CN111811397A - 一种tbm刀具压力均衡磨损检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种TBM刀具压力均衡磨损检测系统，包括滚刀、刀盘、刀盘安装座和液压底座，所述刀盘与刀盘安装座固定连接，所述液压底座与刀盘安装座固定连接；所述液压底座包括液压杆和与液压杆端部固定的磁吸插座，所述磁吸插座包括磁吸孔和磁吸元件，所述滚刀通过磁吸元件固定在磁吸孔内；当刀具受压大于预设压力时液压杆收缩，降低刀具所受压力直至小于预设压力值；本公开平衡了各个刀具所受到的压力，避免刀具出现超过其额定压力过载的情况，有效降低了刀具的磨损，降低了TBM刀具消耗，节约了成本。
Description
技术领域
本公开涉及TBM技术领域，特别涉及一种TBM刀具压力均衡磨损检测系统及方法。
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。
我国西部地区将建设一大批跨流域调水工程，大量国际合作的水利、交通、能源工程也在持续建设中，深埋长大隧道的施工成为上述工程的重点环节。全断面岩石隧道掘进TBM(Tunnel boring machine)由于其快速、优质、安全、环保、经济等诸多优点，将广泛地应用于隧道施工，在深埋长大隧道中更有无法取代的地位。
本公开发明人发现，TBM进行隧道掘进过程中，经常会遇到复杂硬岩地层，常常面临上软下硬、上硬下软、孤石、硬岩、超硬岩情况下的施工问题，在这些地层中TBM掘进速度依然十分缓慢，且成本、刀具及能耗消耗巨大。分析其原因，由于TBM属于滚压切削破碎岩石，滚刀凭借刀盘提供的巨大推力将岩石压碎崩落，实现对掌子面的掘进，因此刀具磨损会比较严重。
当TBM进入软硬不均匀地层或者孤石地层时，由于掌子面围岩软硬不均匀，导致刀盘刀具所承受的压力不尽相同，甚至存在个别刀具不受压力而一些刀具所受压力超过其额定压力的现象。当刀具在超过其额定压力的工作条件下进行掘进时，刀具磨损速度大大加快，此时如果不及时对刀具磨损程度进行检测，则会出现TBM刀盘磨损事故，导致刀盘损坏，TBM停机。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种TBM刀具压力均衡磨损检测系统及方法，平衡了各个刀具所受到的压力，避免刀具出现超过其额定压力过载的情况，有效降低了刀具的磨损，降低了TBM刀具消耗，节约了成本。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种TBM刀具压力均衡磨损检测系统。
一种TBM刀具压力均衡磨损检测系统，包括滚刀、刀盘、刀盘安装座和液压底座，所述刀盘与刀盘安装座固定连接，所述液压底座与刀盘安装座固定连接；
所述液压底座包括液压杆和与液压杆端部固定的磁吸插座，所述磁吸插座包括磁吸孔和磁吸元件，所述滚刀通过磁吸元件固定在磁吸孔内；
当刀具受压大于预设压力时液压杆收缩，降低刀具所受压力直至小于预设压力值。
作为可能的一些实现方式，所述刀盘安装座与刀盘一体化铸造，所述磁吸插座与液压杆的端部固定构成液压底座，所述液压底座远离滚刀的一侧固定与刀盘安装座固定。
作为可能的一些实现方式，当刀具受压大于预设压力时，液压杆中的压敏传感器发送过载信号到控制终端，控制终端控制液压杆收缩。
作为可能的一些实现方式，所述滚刀通过磁吸插销固定在磁吸孔内，所述磁吸插销远离磁吸孔的一端与滚刀座固定连接，所述滚刀座远离磁吸插销的一端固定有滚刀轴支撑，滚刀与滚刀轴支撑之间通过滚刀轴连接。
作为进一步的限定，所述磁吸插销远离磁吸孔的一侧套接有缓冲垫。
作为更进一步的限定，所述磁吸插销长度小于磁吸孔的深度，当磁吸插销被电磁铁吸附时磁吸孔与缓冲垫挤压接触。
作为进一步的限定，所述滚刀轴支撑内滚刀转动空间内设有激光发射器和激光接收器，激光射线的位置在滚刀刀圈与刀毂交界处。
