CN111561325A - 一种渣土搅拌监测装置及其搅拌检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渣土搅拌监测装置及其搅拌检测方法，位于开挖舱内部，包括主动搅拌组件和被动搅拌组件，主动搅拌组件固定在刀盘的背部，被动搅拌组件固定在开挖舱的后舱壁上，主动搅拌组件和被动搅拌组件上均设有监测装置，监测装置与上位机相连接。本发明开挖舱内设置主动搅拌组件和被动搅拌组件，主动搅拌组件和被动搅拌组件配合使用，通过布置合适轨迹以及数量的主动搅拌棒和被动搅拌棒，并在开挖舱中间相同截面处布置，实现精确、实时、双向的渣土应力监测，并将监测应力值传输至上位机界面显示，从而可以在上位机实时监测到开挖舱的渣土情况。

Description

一种渣土搅拌监测装置及其搅拌检测方法

技术领域

本发明涉及掘进机技术领域，特别是指一种能对开挖舱内渣土进行搅拌的渣土搅拌监测装置及其搅拌检测方法。

背景技术

在使用掘进机进行隧道作业时，对于建立开挖舱与掌子面压力平衡条件下进行开挖掘进时，开挖舱因较高压力的存在而为密闭状态，操作人员无法实时准确的了解开挖舱内部情况，包括是否有大尺寸异物、开挖舱是否有结泥饼现象、开挖舱的渣土搅拌情况以及开挖舱的渣土改良状况等，由于不能实时监测和更新反馈而大大影响了掘进机的掘进效率和施工工期，造成施工成本的增加。

在已公开专利CN110849775A中，提到了一种开挖舱渣土粘度监测方法，该装置与方法提到了可以利用传感器检测开挖舱渣土的粘度以及实时显示至上位机界面，但不能直观判断渣土是否有大尺寸异物、开挖舱是否有结泥饼等情况，且不能有效预防泥饼的形成。因此，急需要一种能实时监测掘进机开挖舱内部情况的搅拌监测装置及其监测方法，来实时并准确的监测并显示开挖舱的渣土情况。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种渣土搅拌监测装置及其搅拌检测方法，用以解决上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种渣土搅拌监测装置，位于开挖舱内部，包括主动搅拌组件和被动搅拌组件，主动搅拌组件固定在刀盘的背部，被动搅拌组件固定在开挖舱的后舱壁上，主动搅拌组件和被动搅拌组件上均设有监测装置，监测装置与上位机相连接。

所述主动搅拌组件包括若干个主动搅拌棒，主动搅拌棒设置在刀盘的不同直径的同心圆上。

所述主动搅拌棒包括搅拌短棒和搅拌长棒，搅拌长棒上设有监测装置。

所述被动搅拌组件包括若干个被动搅拌棒，被动搅拌棒设置在开挖舱的后舱壁上不同直径的同心圆上，且被动搅拌棒位于同心圆的上半圆上，被动搅拌棒上设有监测装置。

所述主动搅拌棒与被动搅拌棒交错设置，且主动搅拌棒上的监测装置与被动搅拌棒上的监测装置位于同一监测截面内；所述监测截面位于开挖舱的二分之一截面处。

所述监测装置为应力传感器，应力传感器设置在被动搅拌棒的两侧壁上和主动搅拌棒的两侧壁上。

所述主动搅拌组件和/或被动搅拌组件上设有防止开挖舱和刀盘结泥饼的冲刷机构，冲刷机构通过高压管路与高压水系统相连接。

所述冲刷机构设置在开挖舱的不同直径的同心圆上。

所述冲刷机构包括内部通道和喷嘴，喷嘴设置在内部通道外端部，内部通道的另一端通过水接头与高压管路相连接。

位于刀盘扭腿附近的被动搅拌组件的被动搅拌棒上设有垂直搅拌棒，垂直搅拌棒内设有垂直通道，垂直通道与内部通道相连通，垂直通道的外端部设有喷口，喷口朝向刀盘扭腿。

一种掘进机，包括上述的渣土搅拌监测装置。

一种渣土搅拌监测装置的搅拌检测方法，步骤如下：

S1：在刀盘的背部设置主动搅拌棒，在开挖舱的后舱壁上设置被动搅拌棒，主动搅拌棒和被动搅拌棒位于不同直径的同心圆上，且主动搅拌棒和被动搅拌棒上均设置应力传感器；应力传感器与上位机相连接，上位机上连接有显示模块；

