CN110107274B - 基于液压系统的tbm锚杆钻机实时在线监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统及监测方法，包括信号采集模块、无线通讯模块、TBM上位机；信号采集模块，包括压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和流量传感器，压力传感器Ⅰ检测推进油缸的液压管的油液压力、流量传感器检测推进油缸的液压管的油液流量情况、压力传感器Ⅱ检测冲击油缸的液压管内的油液压力情况分别经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内。本发明实时监测TBM锚杆钻机推进油缸推进速度和距离、以及钻进速度和压力，对多个指标的实时监测可降低误差，与TBM上位机数据通信，确保在TBM掘进过程中锚杆钻机工作状态及围岩相关信息，解决了现有技术监测数据不可靠的问题。

Description

基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及TBM钻机监测领域，特别是指一种基于液压系统的TBM锚杆钻机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锚杆钻机是TBM支护工作的重要执行者，随时获取钻机信息是非常有必要的，如何在环境恶劣的钻孔工况下进行监测是难题。

由于隧道在开挖时，地形地质条件复杂以及地表勘察技术手段有限，在施工前期难以对工程区域的工程地质情况有全面准确的掌握。在实际施工时，由于岩体的体积庞大、质量差异和不可透视性，国内外专家学者对工程围岩评价做了大量的研究，提出了多种综合评价方法。目前常用的评价围岩特性方法，如Q法、RMR法与BQ法，均需要大量的参数，如单轴抗压强度、岩体质量指标、节理信息等，而获得上述所需的参数成本高、时间长、难度大。因此对岩体工程岩体质量评价一直缺乏快速、客观和有效的方法。

发明内容

本发明为解决现有TBM锚杆钻机设备监测方法及数据不可靠的问题，从而提供一种基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统及监测方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统，包括信号采集模块、无线通讯模块、TBM上位机；所述信号采集模块，包括压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和流量传感器，压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和流量传感器均设有信号处理模块，信号处理模块将接收到的实时信息转换为数字信息；且压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和流量传感器分别与一个无线通讯模块连接，在推进油缸的液压管内设有压力传感器Ⅰ和流量传感器，在冲击油缸的液压管内设有压力传感器Ⅱ，压力传感器Ⅰ检测推进油缸的液压管的油液压力经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内，流量传感器检测推进油缸的液压管的油液流量情况经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内；压力传感器Ⅱ检测冲击油缸的液压管内的油液压力情况经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内。

一种基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统的监测方法，步骤如下：

S1，将压力传感器Ⅰ和流量传感器装入TBM锚杆钻机的推进油缸的液压管中。

S2，测量推进油缸非工作时的油液压力和油液流量。

压力传感器Ⅰ测得推进油缸非工作时的油液压力信号，信号处理模块将压力传感器Ⅰ测得的实时数据转化为数字信号并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机。

流量传感器测得推进油缸非工作时的油液流量信号，信号处理模块将流量传感器测得的实时数据转化为数字信号并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机。

S3，将压力传感器Ⅱ装入TBM锚杆钻机的冲击油缸的液压管中。

S4，测量冲击油缸非工作时的油液压力。

压力传感器Ⅱ测得冲击油缸的非工作时的油液压力信号，信号采集模块将压力传感器Ⅱ测得的实时数据转化为数字信号，并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机。

S5，TBM锚杆钻机工作，推进油缸的液压管内进油，压力传感器Ⅰ和流量传感器实时检测当前地层下推进油缸的液压管的实时油液压力Pt和实时油液流量Qt；冲击油缸的液压管内也进油，压力传感器Ⅱ检测实时检测当前地层下冲击油缸的液压管内实时油液压力Pi。