作为更进一步的限定，所述激光发射器为多个，激光射线沿刀圈径向分布在不同位置处，用于实时监测刀圈磨损程度。
作为进一步的限定，所述磁吸插销与滚刀座一体化铸造，所述滚刀轴支撑与滚刀座之间通过焊接固定。
作为可能的一些实现方式，所述磁吸元件为电磁铁，磁吸插销与磁吸孔是适配的，磁吸插销与磁吸孔的间隙小于预设阈值。
本公开第二方面提供了一种TBM刀具压力均衡磨损检测方法。
一种TBM刀具压力均衡磨损检测方法，利用本公开第一方面所述的TBM 刀具压力均衡磨损检测系统；
将液压杆固定在刀盘安装座上，将磁吸插座固定在液压杆的端部；
关闭磁吸元件，将滚刀通过磁吸插销插入磁吸方孔，确保刀刃方向是环向的，启动电磁铁，完成磁吸固定；
启动刀盘进行掘进，当刀具受压大于预设压力时液压杆收缩，降低刀具所受压力直至小于预设压力值；
连续掘进直至激光接收器接收到刀圈严重磨损的信号，停止刀盘掘进，关闭该刀具处的电磁铁，更换备用刀具；
重复上述步骤进行TBM的连续掘进。
本公开第三方面提供了一种隧道掘进机，包括本公开第一方面所述的TBM 刀具压力均衡磨损检测系统。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的系统及方法，可以很好的平衡各个刀具所受到的压力，并且避免刀具出现超过其额定压力过载的情况，有效降低了刀具的磨损，降低了 TBM刀具消耗，节约了成本。
2、本公开所述的系统及方法，可以在施工期间实时监测刀具是否磨损破坏导致失效，避免刀具过度磨损影响开挖效率甚至磨损刀盘导致停机，提高了TBM 掘进效率，降低了停机风险。
3、本公开所述的系统及方法，成本低，效果好，易操作，磁吸固定以及一体化铸造刀盘增加了施工安全度、设备耐用性。
4、本公开所述的系统及方法，所述的激光发射器可以设置为多个并沿刀圈径向分布在不同位置处，此时可以实时监测刀圈磨损程度，让施工人员对刀盘刀具整体磨损情况有所把握，可以对磨损较为严重的刀具进行提前更换。
5、本公开所述的系统及方法，所述的液压杆中设置有压敏传感器，可以实时监测滚刀所传递的压力值，当监测到某个刀具所承受的压力超过其额定压力值时液压杆发生收缩，降低刀具所受压力直至小于额定压力值，从而保护刀具不发生过载磨损。
6、本公开所述的系统及方法，所述的电磁铁可以提供足够的磁吸压力确保磁吸插销与磁吸插座之间紧密固定，不会因为刀盘掘进过程中产生的压力和振动而导致滚刀松动、晃动。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为公开实施例1提供的单滚刀的正视图、左视剖面图和俯视图。
图2为公开实施例1提供的双滚刀的正视图、左视剖面图和俯视图。
图3为公开实施例1提供的液压底座安装在刀盘上的侧视剖面图。
图4为公开实施例1提供的刀盘正视示意图。
图5为公开实施例1提供的液压底座伸张状态下安装了单滚刀的侧视剖面图。
图6为公开实施例1提供的液压底座收缩状态下安装了单滚刀的侧视剖面图。
1、磁吸插销；2、缓冲垫；3、滚刀座；4、滚刀轴支撑；5、滚刀轴；6、滚刀；7、激光发射器；8、激光接收器；9、单滚刀；10、双滚刀；11、刀盘； 12、刀盘安装座；13、液压杆；14、磁吸方孔；15、电磁铁；16、磁吸插座； 17、液压底座。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1-6所示，本公开实施例1提供了一种TBM刀盘刀具压力均衡及磨损检测系统，包括单滚刀9或者双滚刀10、刀盘11、刀盘安装座12和液压底座17。
单滚刀的示意图如图1所示，双滚刀的示意图如图2所示，所述单滚刀9或者双滚刀10均包括磁吸插销1、缓冲垫2、滚刀座3、滚刀轴支撑4、滚刀轴5、滚刀 6、激光发射器7和激光接收器8。