S2：掘进过程中，设置在盾体内的主驱动带动刀盘转动，主动搅拌棒和被动搅拌棒对开挖舱内的渣土进行搅拌检测；并将应力传感器测得的应力监测值传递给上位机；

S3：通过不同位置处的应力传感器测得的应力监测值与上位机内部输入的应力标定值进行对比，显示开挖舱内渣土粘度情况；

S4：当主动搅拌棒和被动搅拌棒上的应力传感器测得的应力监测值发生突变显示，则判断开挖舱内有大块物撞击搅拌棒；

S5：当主动搅拌棒和被动搅拌棒上的应力传感器测得的应力监测值长时间无变化或者变化较小，则判断开挖舱内相应应力传感器处已经出现结泥饼情况；

S6：将主动搅拌棒或被动搅拌棒上的应力传感器测得的应力监测值与相应的同心圆半径相乘得到相应的主动搅拌棒或被动搅拌棒的扭矩，所得的扭矩与上位机内所设定的扭矩标准数值进行比较，如果所得的扭矩大于扭矩标准数值，则说明开挖舱内部渣土情况需做进一步改良；

S7：通过观察位于最大直径同心圆上的主动搅拌棒上的应力传感器测得的应力监测值，若整个刀盘转动周期过程中应力监测值始终大于零且会发生变化，则说明所述开挖舱顶部有渣土的存在；相反，若整个刀盘转动周期过程中应力监测值在一段时间没有应力值或者应力值比较小，则说明所述开挖舱顶部没有渣土的存在；

S8：在步骤S2~S7过程中，定时打开主动搅拌棒和/或被动搅拌棒上的冲刷机构，防止开挖舱和刀盘上泥饼的结成。

本发明开挖舱内设置主动搅拌组件和被动搅拌组件，主动搅拌组件和被动搅拌组件配合使用，通过布置合适轨迹以及数量的主动搅拌棒和被动搅拌棒，并在开挖舱中间相同截面处布置，实现精确、实时、双向的渣土应力监测，并将监测应力值传输至上位机界面显示，从而可以在上位机实时监测到开挖舱的渣土情况。通过上位机界面上实时监测到的应力值，可以实时判断开挖舱渣土情况，减少掘进机非正常停机次数，从而减少进舱总时间，提高施工效率和施工安全，同时，减少非正常停机造成的工期浪费及造成的经济损失，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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为本发明刀盘开挖舱剖面示意图。

图2为本发明主动搅拌棒分布示意图。

图3为本发明被动搅拌棒分布示意图。

图4为设置有垂直搅拌棒喷口的被动搅拌棒示意图。

图5为设置有应力传感器和冲刷机构的搅拌棒主视示意图。

图6为设置有传感器的搅拌棒左视示意图。

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。

如图1所示，实施例1，一种渣土搅拌监测装置，位于开挖舱4内部，具体包括主动搅拌组件10和被动搅拌组件20，主动搅拌组件10固定在刀盘1的背部，随刀盘进行同步转动，对开挖舱内的渣土进行转动搅拌，被动搅拌组件20固定在开挖舱4的后舱壁上，其中开挖舱的后舱壁由位于盾体2内的前隔板201和用于支撑主驱动3的驱动隔板301组成，主动搅拌组件10和被动搅拌组件20上均设有监测装置，监测装置与上位机相连接。所述监测装置为应力传感器501，应力传感器与上位机通过电线连接，用于检测开挖舱内不同位置处搅拌棒受到的搅拌应力。

