CN112177624A - 一种用于盾构tbm刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，包括刀座螺栓，光纤光栅传感器；刀座螺栓头部的中心位置设有盲孔，盲孔的头部设有内螺纹；光纤光栅传感器的外部套设有薄壁钢管，薄壁钢管的外壁上制有外螺纹，光纤光栅传感器的探头与盲孔的底部抵接；光纤光栅传感器的尾部连接有单芯铠装光缆，单芯铠装光缆与多芯铠装光缆连接；多芯铠装光缆与信号采集模块连接，信号采集模块与电池组连接；信号采集模块发射的信号由无线路由器接收传至便携式计算机，监测数据存储在便携式计算机内；端盖上贯穿设置有空心螺栓，空心螺栓与端盖螺纹连接；空心螺栓内设置有内螺纹，剖分螺套由两个半螺套组成，剖分螺套安装在空心螺栓内并与其螺纹连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置及其使用方法，尤其涉及盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓，在复杂富水环境下施工的盾构可能出现螺栓断裂及滚刀过载的风险，对螺栓载荷监测达到对螺栓或滚刀破岩载荷监测的目的。
背景技术
盾构TBM作为一种隧道机械化施工的装备被广泛的应用在公路、铁路、地铁等隧道建造中，具有施工效率高、安全性好的优点，尤其是在硬岩地层、软硬不均地层掘进，刀座螺栓容易失效、滚刀容易过载。
为解决恶劣环境下盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓监测，尤其是泥水盾构常压刀盘的滚刀刀座螺栓处在带压环境（通常压力3bar以上），周围充满泥土、碎石环境极其恶劣，螺栓断裂、滚刀过载等均会给施工造成不利影响，如何监测螺栓载荷，进一步通过螺栓载荷计算滚刀载荷，对于提升装备的可靠性、优选掘进参数均有重要意义，是本领域技术人员亟待解决的技术问题，对于下一步盾构智能掘进研究也有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置及其使用方法。
本发明的一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，包括安装在刀座中的刀座螺栓，以及光纤光栅传感器；所述刀座螺栓头部的中心位置设有用于放置光纤光栅传感器探头的盲孔，所述盲孔的头部设置有内螺纹；所述光纤光栅传感器的外部套设有薄壁钢管，所述薄壁钢管的外壁上攻有与盲孔上部内螺纹配合的外螺纹，所述光纤光栅传感器的探头与所述盲孔的底部抵接；所述光纤光栅传感器的尾部连接有单芯铠装光缆，单芯铠装光缆通过光纤接头与多芯铠装光缆连接；多芯铠装光缆贯穿剖分螺套并与固定在端盖常压环境一侧的信号采集模块连接，所述信号采集模块与固定在端盖上的电池组连接；信号采集模块发射的信号由无线路由器接收后通过千兆网线将采集的信号传至便携式计算机，监测数据存储在便携式计算机内；所述端盖上贯穿设置有空心螺栓，所述空心螺栓与所述端盖螺纹连接；所述空心螺栓内设置有内螺纹，所述剖分螺套由两个半螺套组成，所述剖分螺套的外壁上开设有与空心螺栓的内螺纹配合的外螺纹；所述剖分螺套安装在空心螺栓内并与该空心螺栓螺纹连接。
进一步地，所述刀座螺栓上涂有螺纹紧固胶用以防止刀座螺栓与薄壁钢管之间出现相对旋转。
进一步地，所述单芯铠装光缆和多芯铠装光缆内部带有钢丝螺旋铠装，同时包裹有凯夫拉纤维；位于带压环境一侧的多芯铠装光缆其外部护套切除后浸入树脂胶固化进行防水处理，所述多芯铠装光缆的护套切除长度为2cm。
进一步地，所述光纤接头为FC型光纤连接器且内置陶瓷插芯。
进一步地，所述多芯铠装光缆与所述剖分螺套过盈配合。
进一步地，所述光纤光栅传感器与单芯铠装光缆的连接位置处注胶封装；所述空心螺栓位于常压环境一侧的头部的空隙位置填充有树脂胶形成树脂胶固化层，所述空心螺栓上缠绕有生胶带，且空心螺栓与端盖之间设置有橡胶密封垫，所述信号采集模块的接缝位置处涂抹有硅酮胶。
本发明的另一方面，本发明公开了一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置的使用方法，其特征在于，包含以下具体步骤：
