CN112084605A - 掘进机刀具紧固状态实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种掘进机刀具紧固状态实时监测方法,包括:步骤1,将应变传感器安装在刀具联接螺栓上,通过应变传感器监测刀具预紧过程和运行过程中的螺栓应变量;步骤2,将应变传感器监测到的螺栓应变量传输并储存在计算机中;步骤3,计算机通过螺栓轴向拉力计算模型和螺栓紧固状态判断模型,对刀具紧固状态进行实时监测。本发明根据预紧过程和运行过程的应变及轴向拉力,提出了紧固状态判断模型,最终输出实时测量的轴向拉力和连接状态的判断;本发明能够准确、定量、科学的评价联接螺栓的轴向拉力变化,解决了掘进机运行过程刀具紧固状态实时监测问题。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进机技术领域,特别涉及一种掘进机刀具紧固状态实时监测方法。
背景技术
伴随着现代化建设的不断深入,我国城市化进程进入快速发展模式,城市地下空间的利用和开发正成为现代化建设和可持续发展的重中之重;其中隧道掘进机广泛应用于地铁隧道施工,而刀盘刀具更是掘进机重要掘进部位,掘进机运行过程中,刀具联接是否紧固对掘进机的工作和效率影响很大。掘进机在运行过程中,会产生很大的变载荷,由于刀具与刀座通过螺栓紧固联接,剧烈的振动将对刀具联接螺栓的紧固状态产生很大影响。
目前国内外对掘进机刀具紧固状态实时监测的方法很少,普遍采用停机检查的方式来检查刀具联接的紧固状态,这种方法严重影响了施工进度和效率。
发明内容
本发明提供了一种掘进机刀具紧固状态实时监测方法,其目的是为了利用应变传感器及无线传输获得刀具联接螺栓应变实时监测数据,通过刀具联接螺栓应力和轴向拉力计算模型、螺栓紧固状态判断模型,实现对刀具紧固状态的实时监测。
为了达到上述目的,本发明的实施例提供了一种掘进机刀具紧固状态实时监测方法,包括:
步骤1,将应变传感器安装在刀具联接螺栓上,通过应变传感器监测刀具预紧过程和运行过程中的螺栓应变量;
步骤2,将应变传感器监测到的螺栓应变量传输并储存在计算机中;
步骤3,计算机通过螺栓轴向拉力计算模型和螺栓紧固状态判断模型,对刀具紧固状态进行实时监测。
其中,所述应变传感器包括一个与轴线平行的轴线应变传感器和一个与轴线垂直的垂直应变传感器,所述轴线应变传感器用于测量轴向应变值ε1,所述垂直应变传感器用于测量轴向垂直应变值ε2。
式中:T-扳手拧紧力矩,λ-螺纹升角,ρv-当量摩擦角,d2-螺纹中径,r-螺母和垫圈间接触面积的平均面积,μs-螺母和垫圈间的摩擦系数。
其中,步骤3中所述螺栓轴向拉力计算模型包括:
螺栓轴向应力值σx=E*(ε1+με2)/(1-μ2),测量轴向拉力FN=σx*πd1 2/4;
式中:E-螺栓的弹性模量,μ-螺栓的泊松比,d1-螺栓小径。
其中,根据螺栓的所述计算轴向拉力和测量轴向拉力得到修正系数K=F/FN。
其中,步骤3中所述螺栓紧固状态判断模型包括:
运行过程中的螺栓应力σ=K*σx*[Cb/(Cb+Cm)],所述螺栓应力σ同时满足小于许用应力[σ]和许用应力幅[σa],要求σ≤[σ],[σ]=σs/S;
式中:Cb-螺栓的刚度,Cm-被连接件的刚度;σs-螺栓材料的屈服极限,S-安全系数;
运行过程中的螺栓应力幅σa=(K*σx/2)*[Cb/(Cb+Cm)]≤[σa];
所述许用应力幅[σa]=(A*Kt*Ku*σ-1t)/(Kσ*Sa);
式中:A-尺寸系数,Ku-受力不均匀系数,Kt-螺纹制造工艺系数,Kσ-应力集中系数,Sa-安全系数,σ-1t-抗疲劳极限。
其中,步骤3中所述螺栓紧固状态判断模型还包括:
Fmin=[F-(2*[σa]*πd1 2)/4]/K;
当所述测量轴向拉力符合Fmin≤FN≤F,则判断螺栓紧固,当所述测量轴向拉力符合0≤FN≤Fmin,则判断螺栓松动。