进一步，如图2所示，所述主动搅拌组件10包括若干个主动搅拌棒，主动搅拌棒沿隧道轴向固定在刀盘背部，且伸进开挖舱内。主动搅拌棒轨迹数量随所述刀盘开挖直径发生变化，基本实现土舱内部区域全覆盖。主动搅拌棒设置在刀盘1的不同直径的同心圆上。所述主动搅拌棒包括搅拌短棒和搅拌长棒，搅拌长棒上设有监测装置，同一同心圆上设置至少1个或2个搅拌长棒。优选地，刀盘背部第一同心圆上设有的主动搅拌棒101x共8根，分别为1011、1012、1013、1014、1015、1016、1017和1018；第二同心圆上设有的主动搅拌棒102x共6根，分别为1021、1022、1023、1024、1025和1026；第三同心圆上设有的主动搅拌棒103x共4根，分别为1031、1032、1033和1034；第四同心圆上设有的主动搅拌棒104x共4根，分别为1041、1042、1043和1044；第五同心圆上设有的主动搅拌棒105x共3根，分别为1051、1052和1053；第一同心圆位于刀盘最外侧。长搅拌棒轨迹与被动搅拌棒轨迹一一对应，且相对应轨迹二者间距很小；已配置成通过所述被动搅拌棒上的应力传感器测得的应力与所述长搅拌棒上的应力传感器应力值参考相接近，提高检测精度。

进一步，如图3所示，所述被动搅拌组件20包括若干个被动搅拌棒，被动搅拌棒设置在开挖舱4的后舱壁上不同直径的同心圆上，且被动搅拌棒位于同心圆的上半圆上，被动搅拌棒上设有监测装置。后舱壁由位于盾体2内的前隔板201和用于支撑主驱动3的驱动隔板301组成；前隔板201上第六同心圆上设有的被动搅拌棒201x共4根，分别为2011、2012、2013和2014；第七同心圆上设有的被动搅拌棒202x共3根，分别为2021、2022和2023；第七同心圆上设有的被动搅拌棒203x共2根，分别为2031和2032；驱动隔板301上第八同心圆上设有的被动搅拌棒301x共4根，分别为3011、3012、3013和3014；第九同心圆上设有的被动搅拌棒302x共3根，分别为3021、3022和3023；且均分布于土舱上半部。后舱壁上不同直径的同心圆的圆心与刀盘上不同直径的同心圆的圆心位于同一直线上；即后舱壁上的同心圆与刀盘上的同心圆也是同心圆。

进一步，所述主动搅拌棒与被动搅拌棒交错设置，并保证设有监测装置的主动搅拌棒与被动搅拌棒有较大的空间搭接量，使主动搅拌棒上的监测装置与被动搅拌棒上的监测装置位于同一监测截面内；所述监测截面位于开挖舱4的二分之一截面处，保证监测装置（应力传感器）能全面、精确监测开挖舱内渣土情况。优选地，所述应力传感器501设置在被动搅拌棒的两侧壁上和主动搅拌棒的两侧壁上，即相应的搅拌棒上的传感器501左右双向对称布置，保证其能在刀盘顺时针或者逆时针旋转工况下都能进行渣土应力监测，配置成左侧应力传感器监测刀盘顺时旋转应力，右侧应力传感器监测刀盘逆时针旋转应力。同时搅拌棒外表面焊接有耐磨层611，保证搅拌棒的耐磨性，如图6所示。

如图4、5所示，实施例2，一种渣土搅拌监测装置，所述主动搅拌组件10和/或被动搅拌组件20上设有防止开挖舱4和刀盘结泥饼的冲刷机构，根据需要可在主动搅拌组件的主动搅拌棒上设置冲刷机构，对开挖舱进行冲刷；在被动搅拌组件的被动搅拌棒上设置冲刷机构，对刀盘背部进行冲刷。冲刷机构通过高压管路与高压水系统相连接，高压水系统为冲刷机构提高高压水源。所述冲刷机构设置在开挖舱4的不同直径的同心圆上，以保证对开挖舱4和刀盘进行全面清刷，有效防止泥饼的结成。

进一步，所述冲刷机构包括内部通道601和喷嘴602，内部通道601沿相应的搅拌棒轴向设置，喷嘴602设置在内部通道601外端部，内部通道601的另一端通过水接头603与高压管路相连接，喷嘴根据需要可与内部通道601位于同一直线上，也可倾斜设置，保证其较大的冲刷范围。

