CN110672248B - 一种基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法。包括如下步骤：将磨损检测装置按图示位置布置在滚刀垂直力方向与滚动力方向；对磨损检测装置进行标定，记录分别加载垂直力与滚动力时，相应的滚刀位移；依据位移变化，拟合滚刀受力计算公式，并开发相应计算软件；在盾构机掘进时通过两个方向上磨损检测装置的监测值，计算出滚刀在垂直力与滚动力方向上的实际位移变化；通过开发的计算软件，计算出滚刀受力。本发明解决了现有盾构滚刀受力检测装置安装复杂，可靠性不高的问题，提出了一种更准确的检测方法，能有效减少盾构滚刀因过载而导致的异常失效，同时提高盾构机掘进施工效率。

Description

一种基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法
技术领域
本发明涉及隧道与地下工程领域，具体而言，涉及一种盾构滚刀受力的检测方法。
背景技术
目前盾构机作为一种岩土掘进装备，已经广泛应用于各类隧道的建设施工中。在较硬的岩层环境下，盾构机主要依靠安装在刀盘上的滚刀在驱动系统提供的强大推力与扭矩作用下，将坚硬的岩石逐渐滚压破碎。因此，滚刀的切削性能直接影响盾构机掘进的效率。滚刀在破岩过程中受到垂直力、侧向力和滚动力的作用。在硬岩环境下，当滚刀受力过大时极易发生刀圈断裂、刀轴断裂、轴承损坏等故障，从而影响掘进效率，严重时甚至造成刀盘损坏。实时监测滚刀受力情况，掌握其工作状态，并以此调整合理的掘进参数，能够有效减少滚刀失效概率，降低施工成本。
国内在滚刀受力监测方面已有一些研究，例如公开号CN103698075A发明专利提出了一种在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力装置，公开号CN106370333A发明专利提出了一种TBM滚刀受力在线实时监测装置及监测方法，公开号CN108267250A发明专利提出了一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置。这三种监测装置均是通过对滚刀刀座进行改造，在其中安装应变计或其他传感器，直接进行盾构滚刀受力测量。但改造后影响刀座结构强度，减少刀座寿命，同时监测装置损坏后亦难以进行更换。公开号CN108286438A发明专利提出了一种常压换刀刀盘滚刀受力实时监测装置，通过测力螺栓进行盾构滚刀受力监测，该方案所用测力螺栓价格昂贵，一根螺栓报价高达10余万。以上专利提出的盾构滚刀受力监测手段均难以保证监测装置的可靠性与易更换性，且部分检测方法价格高昂，急需提出一种更换便捷，成本较低的检测方法。
目前，国内众多科研机构已经公开了多种盾构滚刀磨损检测装置。具体有如下几种：公开号CN103148771A发明专利提出了一种利用电涡流传感器监测滚刀磨损的装置；公开号CN103969139A发明专利提出了一种利用位移传感器及速度传感器实现对滚刀磨损量测量滚刀到磨损量与转速的测量；公开号CN2013164109U实用新型专利提出了一种利用激光光学传感器实现对滚刀磨损量的测量以及公开号CN105352420A发明专利利用磁敏元件进行滚刀磨损的检测。这些装置能可靠地连续监测盾构滚刀的磨损情况，并实时反映滚刀的切削状态。
综上所述，为解决滚刀受力监测的可靠性与易更换性，可以将滚刀磨损检测装置应用于滚刀受力的监测。
发明内容
本发明提出了一种基于磨损检测装置的盾构滚刀受力检测方法。
前文提到的滚刀磨损检测装置的测试原理，均是通过检测装置以滚刀之间的距离，来间接测量滚刀的磨损值。本发明利用这些基于位移监测的磨损检测装置，来进行滚刀所受二向力(垂直力和滚动力)的检测。
本发明的检测原理为：滚刀在破岩过程中受到三向力(垂直力、滚动力与侧向力)的作用，由于刀座和滚刀的材料特性与装配间隙等原因，滚刀在三向力作用方向上会产生较小位移，各方向上的位移与受力大小存在变化规律，通过标定获得三向力变化时各方向滚刀位移的变化规律，拟合得到三向力与位移之间变化公式，最终通过实际安装的磨损检测装置监测位移变化，依据公式计算得到滚刀受力。
由于滚刀所受到的侧向力远小于垂直力和滚动力，且使用磨损检测装置检测较为困难，因此，本发明仅考虑通过磨损检测装置进行垂直力与滚动力二向力的监测。
本发明的技术方案是：
一种基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力测试方法，包括如下步骤：
步骤1，将2个磨损检测装置分别布置在滚刀垂直力方向与滚动力方向，并记录其与滚刀之间的初始安装距离；
步骤2，对磨损监测装置进行标定，记录分别加载垂直力与滚动力时，相应的滚刀位移；
步骤3，依据步骤2中记录的滚刀位移与初始变化量，计算出位移变化量，分别拟合出位移变化量与垂直力和滚动力之间的计算公式，并开发计算软件。
步骤4，在盾构机掘进时通过两个方向上磨损检测装置的监测值，记录磨损检测装置与滚刀之间的位移变化，并通过这两个值，计算出滚刀在垂直力与滚动力方向上的实际位移。
步骤5，将步骤4中获得的实际位移变化值输入到步骤3中开发的计算软件，计算滚刀受力，并通过软件监控滚刀受力变化。