S1：在端盖处钻孔、攻丝，该孔的位置靠近端盖的中心部位，同时注意避让工装夹具的作用位置以免形成干涉；
S2：将刀座螺栓的中心钻盲孔，盲孔的头部制螺纹；
S3：将光纤光栅传感器外的薄壁钢管的表面制成螺纹；
S4：制空心螺栓，将多芯铠装光缆放入空心螺栓，剖分螺套旋入空心螺栓使其与多芯铠装光缆形成过盈配合，进一步使用树脂胶封装固化形成固化层隔水；
S5：将空心螺栓螺纹部位覆盖生胶带安装进端盖，空心螺栓的与端盖之间加橡胶垫片达到密封的效果；
S6：将刀座螺栓按要求扭矩安装，之后将光纤光栅传感器拧入，刀座螺栓与光纤光栅传感器螺纹副之间涂抹螺纹紧固胶，光纤光栅传感器与信号采集模块、便携式计算机连接调试以确定光纤光栅传感器安装正常。
S7：安装完毕后，将单芯铠装光缆与多芯铠装光缆通过光纤接头连接，为了应对恶劣的环境通常在光纤接头位置使用防水胶带粘贴；
S8：将电池组、信号采集模块固定在端盖上，多芯铠装光缆与信号采集模块连接，电池组与信号采集模块连接向其供电；
S9：将无线路由器放置靠近刀盘面板的位置上用来接收信号采集模块发射的信号，通过千兆网线将信号传输至便携式计算机上。
本发明的技术方案与现有技术相比具有下列优点：
1、针对螺栓失效或滚刀过载存在的风险及智能掘进监测的需要，从提高盾构TBM施工安全性、高效性及智能化角度出发，提出了一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置及其使用方法，克服了压电传感器、电阻应变片等水下工作可靠性差的缺点，能够在恶劣的环境（包括泥水环境）对螺栓载荷进行监测，提高盾构施工的安全性。
2、该用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，借助光纤光栅传感器通过对螺栓受载过程中应变对光信号的影响规律测量载荷的变化，在滚刀受力变化时刀座螺栓受力也随之变化，对螺栓组载荷的监测能够达到监测滚刀受力的目的。通过对螺栓载荷的监测，将光信号经采集及传输至主控室，技术人员能够对地层的信息进行推演判断，利用对螺栓组载荷测量计算滚刀受力有助于优选掘进参数，使盾构TBM在滚刀不超载的前提下匹配适宜的转速和掘进速度。
3、本发明具有结构简单、环境适应能力强、安装方便，尤其适应带常压刀盘的滚刀刀座螺栓的载荷监测，能够提高盾构TBM施工的安全性和施工的效益。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明所提供的用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置的一种具体实施方式的结构示意图；
附图标记：1-刀座螺栓；2-光纤光栅传感器；3-单芯铠装光缆；4-光纤接头；5-多芯铠装光缆；6-剖分螺套；7-树脂胶固化层；8-空心螺栓；9-端盖；10-电池组；11-信号采集模块；12-无线路由器；13-千兆网线；14-便携式计算机；15-刀盘面板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参考图1，图1为本发明所提供的用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的监测装置的一种具体实施方式的结构示意图。
一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，包括安装在刀座中的刀座螺栓1，以及光纤光栅传感器2；所述刀座螺栓1头部的中心位置设有用于放置光纤光栅传感器2探头的盲孔，所述盲孔的头部设置有内螺纹；所述光纤光栅传感器2的外部套设有薄壁钢管，所述薄壁钢管的外壁上攻有与盲孔上部内螺纹配合的外螺纹，所述光纤光栅传感器2的探头与所述盲孔的底部抵接；
所述光纤光栅传感器2的尾部连接有单芯铠装光缆3，所述光纤光栅传感器2与单芯铠装光缆3的连接位置处注胶封装；单芯铠装光缆3通过光纤接头4与多芯铠装光缆5连接，所述光纤接头4为FC型光纤连接器且内置陶瓷插芯；多芯铠装光缆5贯穿剖分螺套6并与固定在端盖9常压环境一侧的信号采集模块11连接，所述多芯铠装光缆5与所述剖分螺套6过盈配合，所述信号采集模块11与固定在端盖9上的电池组10连接；信号采集模块11发射的信号由无线路由器12接收后通过千兆网线13将采集的信号传至便携式计算机14，监测数据存储在便携式计算机14内。
