CN110987155B - 一种tbm滚刀损耗状态实时监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了提供一种TBM滚刀损耗状态实时监测装置及方法，包括数据采集及发送模块、损耗感知模块和处理器，所述的损耗感知模块包括簧片和应变片，所述应变片贴敷在簧片上，所述簧片一端固定，另一端抵压在滚刀上形成弧形，簧片抵压在滚刀上的一端用于接受滚刀作用产生振动，所述数据采集及发送模块通过应变片测取簧片的振动信号并发送至处理器，所述处理器接收振动数据并与滚刀损耗状态振动信号数据库进行比对，用于判断滚刀的损耗状态，能够在不改变刀盘结构、不停机的基础上，在TBM工作状态下，对滚刀的多种损耗形式进行有效的实时监测，并避免了滚刀粘附岩渣对监测的影响。
Description
技术领域
本申请涉及一种TBM滚刀损耗状态实时监测装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
近年来，隧道掘进机 (TBM) 在隧道工程中广泛使用，其中，滚刀作为TBM破岩的主要部件，其损耗状态直接关系着掘进效率、施工质量、施工安全，因此滚刀的损耗状态一直是TBM隧道施工技术人员在施工中关注的重点之一。
滚刀的损耗状态可以分为两种：正常损耗及非正常损耗。正常损耗指滚刀的刀圈逐渐磨损，直至磨损至极限状态而无法继续使用；非正常损耗主要包括刀圈开裂、刀圈偏磨、刀圈解体、刀圈卷刃及崩刃等形式。
发明人发现，目前，为监测滚刀的损耗状态，国内外学者提出了很多监测手段，主要包括添加异味添加剂、增设液压传感系统、预设线圈等一类需要对滚刀及刀盘结构进行改造的方法，此类方法的问题在于，需要对滚刀及刀盘结构进行改造，影响滚刀自身破岩能力的同时，实施难度较大，且难以推广；另外一类方法为使用声波、红外线或激光监测等手段对滚刀的损耗状态进行直接测量，此类方法容易受到滚刀上粘附岩渣及地下水的干扰影响，影响测量结果，且很难监测到刀圈卷刃、刀圈崩刃等滚刀的非正常损耗；上述手段都难以满足现有的对TBM滚刀损耗状态实时掌握的需求。
发明内容
本申请的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种TBM滚刀损耗状态实时监测装置及方法，能够在不改变刀盘结构、不停机的基础上，在TBM工作状态下，对滚刀的多种损耗形式进行有效的实时监测，并避免了滚刀粘附岩渣对监测的影响，本发明结构简单、易于安装。
本申请的第一目的是提供一种TBM滚刀损耗状态实时监测装置，采用以下技术方案：
包括数据采集及发送模块、损耗感知模块和处理器，所述的损耗感知模块包括簧片和应变片，所述应变片贴敷在簧片上，所述簧片一端固定，另一端抵压在滚刀上形成弧形，簧片抵压在滚刀上的一端用于接受滚刀作用产生振动，所述数据采集及发送模块通过应变片测取簧片的振动信号并发送至处理器，所述处理器接收振动数据并与滚刀损耗状态振动信号数据库进行比对，用于判断滚刀的损耗状态。
进一步地，所述损耗感知模块还包括保护外壳，所述保护外壳套设在簧片外部，使簧片抵压在滚刀上的一端露出，用于隔离外部环境对簧片的干涉。
进一步地，所述损耗感知模块有至少有四个，对称安装在滚刀的两侧，位于滚刀同侧的簧片对应抵压在滚刀刀圈的不同位置，用于采集滚刀刀圈不同位置处的振动信号。
进一步地，所述保护外壳靠近滚刀的一端设有柔性段，所述柔性段端部与对应滚刀处的形状相吻合，其留有间隙。
进一步地，所述应变片通过应变胶粘结在簧片上，每个簧片的正反两面各贴有至少两个应变片。
进一步地，还包括滚刀清洁模块，所述滚刀清洁模块包括排刷和导渣挡板，所述排刷与滚刀配合，用于清理滚刀上的粘附岩渣，所述导渣挡板安装在排刷上，与滚刀刀圈呈夹角设置，用于阻挡外部环境对簧片的碰撞干涉。
本申请的第二发明目的是提供一种TBM滚刀损耗状态实时监测方法，利用如上任一项所述的TBM滚刀损耗状态实时监测装置，包括以下步骤：
在滚刀的各部位选择监测目标点，布置损耗感知模块；
损耗感知模块采集滚刀掘进时的振动信号，并通过数据采集及发送模块将振动信号发送至处理器；
