CN110333059A - 一种基于磨损检测的盾构/tbm滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法，根据所检测到的滚刀状态信号变化特征判断滚刀是否转动，是否出现弦磨及弦磨的状态，其步骤包括：滚刀正常运行磨损状态下，采集和标定得到信号随时间变化曲线a；拟合出滚刀在实际工况中采集信号随时间变化曲线b；分析曲线b变化规律，判断滚刀是否转动；对所述曲线a和曲线b进行相关性分析，判断滚刀是否处于正常磨损；提高采样频率，拟合出采集信号随时间变化的曲线c，判断滚刀是否发生弦磨以及弦磨边数。本发明在现有磨损检测装置基础上，不增设其他检测装置，通过直接分析所述磨损检测装置采集的信号，判定滚刀转动状态以及是否发生弦磨，检测方法简单可靠。

Description

一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检 测方法

技术领域

本发明属于隧道施工机械领域，具体涉及一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法。

背景技术

全断面隧道掘进机(盾构/TBM)是集机电液自动化于一体，能够实现掘进、移动、出碴和衬砌连续作业的大型掘进装备，因其快速、优质、安全等优点，被广泛应用于水电、铁路、公路、地铁等工程施工。在硬岩地层中掘进时，隧道掘进机主要依靠安装于刀盘的滚刀在强大推力与扭矩作用下将岩石滚压破碎。滚刀破岩时承受较大载荷作用，岩石中硬质耐磨颗粒在载荷作用下，挤压研磨刀圈表面，致使滚刀发生磨损。滚刀的主要磨损形式是正常磨损，但在恶劣地质环境下也会出现较多非正常磨损状态，弦磨是最主要非正常磨损形式，包括单边弦磨和多边弦磨。滚刀正常磨损与弦磨等非正常磨损导致施工过程中需要不断地停机更换刀具。若某把刀具发生弦磨而未及时更换，会导致周围刀具载荷剧烈增加，进而引起临近滚刀的剧烈磨损与失效，因此滚刀的运行状态以及磨损状态直接关系到一个工程的进度和质量。

国内在滚刀弦磨检测方面已有少量研究，公开号CN103969139B发明专利提出了一种掘进机在线滚刀磨损检测方法，通过安装2个电涡流位移传感器和1个磁电式转速传感器对滚刀正常磨损以及弦偏磨、刃偏磨、刀圈断裂多种非正常磨损状态进行判定和检测；公开号CN104111346B发明专利提出了一种盾构滚刀工作及磨损状态在线检测方法，利用1个电涡流传感器和2个硬质合金凸起块对盾构滚刀的转速进行测量，1个电涡流传感器对滚刀的磨损量进行测量，通过对测量的数据进行计算后判断其运动状态及磨损状态；公开号CN103195437B发明专利提出了一种在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置，利用2个加速度传感器，根据检测到的振动幅值和频率判定滚刀刀刃是否进入弦磨状态。上述专利和方法均存在一定的局限性，如需安装电涡流位移传感器、磁电式转速传感器、加速度传感器等多个检测装置，对各个磨损情况的判定和检测方法相对复杂，不够简明直接；需对所检测的信号进行计算和转化，获得磨损量或转速后才能进行相关判断，处理速度影响实时检测的准确性和时效性；未对多边弦磨状态的具体弦磨边数进行判定等。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法，该方法可及时检测出滚刀运行状态以及是否发生单边弦磨和多边弦磨等异常磨损，避免因滚刀发生异常磨损后又未及时更换而导致的更为恶劣的结果。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法，包括如下步骤：

S1：安装滚刀磨损检测装置，在滚刀正常运行磨损的状态下，记录所述磨损检测装置采集的信号，然后标定采集的信号随时间变化的曲线a；

S2：通过步骤S1所述标定后的磨损检测装置，实时记录滚刀在实际工况破岩状态下的信号，由计算机拟合出所述采集的信号随时间变化的曲线b；

S3：对曲线b进行分析，若曲线b处于水平状态且一直保持不变，抑或在长时间处于水平状态后，信号曲线在某一时刻发生变化，而后又继续处于水平状态保持不变，则说明此时滚刀转速为零，处于卡死状态，长期工作下去滚刀与岩石接触的区域必然发生弦磨；若曲线b为其他情况则进行步骤S4分析；

