为均匀的点，且在两个刀具三维结构模型上选点位置基本一致；

(4)采用定向偏差的方式对比两个刀具三维结构模型，并将对比结果进行显示，具体包括：

(4.1)选择两个模型的z轴，即垂直于刀盘底座且向上的方向，该方向即是偏差的计算方向；

(4.2)对于参考模型上的多个特征点，同时在测试模型上找到与这些特征点对应的参考特征点，按照偏差计算方向计算特征点与参考特征点之间的差值，直至完成所有特征点的计算，以此实现测试模型中每个特征点处的刀具磨损量的计算；

(4.3)采用不同的颜色标定不同的磨损量，将磨损量划分为多个等级，每个等级设定对应不同的颜色，按照设定的颜色将测试模型不同位置的磨损量进行显示，由此可以直观的显示不同部位的磨损情况；

(b)选取刀盘上不同径距的同种刀具，重复步骤(a)，获得同种刀具在不同径距和地质情况下对应的刀具磨损量；选取多种不同类型的盾构刀具，重复步骤(a)，以此获得不同盾构刀具在不同地质情况下对应的刀具磨损量。将同种类型相同径距的刀具磨损面上的特征点磨损量根据不同水土压力、土层类型、岩石磨损指数CAI值进行回归分析，获得各个特征点与水土压力、土层类型和CAI值之间的关系和不同地质条件下的磨损速率，形成刀具类型、刀具径距、地质情况和刀具磨损量的数据库，根据该数据库建立刀具磨损量的预测模型，其中，刀具类型，刀具径距和地质情况作为该预测模型的输入，刀具磨损量作为该预测模型的输出；

(c)对于待预测的盾构刀具，确定其刀具类型、刀具径距和待掘进地质环境，并输入到所述预测模型中以此获得刀具磨损量，实现盾构刀具磨损的评估和预测。

1.获得盾构机将要掘进地段的水土压力、土层类型和岩石磨损系数CAI值信息，获得目前状态下的刀具模型；

2.根据刀具类型和刀具径距在数据库中找到对应的刀具特征点组，根据数据库中特征点组在将掘进地段水土压力、土层类型和岩石磨损系数CAI值下对应的磨损速率，依照该磨损速率计算磨损量；并通过模拟软件显示出最后刀具的磨损情况图，并根据磨损情况判断是否需要换刀。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)针对盾构刀具，根据盾构实际掘进情况，将其服役期使用过程划分为多个阶段，记录每个阶段对应的地质情况，在每个阶段结束时建立盾构刀具的三维模型，同时通过将每两个相邻阶段的盾构刀具三维模型进行比对，以此获得每个阶段的刀具磨损量，即获得每个地质情况下的刀具磨损量；

(b)选取刀盘上不同径距的同种刀具，重复步骤(a)，获得同种刀具在不同径距和地质情况下对应的刀具磨损量；选取多种不同类型的盾构刀具重复步骤(a)，以此获得不同盾构刀具在不同地质情况下对应的刀具磨损量，形成刀具类型、刀具径距、地质情况和刀具磨损量的数据库，根据该数据库建立刀具磨损量的预测模型，其中，刀具类型，刀具径距和地质情况作为该预测模型的输入，刀具磨损量作为该预测模型的输出；

(c)对于待预测的盾构刀具，确定其刀具类型、刀具径距和待掘进地质环境，并输入到所述预测模型中以此获得刀具的磨损量，实现盾构刀具磨损的评估和预测。

2.如权利要求1所述的一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述建立盾构刀具的三维模型是通过对所述盾构刀具进行三维扫描获得该盾构刀具对应的点云网格模型；然后在该刀具点云网格模型磨损面上选取多个均匀分布的点作为特征点，特征点是对盾构刀具点云模型磨损面的简化。

3.如权利要求2所述的一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述将每两个相邻阶段的盾构刀具三维模型进行比对，获得每个阶段的刀具磨损量，具体包括下列步骤：

(b1)在两个相邻阶段的刀具三维结构模型中分别建立各自的三维坐标系，并将二者的三维坐标系重合使得二者在同一个三维坐标系中；

(b2)设定磨损偏差计算方向，在所述步骤(b1)中的三维坐标系中，按照所述偏差计算方向计算两个三维模型上相应的每个特征点处的差值，以此获得刀具每个特征点处的磨损量，其中，所述特征点是在所述点云模型的磨损面上任意选取的多个均匀分布的点。

4.如权利要求1所述的一种盾构刀具服役期磨损的评估和预测方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述地质情况包括水土压力、土层类型和岩石磨损指数CAI值。

Images