处理器接收振动信号后，将采集的振动信号与滚刀损耗状态振动信号数据库进行比对，得出此时滚刀的损耗状态，实现监测。
进一步地，所述的滚刀损耗状态振动信号数据库采用以下过程建立：
在滚刀不同部位选择监测目标点，根据实际刀盘与刀圈、导体之间的间距选择对应长度的损耗感知模块；
在振动试验台模拟多组TBM刀盘掘进时的振动频率，在各监测目标点分别测试滚刀非正常损耗形式下簧片产生的振动频率，并分别记录个监测点的振动信号；
震动试验台模拟多组TBM刀盘掘进时的震动频率，在各监测目标点分别测试正常损耗形式下簧片产生的振动频率的变化过程，并分别记录各监测点的振动信号的变化过程；
基于上述数据，建立滚刀损耗状态振动信号数据库。
进一步地，滚刀的非正常损耗形式包括但不限于刀圈开裂、刀圈偏磨、刀圈解体、刀圈卷刃及崩刃。
进一步地，对滚刀状态进行实时监测，当监测到滚刀出现非正常损耗时，发出报警信息。
与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：
（1）能够在不改变刀盘结构、不停机的基础上，在TBM工作状态下，对滚刀的多种损耗形式进行有效的实时监测，滚刀清洁模块的设置避免了滚刀粘附岩渣对监测的影响，并为损耗感知模块提供有效的庇护空间，进一步提高滚刀损耗状态的监测精度；
（2）利用簧片对滚刀工作时的振动信号进行采集，相较于传统的对滚刀及刀盘进行改造，能够在不影响滚刀和刀盘工作状态的情况下，有效采集滚刀的工作信息，能够方便的安装于现有的TBM刀盘上，从而具有更高的适用性；并且，采用振动信号反映滚刀的工作状况，相较于其他光学监测方式，采用接触式的簧片获取振动信号，能够避免滚刀附着物对监测结果的影响；
（3）簧片在初始状态呈弧形，能够抵压在滚刀上，通过直接接触的方式感知滚刀的振动信息，一方面能够提供一定的预留量，在滚刀正常磨损导致刀圈与刀盘间距增大时，簧片仍能够与滚刀保持接触；另一方面提供了一定的抵压力，使得端部能够紧贴在滚刀上，时刻保持接触获取振动的状态；
（4）采用对称设置的损耗感知模块，使刀圈在左右两个方向的变形均能够被检测，避免使用单侧损耗感知模块获取数据而导致的数据偏差；另外，对称设置对振动数据进行采集的同时，能够将同一位置两侧的数据进行互补分析，保证数据分析的准确性，从而更为全面的反映滚刀的损耗情况；
（5）采用壳体配合柔性段的配置，在对簧片采集过程进行保护、避免外部干扰；通过柔性段防止刀圈出现变形时对壳体的碰撞，柔性段能够对此碰撞进行吸收，避免碰撞刚性保护壳体引起对簧片和应变片的损伤，从而有效保护壳体、簧片及应变片的正常运行。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例1中监测装置的结构示意图；
图2为本申请实施例1中监测装置的俯视图；
图3为本申请实施例1中监测装置的侧视图；
图4为本申请实施例1中损耗感知模块的结构示意图；
图5为本申请实施例1中损耗感知模块的侧视图；
图6为本申请实施例1中簧片与应变片的配合示意图；
图7为本申请实施例1中簧片与应变片配合后的侧视图。
其中，1、刀盘，2、滚刀刀圈，3、滚刀刀体，4、滚刀刀轴，5、损耗感知模块，6、数据采集及发送模块，7、数据接收模块，8、PC，9、排刷，10、导渣挡板，11、排刷刷毛，12、簧片，13、柔性段，14、保护壳体，15、应变片。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中为监测滚刀的损耗状态，国内外学者提出了很多监测手段，主要包括添加异味添加剂、增设液压传感系统、预设线圈等一类需要对滚刀及刀盘结构进行改造的方法，此类方法的问题在于，需要对滚刀及刀盘结构进行改造，影响滚刀自身破岩能力的同时，实施难度较大，且难以推广；另外一类方法为使用声波、红外线或激光监测等手段对滚刀的损耗状态进行直接测量，此类方法容易受到滚刀上粘附岩渣及地下水的干扰影响，影响测量结果，且很难监测到刀圈卷刃、刀圈崩刃等滚刀的非正常损耗；上述手段都难以满足现有的对TBM滚刀损耗状态实时掌握的需求，针对上述技术问题，本申请提出了一种TBM滚刀损耗状态实时监测装置及方法。
