CN110658091A - 一种盾构机刀具磨损检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机刀具磨损检测系统及方法，包括刀轴、轴承、刀座、滚刀刀圈、高压腔体和振动器，刀轴外部安装有刀座，刀座外部固定有滚刀刀圈，高压腔体一端置于滚刀刀圈内部，高压腔体另一端与振动器顶部密闭连接；振动器包括壳体、蓄电池和微电机，壳体顶部贯穿开有膜片升降孔，壳体顶部与高压腔体另一端密闭连接，壳体的膜片升降孔顶端设有弹性膜片，膜片升降孔的底端设有第一电连接端子和第二电连接端子，弹性膜片底部通过连杆连接有开关触点。本发明采用压缩空气封装于刀具内，以泄漏触发振动器振动，然后通过振动波检测传感器接收振动波信号以触发报警或信号数据存储、转换处理，具有原理简单、工作可靠等优点。

Description

一种盾构机刀具磨损检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种盾构机刀具检测辅助设备，尤其涉及一种盾构机刀具磨损检测系统及方法。

背景技术

随着国内地铁、高铁等交通建设的快速发展，地下、地上隧道施工愈益普遍。盾构法由于其安全、掘进速度快等优点在隧道施工中得到广泛应用。刀盘安装于盾构机的最前沿，通过旋转刀盘上的刀具来切削开挖面的土层，刀具承受很大的切削载荷而不断磨耗。磨耗到一定程度的刀具需要及时更换，而受地质条件、空间尺寸等因素的限制，刀具磨损程度的判断和更换在盾构施工中比较困难。开发一种简便、可靠的刀具磨损检测装置必要而迫切，在隧道施工中具有重要意义。

目前隧道施工中已有不少刀具磨损检测方法，开舱检查刀具的方法有较大风险。气体检测法通过气体检测装置发现刀具中预先压缩的化学气体来探测刀具是否磨损，方法简单但效果不稳定，尤其在土压平衡式盾构和泥水盾构中效果不佳。液压磨损检测技术应用较为广泛，但结构复杂，无法在较多位置安装不同高度的磨损检测刀，且不能进行磨损定位。电气磨损检测技术的金属检测可靠性不高，易产生误报。掘进参数分析法具有不直观、不精确的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种盾构机刀具磨损检测系统，采用压缩空气封装于刀具内，以泄漏触发振动器振动，然后通过振动波检测传感器接收振动波信号以触发报警或信号数据存储、转换处理，具有原理简单、工作可靠等优点。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种盾构机刀具磨损检测系统，包括刀轴、轴承、刀座、滚刀刀圈、高压腔体和振动器，所述刀轴外部通过两个固定架安装有刀座，所述刀座外部固定有滚刀刀圈，两个固定架之间安装有与刀轴相配合的轴承，所述高压腔体一端贯穿刀座并置于滚刀刀圈内部，所述高压腔体另一端与振动器顶部密闭连接；所述振动器包括壳体、蓄电池和微电机，所述蓄电池、微电机设置于壳体内部，所述壳体顶部贯穿开有膜片升降孔，所述壳体顶部与高压腔体另一端密闭连接，所述壳体的膜片升降孔顶端设有封闭膜片升降孔的顶端口部的弹性膜片，所述膜片升降孔的底端口部两侧分别设有第一电连接端子和第二电连接端子，所述第一电连接端子端部与第二电连接端子端部在膜片升降孔底端中心位置具有电断开间隙，所述弹性膜片底部通过连杆连接有与电断开间隙相对应的开关触点，所述开关触点位于电断开间隙下方；所述蓄电池的正极、第一电连接端子、微电机正极依次连接，所述蓄电池的负极、第一电连接端子、微电机负极依次连接。