经由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
本发明依靠目前提出的各类基于位移检测的磨损检测装置，进行滚刀二向力监测，不需要对盾构机刀盘与刀座结构进行较大改造，提高了刀座结构的可靠性。同时，磨损检测装置已在众多工程中应用，具有较高的可靠性，本发明利用现有的磨损监测装置，将多种功能集成到单一的检测装置上，实现了对滚刀破岩过程中多种状态的同时检测，不但减小其安装维护的难度，同时还节约检测成本。
附图说明
图1为滚刀受力与磨损检测装置布置位置示意图。
图1中：1、盾构滚刀；2、滚动力方向磨损检测装置；3、垂直力方向磨损检测装置；FV、垂直力；FR、滚动力；V
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明提出的基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力测试方法，包括如下步骤：
步骤1，将滚动力方向磨损检测装置2布置在平行于滚动力方向，将垂直力方向磨损检测装置3布置在垂直力方向上，两个磨损检测装置检测方向经过滚刀1刀圈圆心，且布置在滚刀1刀尖所在平面。安装完成后，记录分别记录两个磨损检测装置与滚刀之间的初始安装距离DR和DV。
步骤2，通过加载装置向滚刀1分别施加滚动力FR与垂直力FV，并逐渐增大到滚刀最大承载载荷，记录滚刀1与滚动力方向磨损监测装置2的距离D′R,与垂直力方向磨损检测装置3的距离D′V。
步骤3，根据步骤3中记录的距离，分别计算滚刀1与滚动力方向磨损监测装置2的位移变化量dR＝|DR-D′R|,与垂直力方向磨损检测装置3的位移变化量dV＝|DV-D′V|。将滚动力FR与dR、垂直力FV与dV，分别进行拟合，得到二向力与位移变化量的计算公式，并开发相应计算软件。
步骤4，按照图1中的布置方式，将磨损检测装置布置到盾构机滚刀上，监测掘进时滚刀与磨损监测装置之间的位移变化。并通过这两个值，计算出滚刀在垂直力与滚动力方向上的实际位移变化。
步骤5，将步骤4中获得的实际位移变化值输入到步骤3中开发的计算软件，计算滚刀受力，并通过软件进行滚刀受力变化监控。
在实际掘进过程中，滚刀是同时受到垂直力与滚动力会同时作用在滚刀上。由于滚刀的形状特点，磨损检测装置测得的位移量是两个方向上叠加所得，因此步骤4中需要建立实际位移计算模型，解耦计算两个方向的实际位移。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,同时，发明中提到的磨损检测装置均是通过位移监测的手段来进行滚刀磨损量检测，磨损检测装置能够通过其他位移监测传感器进行替换。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,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法，其特征在于：所述的检测方法基于现有磨损检测装置，利用检测获得的数据，分析计算滚刀受力，其具体步骤如下：
步骤1，将2个磨损检测装置分别布置在滚刀垂直力方向与滚动力方向，并记录其与滚刀之间的初始安装距离；
步骤2，对磨损监测装置进行标定，记录分别加载垂直力与滚动力时，相应的滚刀位移；
步骤3，依据步骤2中记录的滚刀位移与初始变化量，计算出位移变化量，并分别拟合出位移变化量与垂直力和滚动力之间的计算公式，并开发计算软件；
步骤4，在盾构机掘进时通过两个方向上磨损检测装置的监测值，记录磨损检测装置与滚刀之间的位移变化，并通过这两个值，计算出滚刀在垂直力与滚动力方向上的实际位移变化；
步骤5，将步骤4中获得的实际位移变化值输入到步骤3中开发的计算软件，计算滚刀受力，并通过步骤3中开发的软件进行滚刀受力变化监控。
2.如权利要求1所述的基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法，其特征在于：所述方法检测原理为：由于刀座和滚刀的材料特性与装配间隙，滚刀在三向力作用方向上会产生位移，各方向上的位移与受力大小存在变化规律，通过标定获得二向力变化时各方向滚刀位移的变化规律，拟合得到二向力与位移之间变化公式，最终通过实际安装的磨损检测装置监测位移变化，依据公式计算得到滚刀受力。
3.如权利要求1所述的基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法，其特征在于：所述步骤1中的布置过程中，将滚动力方向磨损检测装置布置在平行于滚动力方向，将垂直力方向磨损检测装置布置在垂直力方向上，两个磨损检测装置检测方向经过滚刀刀圈圆心，且布置在滚刀刀尖所在平面。
4.如权利要求1所述的基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法，其特征在于：所述步骤4中，结合滚刀的形状特点，需要建立实际位移计算模型，解耦计算两个方向的实际位移。
5.如权利要求1所述的基于磨损检测装置的盾构滚刀二向力检测方法，其特征在于：检测方法基于通过位移监测的磨损检测装置，但不局限于磨损监测装置，也可通过各类位移检测传感器进行替代。
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