在本实施例中，所述磁吸插销1为与磁吸方孔14相匹配的方形结构。
如图3所示，所述刀盘安装座12与刀盘11一体化铸造，所述液压底座17包括液压杆13和磁吸插座16，所述磁吸插座16包括磁吸方孔14和电磁铁15。
可以理解的，在其他实施方式中，所述刀盘安装座与刀盘也可以通过螺栓等其他固定方式固定，本领域技术人员可以根据实际情况进行变换。
可以理解的，在其他实施方式中，所述插销和磁吸孔也可以是其他结构，如正五边形、正六边形或者其他形状，只要能够实现匹配的插接固定即可，，本领域技术人员可以根据实际情况进行变换。
所述磁吸插销1通过电磁铁15可以将单滚刀9或者双滚刀10固定在磁吸插座 16上，所述磁吸插座16焊接固定在液压杆13上构成液压底座17，所述液压底座 17焊接固定在刀盘安装座12底部。
所述磁吸插销1与滚刀座3一体化铸造，增加了结构强度。
所述磁吸插销与磁吸方孔是适配的，磁吸插销外径略小于磁吸方孔，保证二者之间插入后可以紧密固定，防止间隙过大产生晃动。
所述磁吸插销长度略小于磁吸方孔深度，使得当磁吸插销被电磁铁吸引时磁吸方孔优先与缓冲垫发生挤压接触，防止磁吸插销和磁吸底座被电磁铁产生的加速撞击所毁坏。
所述缓冲垫2套接在磁吸插销1底部，当缓冲垫2破损或者老化失去弹性时便于进行更换。所述的缓冲垫采用高强度、高耐磨橡胶材质制作，可以抵抗刀具额定压力的作用而不发生损坏。
所述滚刀轴支撑4与滚刀座3之间通过焊接固定，确保结构强度。
本实施例中，所述滚刀轴支撑为门字形结构，所述滚刀通过轴承设置在门字形结构的空间内，所述发射激光器和接收激光器分别相对的设置在门字形结构的内侧壁上。
所述滚刀6与滚刀轴支撑4之间通过滚刀轴5连接，滚刀轴5与滚刀轴支撑4之间不发生转动，滚刀轴5与滚刀6之间可以自由转动但不可发生沿轴向的位移。
所述的滚刀轴支撑、滚刀轴采用高强度、高耐磨合金钢制作，可以抵抗滚刀产生的压力和磨损。
如图4所示，为刀盘的正视图，所述刀盘上设有多个单滚刀和双滚刀。
所述的滚刀座中设置有激光发射器和激光接收器，激光射线位置在滚刀刀圈与刀毂交界处，正常状态下刀圈磨损不严重时激光接收器接收不到激光射线信号，当刀圈出现一处严重磨损时，激光发射器发出的激光射线可以通过破损处射到激光接收器上，此时会产生电信号并提示所属刀具已损坏，从而及时更换损坏刀具，防止刀盘磨损。
所述的激光发射器可以设置为多个并沿刀圈径向分布在不同位置处，此时可以实时监测刀圈磨损程度，让施工人员对刀盘刀具整体磨损情况有所把握，可以对磨损较为严重的刀具进行提前更换。
所述的液压杆中设置有压敏传感器，可以实时监测滚刀所传递的压力值，当监测到某个刀具所承受的压力超过其额定压力值时液压杆发生收缩，降低刀具所受压力直至小于额定压力值，从而保护刀具不发生过载磨损。
如图5所示，为液压杆伸张时的状态，图6为液压杆收缩时的状态，所述的液压杆长度合适，不会因为伸张时长度过长被围岩卡住而导致液压底座被刀盘扭矩折断。
所述的电磁铁可以提供足够的磁吸压力确保磁吸插销与磁吸插座之间紧密固定，不会因为刀盘掘进过程中产生的压力和振动而导致滚刀松动、晃动。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种TBM刀具压力均衡磨损检测方法，利用实施例1 所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，包括以下步骤：
A、将液压杆焊接固定在刀盘安装座底部，将磁吸插座焊接固定在液压杆顶部；
B、关闭电磁铁，将单滚刀(双滚刀)通过磁吸插销插入磁吸方孔，确保刀刃方向是环向的，此时启动电磁铁，完成磁吸固定；
C、启动刀盘进行掘进，当TBM遇到软硬不均匀地层时个别刀具所受压力超过其额定压力，此时液压杆中的压敏传感器发送过载信号同时液压杆收缩，降低刀具所受压力直至小于其额定值；