电池组10要求具备一定抗震、防水、防尘能力以适应盾构TBM较为恶劣的测试环境，电池组10固定在端盖位置与刀盘一起旋转，输出电压、电流及电池容量符合采集模块工作要求。信号采集模块11具备光纤信号转化至电信号、数据采集、无线信号发射功能，将光信号转换成数字信号以2.5GHz无线信号发射，信号采集模块11与刀盘一起旋转，供电由电池组12提供，在信号采集模块11接缝处涂抹硅酮胶具备一定防尘、防潮能力。
所述端盖9上贯穿设置有空心螺栓8，所述空心螺栓8与所述端盖9螺纹连接；所述空心螺栓8内设置有内螺纹，所述剖分螺套6由两个半螺套组成，所述剖分螺套6的外壁上开设有与空心螺栓8的内螺纹配合的外螺纹；所述剖分螺套6安装在空心螺栓8内并与该空心螺栓8螺纹连接。所述刀座螺栓1上涂有螺纹紧固胶用以防止刀座螺栓1与薄壁钢管之间出现相对旋转。
所述单芯铠装光缆3和多芯铠装光缆5内部带有钢丝螺旋铠装，同时包裹有凯夫拉纤维，保证光缆能够承受较大的拉力和外界挤压而不发生折断；位于带压环境一侧的多芯铠装光缆5其外部护套切除后浸入树脂胶固化进行防水处理，所述多芯铠装光缆5的护套切除长度为2cm。
所述空心螺栓8位于常压环境一侧的头部的空隙位置填充有树脂胶形成树脂胶固化层，所述空心螺栓8上缠绕有生胶带，且空心螺栓8与端盖9之间设置有橡胶密封垫。
本发明的用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置的使用方法，包含以下具体步骤：
S1：在端盖9处钻孔、攻丝，该孔的位置靠近端盖9的中心部位，同时注意避让工装夹具的作用位置以免形成干涉；
S2：将刀座螺栓1的中心钻盲孔，盲孔的头部制螺纹；
S3：将光纤光栅传感器2外的薄壁钢管的表面制成螺纹；
S4：制空心螺栓8，将多芯铠装光缆5放入空心螺栓8，剖分螺套6旋入空心螺栓8使其与多芯铠装光缆5形成过盈配合，进一步使用树脂胶封装固化形成固化层隔水；
S5：将空心螺栓8的螺纹部位覆盖生胶带安装进端盖9，空心螺栓8与端盖9之间加橡胶垫片达到密封的效果；
S6：将刀座螺栓1按要求扭矩安装，之后将光纤光栅传感器2拧入，刀座螺栓1与光纤光栅传感器2螺纹副之间涂抹螺纹紧固胶，光纤光栅传感器2与信号采集模块11、便携式计算机14连接调试以确定光纤光栅传感器2安装正常。
S7：安装完毕后，将单芯铠装光缆3与多芯铠装光缆5通过光纤接头4连接，为了应对恶劣的环境通常在光纤接头4位置使用防水胶带粘贴；
S8：将电池组10、信号采集模块11固定在端盖上，多芯铠装光缆5与信号采集模块11连接，电池组10与信号采集模块11连接向其供电；
S9：将无线路由器12放置靠近刀盘面板15的位置上用来接收信号采集模块11发射的信号，通过千兆网线13将信号传输至并保存便携式计算机14上。
该用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，借助光纤光栅传感器开展轴力测量，在振动、富水带压环境下，可将螺栓轴力情况进行监测并实时传输至主控室，技术人员可以获知螺栓轴力的变化，也可对螺栓组进行轴力监测达到计算滚刀破岩力的目的，能够实现对螺栓载荷、滚刀载荷的监测，能够极大的提高盾构TBM施工的安全性、高效性并为智能化提供一定的感知条件。
以上对本发明所提供的一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置及其使用方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，其特征在于：包括安装在刀座中的刀座螺栓（1），以及光纤光栅传感器（2）；所述刀座螺栓（1）头部的中心位置设有用于放置光纤光栅传感器（2）探头的盲孔，所述盲孔的头部设置有内螺纹；所述光纤光栅传感器（2）的外部套设有薄壁钢管，所述薄壁钢管的外壁上制有与盲孔上部内螺纹配合的外螺纹，所述光纤光栅传感器（2）的探头与所述盲孔的底部抵接；