为了更好地实现本发明，所述滚刀刀圈内部设有若干个与高压腔体相连通的毛细管。

作为优选，所述微电机为振动电机。

作为优选，所述高压腔体一端靠近滚刀刀圈边缘的磨损部位。

作为优选，所述毛细管端部靠近滚刀刀圈边缘的磨损部位。

作为优选，两个固定架之间安装有内衬部件，所述内衬部件与轴承连接固定。

作为优选，本发明盾构机刀具磨损检测系统还包括振动波检测传感器与振动波检测传感器电连接的报警模块。

作为优选，本发明盾构机刀具磨损检测系统还包括振动波信号处理系统，所述振动波信号处理系统与振动波检测传感器电连接。

一种盾构机刀具磨损检测方法，包括刀轴、轴承、刀座、滚刀刀圈、高压腔体、振动器、振动波检测传感器、振动波信号处理系统、报警模块和计算机，所述刀轴外部通过两个固定架安装有刀座，所述刀座外部固定有滚刀刀圈，两个固定架之间安装有与刀轴相配合的轴承，所述高压腔体一端贯穿刀座并置于滚刀刀圈内部，所述高压腔体另一端与振动器顶部密闭连接；所述振动器包括壳体、蓄电池和微电机，所述蓄电池、微电机设置于壳体内部，所述壳体顶部贯穿开有膜片升降孔，所述壳体顶部与高压腔体另一端密闭连接，所述壳体的膜片升降孔顶端设有封闭膜片升降孔的顶端口部的弹性膜片，所述膜片升降孔的底端口部两侧分别设有第一电连接端子和第二电连接端子，所述第一电连接端子端部与第二电连接端子端部在膜片升降孔底端中心位置具有电断开间隙，所述弹性膜片底部通过连杆连接有与电断开间隙相对应的开关触点；所述蓄电池的正极、第一电连接端子、微电机正极依次连接，所述蓄电池的负极、第一电连接端子、微电机负极依次连接；所述滚刀刀圈内部设有若干个与高压腔体相连通的毛细管，所述振动波检测传感器、振动波信号处理系统、报警模块依次电连接，其检测方法如下：

A、向高压腔体中灌入高压空气，直到高压空气灌满所有毛细管，此时振动器的弹性膜片受压变形并让开关触点与第一电连接端子、第二电连接端子均分开，蓄电池与微电机电路处于断开状态(即振动器电路处于断开状态)，微电机不工作；当滚刀刀圈边缘磨损达到毛细管或/和高压腔体端部预设埋置厚度时，毛细管或/和高压腔体被磨穿，毛细管或/和高压腔体内的高压空气外泄降压，弹性膜片变形恢复，此时开关触点分别与第一电连接端子、第二电连接端子电接触，蓄电池与微电机电路处于通电状态(即振动器电路处于通电闭合状态)，微电机通电并振动工作；

B、振动器的微电机产生预定频率的振动波，振动波检测传感器接收到振动波并将振动波信号传输至振动波信号处理系统，振动波信号处理系统进行滤波处理、信号数模转换处理，振动波信号处理系统将信号数模转换处理后的振动波数字信号传输至计算机中并记录、存储，振动波信号处理系统将振动波信号传输至报警模块并触发报警模块发出报警信号(报警信号可以为声音报警信号，也可以为灯光报警信号，还可以为其他报警方式)。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明刀具磨损检测系统采用压缩空气封装于刀具内，以泄漏触发振动器振动，然后通过振动波检测传感器接收振动波信号以触发报警或信号数据存储、转换处理，具有原理简单、工作可靠等优点。

(2)相比传统采用复杂的结构部件，本发明刀具磨损检测系统采用振动信号作为磨损信息，低频振动波传播范围广、穿透能力强，能可靠探测。可有效避免气体检测法中气体不能可靠传播出去的问题，避免液压、电路信号传输要解决的传输通道问题；目前尚未见有类似的以振动信号为磨损信息传播、探测的方法，刀具磨损检测效率高、精准度高、灵敏度高。

(3)本发明刀具磨损检测系统的振动器可设置为不同的振动频率，通过检测到的振动频率值可识别是哪个刀具发出的振动信号，同时发出报警信号，提醒工作人员更换相应的刀具。

(4)本发明刀具磨损检测系统具有结构简单、成本低的特点。振动器的蓄电池、微电机、膜片开关(包括弹性膜片、第一电连接端子、第二电连接端子)可集成一体，体积小，成本较低。振动波的探测也可利用现有的盾构机主轴承振动检测系统实现，只需在软件上增加振动信号滤波处理、在线频谱分析功能即可，可方便投入使用。

(5)本发明既可以适用于结构较为复杂的滚刀刀具，又可以适用于其它类型刀具，而且还可以应用于刀盘上需要磨损检测的部位，该磨损检测方法同样易于实现，在刀具、刀盘磨损检测方面将具有广泛的应用前景和科研意义。