S4：对曲线a和曲线b进行相关性分析，求出其相关系数R；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律一致，是一条平缓上升或下降的曲线，且求得的相关系数R趋近于1，则说明滚刀此时正常转动，处于正常磨损状态；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律不完全相同，但求得的相关系数总体上是一条平缓的曲线，则认为滚刀此时仍处于正常磨损状态的范围；若直接观察到的曲线b的变化规律不再平缓，有明显的波浪型信号，且求出的相关系数R＜R_min，则说明滚刀此时非正常转动，处于非正常磨损状态，此时进行步骤S5分析，其中R_min是判断滚刀为正常磨损时的最小相关系数，该系数的初始值大小根据施工地质条件和工程要求确定，并结合实际工况中滚刀正常磨损和非正常失效情况以及弦磨判断精度要求进行修正；

S5：在前述步骤的基础上，在提高磨损检测装置采样频率的前提下继续采样，并用计算机拟合出此次采集的信号随时间变化的曲线c，若曲线c含有带折点的波浪型曲线，且呈周期性变化，则说明滚刀此时发生弦磨；弦磨的边数N等于曲线c上单个周期内的波峰或波谷数n，折点为弦磨边开始或结束时的角点。

进一步的，在进行步骤S1之前需先求出滚刀在实际工况中的转速ω，然后由公式求出滚刀的转动周期T，所述步骤S1和步骤S2中磨损检测装置采集型号的采样频率ω₁和周期T₁均相同，且或其中m为正整数。

进一步的，所述步骤S 5中磨损检测装置采样周期T₂满足其中m为正整数。

上述技术方案的在线检测方法，所述步骤S1、步骤S2和步骤S5中在拟合曲线之前，需要对采集到的信号通过滤波器进行处理，滤除因为振动变形等其他因素引起的波形变化。

本申请所述检测方法是在现有磨损检测装置的基础上，不增设其他装置，通过直接分析所述磨损检测装置采集的滚刀磨损状态实时信号，在线检测判定滚刀转动状态、是否发生弦磨以及弦磨具体状态。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

本发明可以及时检测滚刀的运行状态和弦磨状态，从而及时换刀，减少过早或过晚换刀带来的不必要损失，确保盾构施工的顺利进行，保证工作效率；另外所述检测方法是在现有磨损检测装置的基础上提出的，不增设其他检测装置，避免滚刀刀座因需安装过多检测装置而导致结构复杂和结构稳定性降低；所述检测方法通过直接分析所述磨损检测装置采集的信号，在线检测判定滚刀是否转动、是否发生弦磨以及弦磨具体状态，操作简单可靠，效率高。

本发明更加具有普适性且更加简单易行，即在已有磨损检测装置的基础上，不增设其他装置，通过直接分析所述磨损检测装置采集的信号，可及时检测出滚刀运行状态以及是否发生单边弦磨和多边弦磨等异常磨损，避免因滚刀发生异常磨损后又未及时更换而导致的更为恶劣的结果。

附图说明

图1为本发明的滚刀和磨损检测装置安装示意图；

图2为滚刀单边弦磨示意图；

图3为滚刀多边弦磨示意图；

其中：1-滚刀；2-刀座；3-磨损检测装置。

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作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。

一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法，包括如下步骤：

S1：安装已有磨损检测装置到刀座上，在滚刀正常运行磨损的状态下，记录所述磨损检测装置采集的信号(所述信号类型由已安装磨损检测装置确定，如电涡流传感器采集的信号为电压信号)与时间信息，然后标定采集的信号随时间变化的曲线a，曲线a是一条平缓上升或下降的曲线；

S2：通过步骤S1所述标定后的磨损检测装置，实时记录滚刀在实际工况破岩状态下的信号，由计算机拟合出所述采集的信号随时间变化的曲线b；

S3：判断滚刀运动状态：分析步骤S2所述采集的信号随时间变化的曲线b，若曲线b处于水平状态且一直保持不变，抑或在长时间处于水平状态后，信号曲线在某一时刻发生变化，而后又继续处于水平状态保持不变，则说明此时滚刀转速为零，处于卡死状态，长期工作下去滚刀与岩石接触的区域必然发生弦磨；若曲线b有变化则进行步骤S4分析；

S4：对所述曲线a和所述曲线b进行相关性分析，求出其相关系数R；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律一致，是一条平缓上升或下降的曲线，且求得的相关系数R趋近于1，则说明滚刀此时正常转动，处于正常磨损状态；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律不完全相同，但求得的相关系数总体上是一条平缓的曲线，则认为滚刀此时仍处于正常磨损状态的范围；若直接观察到的曲线b的变化规律不再平缓，有明显的波浪型信号，且求出的相关系数R＜R_min，则说明滚刀此时非正常转动，处于非正常磨损状态，此时进行步骤S5分析，其中R_min是判断滚刀为正常磨损时的最小相关系数，该系数的初始值大小根据施工地质条件和工程要求确定，并结合实际工况中滚刀正常磨损和非正常失效情况以及弦磨判断精度要求进行修正；