实施例1
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图7所示，提出了一种TBM滚刀损耗状态实时监测装置。
包括损耗感知模块5、数据采集及发送模块6、处理器、滚刀清洁模块，所述;损耗感知模块5包括保护外壳、簧片12、半导体自补偿型的应变片15；所述的数据采集及发送模块6包括数据采集电路、单片机、无线信号发送装置，数据采集电路将半导体自补偿型的应变片15的电阻变化转换为电压变化，电压信号经单片机处理后转换为数字信号由无线信号发送装置发送；所述的处理器包括数据接收模块7，还包括无线信号接收装置、单片机、PC 8，无线信号接受装置接收无线信号发送装置发送的信号后经单片机处理后将簧片12的振动信号实时显示在PC 8上；所述的滚刀清洁模块包括排刷9、导渣挡板10。
能够在不改变刀盘结构、不停机的基础上，在TBM工作状态下，对滚刀的多种损耗形式进行有效的实时监测，滚刀清洁模块的设置避免了滚刀粘附岩渣对监测的影响，并为损耗感知模块提供有效的庇护空间，进一步提高滚刀损耗状态的监测精度。
所述滚刀的中间为滚刀刀轴4，沿径向依次向外分别为滚刀刀体3和滚刀刀圈2；所述的损耗感知模块5至少有四个，对称安装在滚刀刀圈2两侧的刀盘上，同一侧的至少两个损耗感知模块5对应抵压在滚刀刀圈2不同的位置，所述的损耗感知模块5通过导线与数据采集及发送模块6相连接；
利用簧片对滚刀工作时的振动信号进行采集，相较于传统的对滚刀及刀盘进行改造，能够在不影响滚刀和刀盘工作状态的情况下，有效采集滚刀的工作信息，能够方便的安装于现有的TBM刀盘上，从而具有更高的适用性；并且，采用振动信号反映滚刀的工作状况，相较于其他光学监测方式，采用接触式的簧片获取振动信号，能够避免滚刀附着物对监测结果的影响；
采用对称设置的损耗感知模块，使刀圈在左右两个方向的变形均能够被检测，避免使用单侧损耗感知模块获取数据而导致的数据偏差；另外，对称设置对振动数据进行采集的同时，能够将同一位置两侧的数据进行互补分析，保证数据分析的准确性，从而更为全面的反映滚刀的损耗情况。
所述的保护外壳为喇叭状，包括柔性段13、不锈钢制成的保护壳体14，保护外壳的总长度等于刀盘1到对应滚刀刀圈2监测点的距离，柔性段采用橡胶材料，形成一个柔性橡胶开口端，其弧度与对应滚刀刀圈2监测位置的弧度相吻合，且留有一定的间隙；
采用壳体配合柔性段的配置，在对簧片采集过程进行保护、避免外部干扰；通过柔性段防止刀圈出现变形时对壳体的碰撞，柔性段能够对此碰撞进行吸收，避免碰撞刚性保护壳体引起对簧片和应变片的损伤，从而有效保护壳体、簧片及应变片的正常运行。
所述的簧片12的长度比保护外壳的总长度长2-5cm，在刀盘1与滚刀刀圈2之间呈弧形，滚刀转动过程中遇到滚刀刀圈2各类损耗的情况时，弹簧钢片12会产生对应特征频率的振动；
所述的弹簧钢片12设置在保护外壳内腔，所述的簧片12的正反两面各贴有至少两个半导体自补偿型的应变片15，所述的半导体自补偿型的应变片15与簧片12之间通过应变胶粘结，应变片15表面经过固化处理；
簧片在初始状态呈弧形，能够抵压在滚刀上，通过直接接触的方式感知滚刀的振动信息，一方面能够提供一定的预留量，在滚刀正常磨损导致刀圈与刀盘间距增大时，簧片仍能够与滚刀保持接触；另一方面提供了一定的抵压力，使得端部能够紧贴在滚刀上，时刻保持接触获取振动的状态。
所述的滚刀清洁模块的排刷9的排刷刷毛11为柔性刷毛，排刷刷毛11的长度不一，各部分排刷刷毛11的长度等于排刷9到刀体3及滚刀刀圈2的距离，排刷9与导渣挡板10相连接，导渣挡板10与滚刀刀圈2呈一定角度，为损耗感知模块5提供庇护空间。
实施例2
本申请的另一典型实施例中，提供了一种TBM滚刀损耗状态实时监测方法，利用如上任一项所述的TBM滚刀损耗状态实时监测装置。
在滚刀的各部位选择监测目标点，布置损耗感知模块；
损耗感知模块采集滚刀掘进时的振动信号，并通过数据采集及发送模块将振动信号发送至处理器；