附图说明

图1为本发明盾构机刀具磨损检测系统的结构示意图；

图2为高压腔体内灌入高压空气时的开关触点位置示意图；

图3为高压腔体内在大气常压下的开关触点位置示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－刀轴,2－轴承,3－刀座,4－内衬部件,5－固定架,6－滚刀刀圈,7－挡圈,8－高压腔体,9－振动器,91－壳体,92－蓄电池,93－微电机,94－膜片升降孔,95－弹性膜片,96－开关触点，97－第一电连接端子,98－第二电连接端子，10－密封圈。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图3所示，一种盾构机刀具磨损检测系统，包括刀轴1、轴承2、刀座3、滚刀刀圈6、高压腔体8和振动器9，刀轴1外部通过两个固定架5安装有刀座3，刀座3外部固定有滚刀刀圈6，两个固定架5之间安装有与刀轴1相配合的轴承2，高压腔体8一端贯穿刀座3并置于滚刀刀圈6内部，高压腔体8另一端与振动器9顶部密闭连接；振动器9包括壳体91、蓄电池92和微电机93，蓄电池92、微电机93设置于壳体91内部，本发明的微电机93为振动电机。壳体91顶部贯穿开有膜片升降孔94，壳体91顶部与高压腔体8另一端密闭连接，壳体91的膜片升降孔94顶端设有封闭膜片升降孔94的顶端口部的弹性膜片95，膜片升降孔94的底端口部两侧分别设有第一电连接端子97和第二电连接端子98，第一电连接端子97端部与第二电连接端子98端部在膜片升降孔94底端中心位置具有电断开间隙，弹性膜片95底部通过连杆连接有与电断开间隙相对应的开关触点96，开关触点96位于电断开间隙下方；蓄电池92的正极、第一电连接端子97、微电机93正极依次连接，蓄电池92的负极、第一电连接端子97、微电机93负极依次连接。

本发明在滚刀刀圈6内部设有若干个与高压腔体8相连通的毛细管。本发明的高压腔体8一端可以靠近滚刀刀圈6边缘的磨损部位(即滚刀刀圈6工作易磨损部位)，本发明的毛细管端部靠近滚刀刀圈6边缘的磨损部位(即滚刀刀圈6工作易磨损部位)，毛细管的设置位置、数量根据滚刀刀圈6的结构和工作情况确定。为了能在滚刀刀圈6周向上多部位实现磨损探测，可在滚刀刀圈1沿周向加工多个毛细管，加工的毛细管要求不影响刀具的结构，对刀具强度的影响很小。

如图1所示，两个固定架5之间安装有内衬部件4，内衬部件4与轴承2连接固定，固定架5与刀座3之间设有若干个密封圈10。

本实施例还包括振动波检测传感器与振动波检测传感器电连接的报警模块。本实施例还包括振动波信号处理系统，振动波信号处理系统与振动波检测传感器电连接。

一种盾构机刀具磨损检测方法，包括刀轴1、轴承2、刀座3、滚刀刀圈6、高压腔体8、振动器9、振动波检测传感器、振动波信号处理系统、报警模块和计算机，刀轴1外部通过两个固定架5安装有刀座3，刀座3外部固定有滚刀刀圈6，两个固定架5之间安装有与刀轴1相配合的轴承2，高压腔体8一端贯穿刀座3并置于滚刀刀圈6内部，高压腔体8另一端与振动器9顶部密闭连接；振动器9包括壳体91、蓄电池92和微电机93，蓄电池92、微电机93设置于壳体91内部，壳体91顶部贯穿开有膜片升降孔94，壳体91顶部与高压腔体8另一端密闭连接，壳体91的膜片升降孔94顶端设有封闭膜片升降孔94的顶端口部的弹性膜片95，膜片升降孔94的底端口部两侧分别设有第一电连接端子97和第二电连接端子98，第一电连接端子97端部与第二电连接端子98端部在膜片升降孔94底端中心位置具有电断开间隙，弹性膜片95底部通过连杆连接有与电断开间隙相对应的开关触点96；蓄电池92的正极、第一电连接端子97、微电机93正极依次连接，蓄电池92的负极、第一电连接端子97、微电机93负极依次连接；滚刀刀圈6内部设有若干个与高压腔体8相连通的毛细管，振动波检测传感器、振动波信号处理系统、报警模块依次电连接，其检测方法如下：