本发明的上述方案有如下的有益效果:
本发明所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法根据预紧过程和运行过程的应变及轴向拉力,提出了紧固状态判断模型,最终输出实时测量的轴向拉力和连接状态的判断;本发明能够准确、定量、科学的评价联接螺栓的轴向拉力变化,解决了掘进机运行过程刀具紧固状态实时监测问题。
附图说明
图1为本发明的掘进机刀具紧固状态实时监测方法的流程图;
图2为本发明的掘进机刀具紧固状态实时监测方法的刀具结构示意图;
图3为本发明的掘进机刀具紧固状态实时监测方法的联接螺栓应变传感器安装示意图。
【附图标记说明】
1a-滚刀;1b-刀座楔块;1c-滚刀刀座;1d-刀座压块;1e-联接螺栓;1f-刀座C形块;2a-轴线应变传感器;2b-垂直应变传感器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的停机检查刀具紧固状态影响施工进度和效率的问题,提供了一种掘进机刀具紧固状态实时监测方法。
如图1所示,本发明的实施例提供了一种掘进机刀具紧固状态实时监测方法,包括:步骤1,将应变传感器安装在刀具联接螺栓上,通过应变传感器监测刀具预紧过程和运行过程中的螺栓应变量;步骤2,将应变传感器监测到的螺栓应变量传输并储存在计算机中;步骤3,计算机通过螺栓轴向拉力计算模型和螺栓紧固状态判断模型,对刀具紧固状态进行实时监测。
如图2所示,掘进机的滚刀刀具包括滚刀1a、刀座楔块1b、滚刀刀座1c、刀座压块1d、联接螺栓1e和刀座C形块1f,其中所述刀座楔块1b和刀座压块1d通过所述联接螺栓1e设置在所述滚刀刀座1c内,所述刀座C形块1f同样设置在所述滚刀刀座1c内,所述刀座C形块1f与刀座楔块1b配合将所述滚刀1c的转轴固定在所述滚刀刀座1c内;掘进机在工作过程中不停的掘进,所述滚刀刀具承受的变载荷较大,滚刀承受的载荷会传递到所述联接螺栓,对联接状态、刀具紧固状态产生影响。
如图3所示,所述应变传感器包括一个与轴线平行的轴线应变传感器2a和一个与轴线垂直的垂直应变传感器2b,所述轴线应变传感器2a用于测量轴向应变值ε1,所述垂直应变传感器2b用于测量轴向垂直应变值ε2。
式中:T-扳手拧紧力矩,λ-螺纹升角,ρv-当量摩擦角,d2-螺纹中径,r-螺母和垫圈间接触面积的平均面积,μs-螺母和垫圈间的摩擦系数。
其中,步骤3中所述螺栓轴向拉力计算模型包括:
螺栓轴向应力值σx=E*(ε1+με2)/(1-μ2),测量轴向拉力FN=σx*πd1 2/4;
式中:E-螺栓的弹性模量,μ-螺栓的泊松比,d1-螺栓小径。
其中,根据螺栓的所述计算轴向拉力和测量轴向拉力得到修正系数K=F/FN。
本发明上述实施例所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,由于在预紧过程中利用力矩扳手通过扭矩得到了所述联接螺栓的计算轴向拉力F,同时在掘进机运行过程中通过应变传感器检测到了所述联接螺栓的应变值进而获得了所述联接螺栓的实时测量轴向拉力F,从而进一步得出计算值和测量值的修正系数K=F/FN。
其中,步骤3中所述螺栓紧固状态判断模型包括:
运行过程中的螺栓应力σ=K*σx*[Cb/(Cb+Cm)],所述螺栓应力σ同时满足小于许用应力[σ]和许用应力幅[σa],要求σ≤[σ],[σ]=σs/S;
式中:Cb-螺栓的刚度,Cm-被连接件的刚度;σs-螺栓材料的屈服极限,S-安全系数;
运行过程中的螺栓应力幅σa=(K*σx/2)*[Cb/(Cb+Cm)]≤[σa];
所述许用应力幅[σa]=(A*Kt*Ku*σ-1t)/(Kσ*Sa);
式中:A-尺寸系数,Ku-受力不均匀系数,Kt-螺纹制造工艺系数,Kσ-应力集中系数,Sa-安全系数,σ-1t-抗疲劳极限。