S6，压力传感器Ⅰ、流量传感器、压力传感器Ⅱ检测的当前地层的实时数据通过各自的信号处理模块处理后上传到TBM上位机内。

S7，TBM上位机根据得到的实时检测数据，计算当前地层的TBM锚杆钻机钻进速度Vt、钻进深度Lt以及围岩强度。

S7.1，数据预处理。

TBM上位机对获得的所有数据进行清洗，包括但不限于非正常钻进过程的数据。

S7.2，计算钻入深度Lt：

Lt＝Qt/((St-Kt)²*π)；

式中，St为推进油缸缸径；Kt为推进油缸杆径；Qt为推进油缸的液压管的实时油液流量。

S7.3，计算钻进速度Vt：

Vt＝Lt/T

式中，T为工作时长。

S7.4，计算冲击力F：

F＝Pi*St；

式中，Pi为冲击油缸的液压管内实时油液压力；St为推进油缸缸径。

S7.5，将获得的钻入深度Lt、钻进速度Vt、冲击力F与数据库中数据进行比较得到岩石强度。

S8，重复步骤S5-S7，得到不同地层下对应的TBM锚杆钻机钻进速度、钻进深度以及围岩强度，进而得到不同地层下TBM锚杆钻机钻进速度的变化、钻进深度的变化以及围岩强度的变化。

在TBM钻机工作时，不同的油缸及管路会有不同的压力及流量，通过液压传感器及流量传感器获取相应的信息，并通过数据分析的方式，获得钻孔深度及速度，且根据数据分析围岩强度。

本发明设置液压传感器、流量传感器，可以实时监测TBM锚杆钻机推进油缸推进速度和距离、以及钻进速度和压力，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掘进过程中锚杆钻机工作状态及围岩相关信息，解决了现有技术监测数据不可靠的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明实施例1的原理框图。

图2为本发明实施例1的布局示意图。

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。

实施例1：一种基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统，如图1所示，包括信号采集模块、无线通讯模块、TBM上位机；所述信号采集模块，包括压力传感器Ⅰ2、压力传感器Ⅱ3和流量传感器1，压力传感器Ⅰ2、压力传感器Ⅱ3和流量传感器1均设有信号处理模块，信号处理模块将接收到的实时信息转换为数字信息；且压力传感器Ⅰ2、压力传感器Ⅱ3和流量传感器1分别与一个无线通讯模块连接，如图2所示，在推进油缸的液压管4内设有压力传感器Ⅰ2和流量传感器1，在冲击油缸的液压管5内设有压力传感器Ⅱ3，压力传感器Ⅰ2检测推进油缸的液压管4的油液压力经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内，流量传感器1检测推进油缸的液压管4的油液流量情况经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内；压力传感器Ⅱ3检测冲击油缸的液压管5内的油液压力情况经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内。

实施例2：一种基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统的监测方法，步骤如下：

S1，将压力传感器Ⅰ和流量传感器装入TBM锚杆钻机的推进油缸的液压管中。

S2，测量推进油缸非工作时的油液压力和油液流量。

压力传感器Ⅰ测得推进油缸非工作时的油液压力信号，信号处理模块将压力传感器Ⅰ测得的实时数据转化为数字信号并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机。

流量传感器测得推进油缸非工作时的油液流量信号，信号处理模块将流量传感器测得的实时数据转化为数字信号并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机。

S3，将压力传感器Ⅱ装入TBM锚杆钻机的冲击油缸的液压管中。

S4，测量冲击油缸非工作时的油液压力。

压力传感器Ⅱ测得冲击油缸的非工作时的油液压力信号，信号采集模块将压力传感器Ⅱ测得的实时数据转化为数字信号，并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机。

S5，TBM锚杆钻机工作，推进油缸的液压管内进油，压力传感器Ⅰ和流量传感器实时检测当前地层下推进油缸的液压管的实时油液压力Pt和实时油液流量Qt；冲击油缸的液压管内也进油，压力传感器Ⅱ检测实时检测当前地层下冲击油缸的液压管内实时油液压力Pi。

S6，压力传感器Ⅰ、流量传感器、压力传感器Ⅱ检测的当前地层的实时数据通过各自的信号处理模块处理后上传到TBM上位机内。

S7，TBM上位机根据得到的实时检测数据，计算当前地层的TBM锚杆钻机钻进速度Vt、钻进深度Lt以及围岩强度。

S7.1，数据预处理。

TBM上位机对获得的所有数据进行清洗，包括但不限于非正常钻进过程的数据。

S7.2，计算钻入深度Lt：

Lt＝Qt/((St-Kt)²*π)；

式中，St为推进油缸缸径；Kt为推进油缸杆径；Qt为推进油缸的液压管的实时油液流量。

S7.3，计算钻进速度Vt：

Vt＝Lt/T；

式中，T为工作时长。

S7.4，计算冲击力F：

F＝Pi*St；

式中，Pi为冲击油缸的液压管内实时油液压力；St为推进油缸缸径。

S7.5，将获得的钻入深度Lt、钻进速度Vt、冲击力F与数据库中数据进行比较得到岩石强度。

S8，重复步骤S5-S7，得到不同地层下对应的TBM锚杆钻机钻进速度、钻进深度以及围岩强度，进而得到不同地层下TBM锚杆钻机钻进速度的变化、钻进深度的变化以及围岩强度的变化。