处理器接收振动信号后，将采集的振动信号与滚刀损耗状态振动信号数据库进行比对，得出此时滚刀的损耗状态，实现监测。
进一步地，所述的滚刀损耗状态振动信号数据库采用以下过程建立：
在滚刀不同部位选择监测目标点，根据实际刀盘与刀圈、导体之间的间距选择对应长度的损耗感知模块；
在振动试验台模拟多组TBM刀盘掘进时的振动频率，在各监测目标点分别测试滚刀非正常损耗形式下簧片产生的振动频率，并分别记录个监测点的振动信号；
震动试验台模拟多组TBM刀盘掘进时的震动频率，在各监测目标点分别测试正常损耗形式下簧片产生的振动频率的变化过程，并分别记录各监测点的振动信号的变化过程；
基于上述数据，建立滚刀损耗状态振动信号数据库。
进一步地，滚刀的非正常损耗形式包括但不限于刀圈开裂、刀圈偏磨、刀圈解体、刀圈卷刃及崩刃。
进一步地，对滚刀状态进行实时监测，当监测到滚刀出现非正常损耗时，发出报警信息。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种TBM滚刀损耗状态实时监测装置，其特征在于，包括数据采集及发送模块、损耗感知模块、滚刀清洁模块和处理器，所述的损耗感知模块包括簧片和应变片，所述应变片贴敷在簧片上，所述簧片一端固定，另一端抵压在滚刀上形成弧形，簧片抵压在滚刀上的一端用于接受滚刀作用产生振动，所述数据采集及发送模块通过应变片测取簧片的振动信号并发送至处理器，所述处理器接收振动数据并与滚刀损耗状态振动信号数据库进行比对，用于判断滚刀的损耗状态；
所述损耗感知模块有至少有四个，对称安装在滚刀的两侧，位于滚刀同侧的簧片对应抵压在滚刀刀圈的不同位置，用于采集滚刀刀圈不同位置处的振动信号；
所述滚刀清洁模块包括排刷和导渣挡板，所述排刷与滚刀配合，用于清理滚刀上的粘附岩渣，所述导渣挡板安装在排刷上，与滚刀刀圈呈夹角设置，用于阻挡外部环境对簧片的碰撞干涉。
2.如权利要求1所述的TBM滚刀损耗状态实时监测装置，其特征在于，所述损耗感知模块还包括保护外壳，所述保护外壳套设在簧片外部，使簧片抵压在滚刀上的一端露出，用于隔离外部环境对簧片的干涉。
3.如权利要求1所述的TBM滚刀损耗状态实时监测装置，其特征在于，保护外壳靠近滚刀的一端设有柔性段，所述柔性段端部与对应滚刀处的形状相吻合，其留有间隙。
4.如权利要求1所述的TBM滚刀损耗状态实时监测装置，其特征在于，所述应变片通过应变胶粘结在簧片上，每个簧片的正反两面各贴有至少两个应变片。
5.一种TBM滚刀损耗状态实时监测方法，其特征在于，利用如权利要求1-4任一项所述的TBM滚刀损耗状态实时监测装置，包括以下步骤：
在滚刀的各部位选择监测目标点，布置损耗感知模块；
损耗感知模块采集滚刀掘进时的振动信号，并通过数据采集及发送模块将振动信号发送至处理器；
处理器接收振动信号后，将采集的振动信号与滚刀损耗状态振动信号数据库进行比对，得出此时滚刀的损耗状态，实现监测。
6.如权利要求5所述的TBM滚刀损耗状态实时监测方法，其特征在于，所述的滚刀损耗状态振动信号数据库采用以下过程建立：
在滚刀不同部位选择监测目标点，根据实际刀盘与刀圈、导体之间的间距选择对应长度的损耗感知模块；
在振动试验台模拟多组TBM刀盘掘进时的振动频率，在各监测目标点分别测试滚刀非正常损耗形式下簧片产生的振动频率，并分别记录个监测点的振动信号；
震动试验台模拟多组TBM刀盘掘进时的震动频率，在各监测目标点分别测试正常损耗形式下簧片产生的振动频率的变化过程，并分别记录各监测点的振动信号的变化过程；
基于上述数据，建立滚刀损耗状态振动信号数据库。
7.如权利要求6所述的TBM滚刀损耗状态实时监测方法，其特征在于，滚刀的非正常损耗形式包括但不限于刀圈开裂、刀圈偏磨、刀圈解体、刀圈卷刃及崩刃。
8.如权利要求5所述的TBM滚刀损耗状态实时监测方法，其特征在于，对滚刀状态进行实时监测，当监测到滚刀出现非正常损耗时，发出报警信息。
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