本发明上述实施例所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,掘进机在运行过程中,刀具联接螺栓所受轴向载荷为变载荷,因此联接螺栓需要同时满足小于许用应力[σ]和许用应力幅[σa]。
其中,步骤3中所述螺栓紧固状态判断模型还包括:
Fmin=[F-(2*[σa]*πd1 2)/4]/K;
当所述测量轴向拉力符合Fmin≤FN≤F,则判断螺栓紧固,当所述测量轴向拉力符合0≤FN≤Fmin,则判断螺栓松动。
本发明上述实施例所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,由于掘进机刀具运行过程只受到压力,故取预紧时通过扭矩得到的计算轴向拉力F为最大拉应力,同时有Fmin=[F-(2*[σa]*πd1 2)/4]/K,即当所述测量轴向拉力符合Fmin≤FN≤F,则判断螺栓紧固,当所述测量轴向拉力符合0≤FN≤Fmin,则判断螺栓松动。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种掘进机刀具紧固状态实时监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,将应变传感器安装在刀具联接螺栓上,通过应变传感器监测刀具预紧过程和运行过程中的螺栓应变量;
步骤2,将应变传感器监测到的螺栓应变量传输并储存在计算机中;
步骤3,计算机通过螺栓轴向拉力计算模型和螺栓紧固状态判断模型,对刀具紧固状态进行实时监测。
2.根据权利要求1所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,其特征在于,所述应变传感器包括一个与轴线平行的轴线应变传感器和一个与轴线垂直的垂直应变传感器,所述轴线应变传感器用于测量轴向应变值ε1,所述垂直应变传感器用于测量轴向垂直应变值ε2。
4.根据权利要求2所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,其特征在于,步骤3中所述螺栓轴向拉力计算模型包括:
螺栓轴向应力值σx=E*(ε1+με2)/(1-μ2),测量轴向拉力FN=σx*πd1 2/4;
式中:E-螺栓的弹性模量,μ-螺栓的泊松比,d1-螺栓小径。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,其特征在于,根据螺栓的所述计算轴向拉力和测量轴向拉力得到修正系数K=F/FN。
6.根据权利要求5所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,其特征在于,步骤3中所述螺栓紧固状态判断模型包括:
运行过程中的螺栓应力σ=K*σx*[Cb/(Cb+Cm)],所述螺栓应力σ同时满足小于许用应力[σ]和许用应力幅[σa],要求σ≤[σ],[σ]=σs/S;
式中:Cb-螺栓的刚度,Cm-被连接件的刚度;σs-螺栓材料的屈服极限,S-安全系数;
运行过程中的螺栓应力幅σa=(K*σx/2)*[Cb/(Cb+Cm)]≤[σa];
所述许用应力幅[σa]=(A*Kt*Ku*σ-1t)/(Kσ*Sa);
式中:A-尺寸系数,Ku-受力不均匀系数,Kt-螺纹制造工艺系数,Kσ-应力集中系数,Sa-安全系数,σ-1t-抗疲劳极限。
7.根据权利要求6所述的掘进机刀具紧固状态实时监测方法,其特征在于,步骤3中所述螺栓紧固状态判断模型还包括:
Fmin=[F-(2*[σa]*πd1 2)/4]/K;
当所述测量轴向拉力符合Fmin≤FN≤F,则判断螺栓紧固,当所述测量轴向拉力符合0≤FN≤Fmin,则判断螺栓松动。
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