S5：在前述步骤的基础上，提高所述磨损检测装置的采样频率，采集足够信号样本后，用计算机拟合出采集信号随时间变化的曲线c，若曲线c含有带折点的波浪型曲线，且呈周期性变化，则说明滚刀此时发生弦磨；弦磨的边数N等于曲线c上单个周期内的波峰或波谷数n；折点为弦磨边开始或结束时的角点。

作为上一步的改进，步骤S1、步骤S2和步骤S5中在拟合曲线前，需要对采集到的信号通过滤波器进行处理，滤除因为振动变形等其他因素引起的波形变化。

作为上一步的改进，在进行步骤S1之前需先求出滚刀在实际工况中的转速ω，然后由公式求出滚刀的周期；因为在实际工况中对滚刀的在线检测是一个长期的过程，要能够采集到滚刀周圈各个部位的信号，若采样周期设置为滚刀转动一周的整数分之一，那么滚刀转动一圈采集的信号都是滚刀刀圈上固定几个点的信号，对滚刀刀圈其他部位的磨损情况无法检测。因此，所述磨损检测装置的采样周期不能设置为滚刀转动一周的整数分之一，也即步骤S1和步骤S2中磨损检测装置采集型号的采样频率相同为ω₁、周期相同为T₁，且二者的采样周期或其中m为正整数。

另外，因为滚刀是由刀盘的转动而带动的，所以在实际工况中刀盘上不同位置滚刀的转速ω与此时刀盘的实际转速是呈不同对应关系的，可根据刀盘转速、滚刀安装半径和滚刀刀圈半径一一求出，但如果考虑滚刀与岩石可能存在的滑动的话，则需乘以滑动系数。

作为上一步的改进，在步骤S5中想要观测到滚刀转动一周的变化曲线，则需要提高采样频率，保证尽可能多的采集到滚刀转动一周时，刀圈各个部位的信息，并且采样周期要与滚刀转动周期保持一致，这样得到的曲线c才呈周期性变化，进而能够根据一个周期内波峰或波谷的数量来确定滚刀产生弦磨的边数。因此，步骤S5中磨损检测装置采样频率尽可能的高，且其采样周期T₂满足

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法，是在现有磨损检测装置的基础上，不增设其他装置，通过直接分析所述磨损检测装置采集的信号，提出一种在线检测判定滚刀转动状态以及是否发生弦磨的方法，其具体步骤如下：

S1：在所需的实验条件下，安装已有磨损检测装置3到刀座2上，磨损检测装置可为多种形式，如可以采用专利CN103148771B公开中滚刀磨损检测装置。在滚刀1正常运行磨损的状态下(正常磨损的特点是滚刀刀圈周边各部位的磨耗程度基本一致，呈连续均匀的变化)，记录所述磨损检测装置3采集的信号与时间信息，然后标定采集的信号随时间变化的曲线a，曲线a的变化趋势由具体采用何种磨损检测装置决定，若采集的磨损检测装置检测信号进行运算处理后，最终计算结果为滚刀刀刃到传感器的距离，则曲线a平缓上升；若采用的检测装置检测信号计算结果为滚刀的半径大小，则曲线a缓慢下降；还包括其他可能的检测方式和变化趋势。

S2：通过步骤S1所述标定后的磨损检测装置，将其应用到实际工况，实时记录滚刀在实际工况破岩状态下的信号，由计算机拟合出所述采集的信号随时间变化的曲线b。

S3：判断滚刀运动状态：分析步骤S2所述采集的信号随时间变化的曲线b，若曲线b处于水平状态且一直保持不变，抑或在长时间处于水平状态后，信号曲线在某一时刻发生变化，而后又继续处于水平状态保持不变，则说明此时滚刀转速为零，处于卡死状态，继续工作滚刀与岩石接触区域必然发生弦磨；若曲线b有变化则进行步骤S4分析，滚刀一旦停止转动，会出现急剧的磨损，因此需要及时检测出，如图2所示。

S4：对所述曲线a和所述曲线b进行相关性分析，求出其相关系数R；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律一致，是一条平缓的曲线，且求得的相关系数R趋近于1，则说明滚刀此时正常转动，处于正常磨损状态；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律不完全相同，但求得的相关系数总体上是一条平缓的曲线，则认为滚刀此时仍处于正常磨损状态的范围；若直接观察到的曲线b的变化规律不再平缓，有明显的波浪型信号，且求出的相关系数R＜R_min，则说明滚刀此时非正常转动，处于非正常磨损状态，此时进行步骤S5分析，其中R_min是判断滚刀为正常磨损时的最小相关系数，该系数的初始值大小根据施工地质条件和工程要求确定，并结合实际工况中滚刀正常磨损和非正常失效情况，以及弦磨判断精度要求进行修正，如此例以某TBM工程为背景，该工程施工地质主要为II,III类花岗岩，刀具失效较为严重，正常磨损和非正常失效比例约为7:3，根据施工要求以及较多非正常失效现象，将初始值设定为0.85。