A、向高压腔体8中灌入高压空气，直到高压空气灌满所有毛细管，此时振动器9的弹性膜片95受压变形并让开关触点96与第一电连接端子97、第二电连接端子98均分开，蓄电池92与微电机93电路处于断开状态(即振动器9电路处于断开状态)，微电机93不工作；当滚刀刀圈6边缘磨损达到毛细管或/和高压腔体8端部预设埋置厚度时，毛细管或/和高压腔体8被磨穿，毛细管或/和高压腔体8内的高压空气外泄降压，弹性膜片95变形恢复，此时开关触点96分别与第一电连接端子97、第二电连接端子98电接触，蓄电池92与微电机93电路处于通电状态(即振动器9电路处于通电闭合状态)，微电机93通电并振动工作；

B、振动器9的微电机93产生预定频率的振动波，振动波检测传感器(又可以为盾构机刀具本身所具有的主轴承振动传感器，振动波可通过刀盘、转接法兰传播到主轴承振动传感器，虽然振动器的振动能量相对不大，工作中的施工噪声较大，但振动器的低频振动通过刀盘传播的衰减小、振动频率确定、振动信号规则，主轴承振动传感器能收集到振动信号，通过滤波处理，在确定频段上可探测到振动器的振动信号，可在线频谱分析捕捉到振动频率)接收到振动波并将振动波信号传输至振动波信号处理系统，振动波信号处理系统进行滤波处理、信号数模转换处理，振动波信号处理系统将信号数模转换处理后的振动波数字信号传输至计算机中并记录、存储，振动波信号处理系统将振动波信号传输至报警模块并触发报警模块发出报警信号(报警信号可以为声音报警信号，也可以为灯光报警信号，还可以为其他报警方式)。本发明不同刀具的振动器可设置为不同的振动频率，通过检测到的振动频率值可识别是哪个刀具发出的振动信号，同时发出报警信号，提醒工作人员更换相应的刀具。

本发明具体技术要求如下：

1.在刀具没磨耗到毛细管位置时，确保高压腔体8内空气处于密封状态。

2.刀具上高压腔体8的毛细管通道可分支，末端的位置分布可根据需要磨损检测的部位设置；高压腔体8的毛细管预设埋置的厚度可由磨损判据的临界值来确定。

3.本发明可以在轴承内安装对应的振动信号测试系统(即振动波检测传感器、振动波信号处理系统)，也或利用现有的主轴承振动检测系统，以检测刀具磨损检测装置中的振动发生器的弹性波信号。配置振动信号分析软件，实现检测振动信号的滤波、在线频谱分析等功能。

4.振动器9的振动强度相对不大，但为较低频率的规则振动，在刀盘中振动传播的衰减小。而工作中的施工噪声较大，主轴承的振动传感器收集到振动信号频率复杂，但通过滤波处理、频谱分析等方法在确定频段上易于探测、识别。

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 (9)

1.一种盾构机刀具磨损检测系统，包括刀轴(1)、轴承(2)、刀座(3)和滚刀刀圈(6)，所述刀轴(1)外部通过两个固定架(5)安装有刀座(3)，所述刀座(3)外部固定有滚刀刀圈(6)，两个固定架(5)之间安装有与刀轴(1)相配合的轴承(2)，其特征在于：还包括高压腔体(8)和振动器(9)，所述高压腔体(8)一端贯穿刀座(3)并置于滚刀刀圈(6)内部，所述高压腔体(8)另一端与振动器(9)顶部密闭连接；所述振动器(9)包括壳体(91)、蓄电池(92)和微电机(93)，所述蓄电池(92)、微电机(93)设置于壳体(91)内部，所述壳体(91)顶部贯穿开有膜片升降孔(94)，所述壳体(91)顶部与高压腔体(8)另一端密闭连接，所述壳体(91)的膜片升降孔(94)顶端设有封闭膜片升降孔(94)的顶端口部的弹性膜片(95)，所述膜片升降孔(94)的底端口部两侧分别设有第一电连接端子(97)和第二电连接端子(98)，所述第一电连接端子(97)端部与第二电连接端子(98)端部在膜片升降孔(94)底端中心位置具有电断开间隙，所述弹性膜片(95)底部通过连杆连接有与电断开间隙相对应的开关触点(96)；所述蓄电池(92)的正极、第一电连接端子(97)、微电机(93)正极依次连接，所述蓄电池(92)的负极、第一电连接端子(97)、微电机(93)负极依次连接。