优选地，位于刀盘扭腿106附近的被动搅拌组件20的被动搅拌棒上设有垂直搅拌棒401，即被动搅拌棒2031、2032、3011、3012、3013和3014设计有垂直搅拌棒401；垂直搅拌棒401内设有垂直通道403，垂直通道403与内部通道601相连通，垂直通道403的外端部设有喷口402，喷口402朝向刀盘扭腿106，当扭腿106处结泥饼时可以有效的对其进行冲刷改良，大大改善渣土的流动性。

其他结构与实施例1相同。

实施例3：一种掘进机，包括实施例2所述的渣土搅拌监测装置，用于对隧道开挖过程中开挖舱内渣土情况的监测，便于及时调整改良剂的参数，保证掘进机高效掘进。高压水系统可设置在后配套拖车上。

实施例4：一种渣土搅拌监测装置的搅拌检测方法，步骤如下：

S1：在刀盘1的背部设置主动搅拌棒，在开挖舱4的后舱壁上设置被动搅拌棒，主动搅拌棒和被动搅拌棒位于不同直径的同心圆上，且主动搅拌棒和被动搅拌棒上均设置应力传感器501；应力传感器501与上位机相连接，上位机上连接有显示模块；使应力传感器所测数据可以实时显示在上位机的显示模块的界面上；

S2：掘进过程中，设置在盾体2内的主驱动3带动刀盘1转动，主动搅拌棒和被动搅拌棒对开挖舱4内的渣土进行搅拌检测；并将应力传感器501测得的应力监测值传递给上位机；

S3：通过不同位置处的应力传感器测得的应力监测值与上位机内部输入的应力标定值进行对比，显示开挖舱4内渣土粘度情况；

S4：当主动搅拌棒和被动搅拌棒上的应力传感器501测得的应力监测值发生突变，则说明开挖舱4内有大块物撞击搅拌棒；

S5：当主动搅拌棒和被动搅拌棒上的应力传感器501测得的应力监测值长时间无变化或者变化较小，则判断开挖舱4内相应应力传感器501处已经出现结泥饼情况；

S6：将主动搅拌棒或被动搅拌棒上的应力传感器501测得的应力监测值与相应的同心圆半径相乘得到相应的主动搅拌棒或被动搅拌棒的扭矩，所得的扭矩与上位机内所设定的扭矩标准数值进行比较，如果所得的扭矩大于扭矩标准数值，则说明开挖舱4内部渣土情况需做进一步改良；

S7：通过观察位于最大直径同心圆上的主动搅拌棒上的应力传感器501测得的应力监测值（即通过观察主动搅拌棒1011-1018等靠近土舱顶部的传感器实时显示的应力值），刀盘转动周期过程中应力监测值始终大于零且会发生变化（正常情况下监测值都较大且会发生变化），则说明所述开挖舱顶部有渣土的存在；相反，若整个刀盘转动周期过程中应力监测值在一段时间没有应力值或者应力值比较小，则说明所述开挖舱顶部没有渣土的存在；

S8：在步骤S2~S7过程中，定时打开主动搅拌棒和/或被动搅拌棒上的冲刷机构，防止开挖舱4和刀盘上泥饼的结成。在整个过程中应力传感器所显示的数值会传到上位机PLC上，其内部设置有针对应力传感器的不同数值，可以通过对比实时应力值并在上位机界面上显示出不同的颜色，对特殊情况及时采取相应的措施处理，保证掘进工作的顺利、安全进行。

其具体结构布置与实施例2相同。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种渣土搅拌监测装置，位于开挖舱（4）内部，其特征在于：包括主动搅拌组件（10）和被动搅拌组件（20），主动搅拌组件（10）固定在刀盘（1）的背部，被动搅拌组件（20）固定在开挖舱（4）的后舱壁上，主动搅拌组件（10）和被动搅拌组件（20）上均设有监测装置，监测装置与上位机相连接。

2.根据权利要求1所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述主动搅拌组件（10）包括若干个主动搅拌棒，主动搅拌棒设置在刀盘（1）的不同直径的同心圆上。

3.根据权利要求2所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述主动搅拌棒包括搅拌短棒和搅拌长棒，搅拌长棒上设有监测装置。