步骤S5：在前述步骤的基础上，提高所述磨损检测装置的采样频率，采集足够信号样本后，用计算机拟合出采集信号随时间变化的曲线c，若曲线c含有带折点的波浪型曲线，且呈周期性变化，则说明滚刀此时发生弦磨；弦磨的边数N等于曲线c上单个周期内的波峰或者波谷n，曲线c的周期可以从曲线的变化规律上得出，截取不断重复的部分即可。

如图3所示，在步骤S5中，如果滚刀是正常磨损，滚刀转动一周，采集到的信号基本不变，而当滚刀发生多边弦磨之后，采集到的滚刀圆弧部分对应的信号和正常磨损时是一致的，采集到的弦磨弦边部分(图中A、B和C)的信号则有明显的不同，呈现先变大后变小或者先变小后变大的波浪型变化趋势，具体变化趋势由所采用的磨损检测装置类型决定，其中磨损的弦边的中点便是测得信号曲线的波峰或者波谷所对应的点，弦磨开始或结束时的角点(如图中D点)便是测得信号曲线的折点。

在本实施例中，所述步骤S1、步骤S2和步骤S5中在拟合曲线之前，需要对采集到的信号通过滤波器进行处理，滤除因为振动变形等其他因素引起的波形变化，在实际操作中会有很多的因素会对采集的信号产生影响，因此需要采用滤波器对信号进行过滤，以免对后面的处理判断产生影响。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于磨损检测的盾构/TBM滚刀转动状态以及弦磨在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：安装滚刀磨损检测装置，在滚刀正常运行磨损的状态下，记录磨损检测装置采集的信号，然后标定采集的信号随时间变化的曲线a；

S2：通过步骤S1所述标定后的磨损检测装置，实时记录滚刀在实际工况破岩状态下的信号，由计算机拟合出采集的信号随时间变化的曲线b；

S3：对曲线b进行分析，若曲线b处于水平状态且一直保持不变，抑或在长时间处于水平状态后，信号曲线在某一时刻发生变化，而后又继续处于水平状态保持不变，则说明此时滚刀转速为零，处于卡死状态，长期工作下去滚刀与岩石接触的区域必然发生弦磨；若曲线b为其他情况则进行步骤S4分析；

S4：对曲线a和曲线b进行相关性分析，求出其相关系数R；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律一致，是一条平缓上升或下降的曲线，且求得的相关系数R趋近于1，则说明滚刀此时正常转动，处于正常磨损状态；若直接观察到曲线b的变化规律与曲线a的变化规律不完全相同，但求得的相关系数总体上是一条平缓的曲线，则认为滚刀此时仍处于正常磨损状态的范围；若直接观察到的曲线b的变化规律不再平缓，有明显的波浪型信号，且求出的相关系数R＜R_min，则说明滚刀此时非正常转动，处于非正常磨损状态，此时进行步骤S5分析，其中R_min是判断滚刀为正常磨损时的最小相关系数，该系数的初始值大小根据施工地质条件和工程要求确定，并结合实际工况中滚刀正常磨损和非正常失效情况以及弦磨判断精度要求进行修正；

S5：在前述步骤的基础上，在提高磨损检测装置采样频率的前提下继续采样，并用计算机拟合出此次采集的信号随时间变化的曲线c，若曲线c含有带折点的波浪型曲线，且呈周期性变化，则说明滚刀此时发生弦磨；弦磨的边数N等于曲线c上单个周期内的波峰或波谷数n，折点为弦磨边开始或结束时的角点。

2.根据权利要求1所述的在线检测方法，其特征在于：在进行步骤S1之前需先求出滚刀在实际工况中的转速ω，然后由公式求出滚刀的转动周期T，所述步骤S1和步骤S2中磨损检测装置采集型号的采样频率ω₁和周期T₁均相同，且或其中m为正整数。

3.根据权利要求2所述的在线检测方法，其特征在于：所述步骤S5中磨损检测装置采样周期T₂满足其中m为正整数。

4.根据权利要求1-3任一项所述的在线检测方法，其特征在于：所述步骤S1、步骤S2和步骤S5中在拟合曲线之前，需要对采集到的信号通过滤波器进行处理，滤除因为振动变形因素引起的波形变化。