在TBM钻机工作时，不同的油缸及管路会有不同的压力及流量，通过液压传感器及流量传感器获取相应的信息，并通过数据分析的方式，获得钻孔深度及速度，且根据数据分析围岩强度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统，其特征在于：包括信号采集模块、无线通讯模块、TBM上位机；所述信号采集模块，包括压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和流量传感器，压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和流量传感器均设有信号处理模块，信号处理模块将接收到的实时信息转换为数字信息；且压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ和流量传感器分别与一个无线通讯模块连接，在推进油缸的液压管内设有压力传感器Ⅰ和流量传感器，在冲击油缸的液压管内设有压力传感器Ⅱ，压力传感器Ⅰ检测推进油缸的液压管的油液压力经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内，流量传感器检测推进油缸的液压管的油液流量情况经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内；压力传感器Ⅱ检测冲击油缸的液压管内的油液压力情况经信号处理模块处理后通过无线通讯模块上传到TBM上位机内；

其监测方法的步骤如下：

S1，将压力传感器Ⅰ和流量传感器装入TBM锚杆钻机的推进油缸的液压管中；

S2，测量推进油缸非工作时的油液压力和油液流量；压力传感器Ⅰ测得推进油缸非工作时的油液压力信号，信号处理模块将压力传感器Ⅰ测得的实时数据转化为数字信号并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机；流量传感器测得推进油缸非工作时的油液流量信号，信号处理模块将流量传感器测得的实时数据转化为数字信号并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机；

S3，将压力传感器Ⅱ装入TBM锚杆钻机的冲击油缸的液压管中；

S4，测量冲击油缸非工作时的油液压力；

压力传感器Ⅱ测得冲击油缸的非工作时的油液压力信号，信号采集模块将压力传感器Ⅱ测得的实时数据转化为数字信号，并作为初始值通过无线通信模块传输至TBM上位机；

S5，TBM锚杆钻机工作，推进油缸的液压管内进油，压力传感器Ⅰ和流量传感器实时检测当前地层下推进油缸的液压管的实时油液压力Pt和实时油液流量Qt；冲击油缸的液压管内也进油，压力传感器Ⅱ检测实时检测当前地层下冲击油缸的液压管内实时油液压力Pi；

S6，压力传感器Ⅰ、流量传感器、压力传感器Ⅱ检测的当前地层的实时数据通过各自的信号处理模块处理后上传到TBM上位机内；

S7，TBM上位机根据得到的实时检测数据，计算当前地层的TBM锚杆钻机钻进速度Vt、钻进深度Lt以及围岩强度；

S8，重复步骤S5-S7，得到不同地层下对应的TBM锚杆钻机钻进速度、钻进深度以及围岩强度，进而得到不同地层下TBM锚杆钻机钻进速度的变化、钻进深度的变化以及围岩强度的变化。

2.根据权利要求1所述的基于液压系统的TBM锚杆钻机实时在线监测系统，其特征在于，在步骤S7中，具体步骤为：

S7.1，数据预处理；

TBM上位机对获得的所有数据进行清洗，包括但不限于非正常钻进过程的数据；

S7.2，计算钻入深度：

Lt=Qt/((St-Kt)²*π)；

式中，St为推进油缸缸径；Kt为推进油缸杆径；Qt为推进油缸的液压管的实时油液流量；

S7.3，计算钻进速度：

Vt=Lt/T

式中，T为工作时长；

S7.4，计算冲击力：

F=Pi*St；

式中，Pi为冲击油缸的液压管内实时油液压力；St为推进油缸缸径；

S7.5，将获得的钻入深度Lt、钻进速度Vt、冲击力F与数据库中数据进行比较得到岩石强度。

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