所述光纤光栅传感器（2）的尾部连接有单芯铠装光缆（3），单芯铠装光缆（3）通过光纤接头（4）与多芯铠装光缆（5）连接；多芯铠装光缆（5）贯穿剖分螺套（6）并与固定在端盖（9）常压环境一侧的信号采集模块（11）连接，所述信号采集模块（11）与固定在端盖（9）上的电池组（10）连接；信号采集模块（11）发射的信号由无线路由器（12）接收后通过千兆网线（13）将采集的信号传至便携式计算机（14），监测数据存储在便携式计算机（14）内；
所述端盖（9）上贯穿设置有空心螺栓（8），所述空心螺栓（8）与所述端盖（9）螺纹连接；所述空心螺栓（8）内设置有内螺纹，所述剖分螺套（6）由两个半螺套组成，所述剖分螺套（6）的外壁上开设有与空心螺栓（8）的内螺纹配合的外螺纹；所述剖分螺套（6）安装在空心螺栓（8）内并与该空心螺栓（8）螺纹连接。
2.如权利要求1所述的一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，其特征在于：所述刀座螺栓（1）上涂有螺纹紧固胶用以防止刀座螺栓（1）与薄壁钢管之间出现相对旋转。
3.如权利要求1所述的一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，其特征在于：所述单芯铠装光缆（3）和多芯铠装光缆（5）内部带有钢丝螺旋铠装，同时包裹有凯夫拉纤维；位于带压环境一侧的多芯铠装光缆（5）其外部护套切除后浸入树脂胶固化进行防水处理，所述多芯铠装光缆（5）的护套切除长度为2cm。
4.如权利要求1所述的一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，其特征在于：所述光纤接头（4）为FC型光纤连接器且内置陶瓷插芯。
5.如权利要求1所述的一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，其特征在于：所述多芯铠装光缆（5）与所述剖分螺套（6）过盈配合。
6.如权利要求1所述的一种用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置，其特征在于：所述光纤光栅传感器（2）与单芯铠装光缆（3）的连接位置处注胶封装；所述空心螺栓（8）位于常压环境一侧的头部的空隙位置填充有树脂胶形成树脂胶固化层，所述空心螺栓（8）上缠绕有生胶带，且空心螺栓（8）与端盖（9）之间设置有橡胶密封垫；所述信号采集模块（11）的接缝位置处涂抹有硅酮胶。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的用于盾构TBM刀盘滚刀刀座螺栓的载荷监测装置的使用方法，其特征在于，包含以下具体步骤：
S1：在端盖（9）处钻孔、攻丝，该孔的位置靠近端盖（9）的中心部位，同时注意避让工装夹具的作用位置避免形成干涉；
S2：将刀座螺栓（1）的中心钻盲孔，盲孔的头部制螺纹；
S3：将光纤光栅传感器（2）外的薄壁钢管的表面制成螺纹；
S4：制空心螺栓（8），将多芯铠装光缆（5）放入空心螺栓（8），剖分螺套（6）旋入空心螺栓（8）使其与多芯铠装光缆（5）形成过盈配合，进一步使用树脂胶封装固化形成固化层隔水；
S5：将空心螺栓（8）的螺纹部位覆盖生胶带安装进端盖（9），空心螺栓（8）与端盖（9）之间加橡胶垫片达到密封的效果；
S6：将刀座螺栓（1）按要求扭矩安装，之后将光纤光栅传感器（2）拧入，刀座螺栓（1）与光纤光栅传感器（2）螺纹副之间涂抹螺纹紧固胶，光纤光栅传感器（2）与信号采集模块（11）、便携式计算机（14）连接调试以确定光纤光栅传感器（2）安装正常；
S7：安装完毕后，将单芯铠装光缆（3）与多芯铠装光缆（5）通过光纤接头（4）连接，为了应对恶劣的环境通常在光纤接头（4）位置使用防水胶带粘贴；
S8：将电池组（10）、信号采集模块（11）固定在端盖上，多芯铠装光缆（5）与信号采集模块（11）连接，电池组（10）与信号采集模块（11）连接向其供电；
S9：将无线路由器（12）放置靠近刀盘面板（15）的位置上用来接收信号采集模块（11）发射的信号，通过千兆网线（13）将信号传输至并保存便携式计算机（14）上。
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2020
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