D、连续掘进直至激光接收器接收到刀圈严重磨损的信号，此时意味着该刀具破损失效，停止刀盘掘进，关闭该刀具处的电磁铁，更换备用刀具；
E、重复B-D步骤即可进行TBM的连续掘进。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种隧道掘进机，包括本公开实施例1所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，包括滚刀、刀盘、刀盘安装座和液压底座，所述刀盘与刀盘安装座固定连接，所述液压底座与刀盘安装座固定连接；
所述液压底座包括液压杆和与液压杆端部固定的磁吸插座，所述磁吸插座包括磁吸孔和磁吸元件，所述滚刀通过磁吸元件固定在磁吸孔内；
当刀具受压大于预设压力时液压杆收缩，降低刀具所受压力直至小于预设压力值。
2.如权利要求1所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，所述刀盘安装座与刀盘一体化铸造，所述磁吸插座与液压杆的端部固定构成液压底座，所述液压底座远离滚刀的一侧固定与刀盘安装座固定；
或者，当刀具受压大于预设压力时，液压杆中的压敏传感器发送过载信号到控制终端，控制终端控制液压杆收缩；
或者，
所述磁吸元件为电磁铁，磁吸插销与磁吸孔是适配的，磁吸插销与磁吸孔的间隙小于预设阈值。
3.如权利要求1所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，所述滚刀通过磁吸插销固定在磁吸孔内，所述磁吸插销远离磁吸孔的一端与滚刀座固定连接，所述滚刀座远离磁吸插销的一端固定有滚刀轴支撑，滚刀与滚刀轴支撑之间通过滚刀轴连接。
4.如权利要求3所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，所述磁吸插销远离磁吸孔的一侧套接有缓冲垫。
5.如权利要求4所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，所述磁吸插销长度小于磁吸孔的深度，当磁吸插销被电磁铁吸附时磁吸孔与缓冲垫挤压接触。
6.如权利要求3所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，所述滚刀轴支撑内滚刀转动空间内设有激光发射器和激光接收器，激光射线的位置在滚刀刀圈与刀毂交界处。
7.如权利要求6所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，所述激光发射器为多个，激光射线沿刀圈径向分布在不同位置处，用于实时监测刀圈磨损程度。
8.如权利要求3所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统，其特征在于，所述磁吸插销与滚刀座一体化铸造，所述滚刀轴支撑与滚刀座之间通过焊接固定。
9.一种隧道掘进机，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统。
10.一种TBM刀具压力均衡磨损检测方法，其特征在于，利用权利要求1-8任一项所述的TBM刀具压力均衡磨损检测系统；
将液压杆固定在刀盘安装座上，将磁吸插座固定在液压杆的端部；
关闭磁吸元件，将滚刀通过磁吸插销插入磁吸方孔，确保刀刃方向是环向的，启动电磁铁，完成磁吸固定；
启动刀盘进行掘进，当刀具受压大于预设压力时液压杆收缩，降低刀具所受压力直至小于预设压力值；
连续掘进直至激光接收器接收到刀圈严重磨损的信号，停止刀盘掘进，关闭该刀具处的电磁铁，更换备用刀具；
重复上述步骤进行TBM的连续掘进。
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