2.按照权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损检测系统，其特征在于：所述滚刀刀圈(6)内部设有若干个与高压腔体(8)相连通的毛细管。

3.按照权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损检测系统，其特征在于：所述微电机(93)为振动电机。

4.按照权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损检测系统，其特征在于：所述高压腔体(8)一端靠近滚刀刀圈(6)边缘的磨损部位。

5.按照权利要求2所述的一种盾构机刀具磨损检测系统，其特征在于：所述毛细管端部靠近滚刀刀圈(6)边缘的磨损部位。

6.按照权利要求1所述的一种盾构机刀具磨损检测系统，其特征在于：两个固定架(5)之间安装有内衬部件(4)，所述内衬部件(4)与轴承(2)连接固定。

7.按照权利要求1或3所述的一种盾构机刀具磨损检测系统，其特征在于：还包括振动波检测传感器与振动波检测传感器电连接的报警模块。

8.按照权利要求7所述的一种盾构机刀具磨损检测系统，其特征在于：还包括振动波信号处理系统，所述振动波信号处理系统与振动波检测传感器电连接。

9.一种盾构机刀具磨损检测方法，其特征在于：包括刀轴(1)、轴承(2)、刀座(3)、滚刀刀圈(6)、高压腔体(8)、振动器(9)、振动波检测传感器、振动波信号处理系统、报警模块和计算机，所述刀轴(1)外部通过两个固定架(5)安装有刀座(3)，所述刀座(3)外部固定有滚刀刀圈(6)，两个固定架(5)之间安装有与刀轴(1)相配合的轴承(2)，所述高压腔体(8)一端贯穿刀座(3)并置于滚刀刀圈(6)内部，所述高压腔体(8)另一端与振动器(9)顶部密闭连接；所述振动器(9)包括壳体(91)、蓄电池(92)和微电机(93)，所述蓄电池(92)、微电机(93)设置于壳体(91)内部，所述壳体(91)顶部贯穿开有膜片升降孔(94)，所述壳体(91)顶部与高压腔体(8)另一端密闭连接，所述壳体(91)的膜片升降孔(94)顶端设有封闭膜片升降孔(94)的顶端口部的弹性膜片(95)，所述膜片升降孔(94)的底端口部两侧分别设有第一电连接端子(97)和第二电连接端子(98)，所述第一电连接端子(97)端部与第二电连接端子(98)端部在膜片升降孔(94)底端中心位置具有电断开间隙，所述弹性膜片(95)底部通过连杆连接有与电断开间隙相对应的开关触点(96)；所述蓄电池(92)的正极、第一电连接端子(97)、微电机(93)正极依次连接，所述蓄电池(92)的负极、第一电连接端子(97)、微电机(93)负极依次连接；所述滚刀刀圈(6)内部设有若干个与高压腔体(8)相连通的毛细管，所述振动波检测传感器、振动波信号处理系统、报警模块依次电连接，其检测方法如下：

A、向高压腔体(8)中灌入高压空气，直到高压空气灌满所有毛细管，此时振动器(9)的弹性膜片(95)受压变形并让开关触点(96)与第一电连接端子(97)、第二电连接端子(98)均分开，蓄电池(92)与微电机(93)电路处于断开状态，微电机(93)不工作；当滚刀刀圈(6)边缘磨损达到毛细管或/和高压腔体(8)端部预设埋置厚度时，毛细管或/和高压腔体(8)被磨穿，毛细管或/和高压腔体(8)内的高压空气外泄降压，弹性膜片(95)变形恢复，此时开关触点(96)分别与第一电连接端子(97)、第二电连接端子(98)电接触，蓄电池(92)与微电机(93)电路处于通电状态，微电机(93)通电并振动工作；

B、振动器(9)的微电机(93)产生预定频率的振动波，振动波检测传感器接收到振动波并将振动波信号传输至振动波信号处理系统，振动波信号处理系统进行滤波处理、信号数模转换处理，振动波信号处理系统将信号数模转换处理后的振动波数字信号传输至计算机中并记录、存储，振动波信号处理系统将振动波信号传输至报警模块并触发报警模块发出报警信号。

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