4.根据权利要求2或3所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述被动搅拌组件（20）包括若干个被动搅拌棒，被动搅拌棒设置在开挖舱（4）的后舱壁上不同直径的同心圆上，且被动搅拌棒位于同心圆的上半圆上，被动搅拌棒上设有监测装置。

5.根据权利要求4所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述主动搅拌棒与被动搅拌棒交错设置，且主动搅拌棒上的监测装置与被动搅拌棒上的监测装置位于同一监测截面内；所述监测截面位于开挖舱（4）的二分之一截面处。

6.根据权利要求5所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述监测装置为应力传感器（501），应力传感器（501）设置在被动搅拌棒的两侧壁上和主动搅拌棒的两侧壁上。

7.根据权利要求1~3、5~6任一项所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述主动搅拌组件（10）和/或被动搅拌组件（20）上设有防止开挖舱（4）和刀盘结泥饼的冲刷机构，冲刷机构通过高压管路与高压水系统相连接。

8.根据权利要求7所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述冲刷机构设置在开挖舱（4）的不同直径的同心圆上。

9.根据权利要求8所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：所述冲刷机构包括内部通道（601）和喷嘴（602），喷嘴（602）设置在内部通道（601）外端部，内部通道（601）的另一端通过水接头（603）与高压管路相连接。

10.根据权利要求9所述的渣土搅拌监测装置，其特征在于：位于刀盘扭腿（106）附近的被动搅拌组件（20）的被动搅拌棒上设有垂直搅拌棒（401），垂直搅拌棒（401）内设有垂直通道（403），垂直通道（403）与内部通道（601）相连通，垂直通道（403）的外端部设有喷口（402），喷口（402）朝向刀盘扭腿（106）。

11.一种掘进机，其特征在于：包括如权利要求6或10所述的渣土搅拌监测装置。

12.一种渣土搅拌监测装置的搅拌检测方法，其特征在于：步骤如下：

S1：在刀盘（1）的背部设置主动搅拌棒，在开挖舱（4）的后舱壁上设置被动搅拌棒，主动搅拌棒和被动搅拌棒位于不同直径的同心圆上，且主动搅拌棒和被动搅拌棒上均设置应力传感器（501）；应力传感器（501）与上位机相连接，上位机上连接有显示模块；

S2：掘进过程中，设置在盾体（2）内的主驱动（3）带动刀盘（1）转动，主动搅拌棒和被动搅拌棒对开挖舱（4）内的渣土进行搅拌检测；并将应力传感器（501）测得的应力监测值传递给上位机；

S3：通过不同位置处的应力传感器测得的应力监测值与上位机内部输入的应力标定值进行对比，显示开挖舱（4）内渣土粘度情况；

S4：当主动搅拌棒和被动搅拌棒上的应力传感器（501）测得的应力监测值发生突变显示，则判断开挖舱（4）内有大块物撞击搅拌棒；

S5：当主动搅拌棒和被动搅拌棒上的应力传感器（501）测得的应力监测值长时间无变化或者变化较小，则判断开挖舱（4）内相应应力传感器（501）处已经出现结泥饼情况；

S6：将主动搅拌棒或被动搅拌棒上的应力传感器（501）测得的应力监测值与相应的同心圆半径相乘得到相应的主动搅拌棒或被动搅拌棒的扭矩，所得的扭矩与上位机内所设定的扭矩标准数值进行比较，如果所得的扭矩大于扭矩标准数值，则说明开挖舱（4）内部渣土情况需做进一步改良；

S7：通过观察位于最大直径同心圆上的主动搅拌棒上的应力传感器（501）测得的应力监测值，若整个刀盘转动周期过程中应力监测值始终大于零且会发生变化，则说明所述开挖舱顶部有渣土的存在；相反，若整个刀盘转动周期过程中应力监测值在一段时间没有应力值或者应力值比较小，则说明所述开挖舱顶部没有渣土的存在；

S8：在步骤S2~S7过程中，定时打开主动搅拌棒和/或被动搅拌棒上的冲刷机构，防止开挖舱（4）和刀盘上泥饼的结成。

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