CN112282778A - 盾构刀盘刀具磨损诊断方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种泥水盾构刀盘刀具磨损诊断方法及其应用。本发明基于刀具磨损后刀具直径变小而刀具转速增高的特点，提出刀具实际转速与刀具理论转速的比值，通过转速比测算得到刀具实际磨损量值。采用本发明方法解决了因判断不准导致未到达磨损值不必要的换刀，严重影响盾构施工效率或者刀具磨损超标刀具更换不及时造成刀盘面板磨损等后果，使得现场刀具管理人员可更加准确的判断出刀具是否磨损，并及时对达到磨损值的刀具进行更换，进一步提高了刀具更换的准确性和及时性。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种盾构刀盘刀具磨损诊断方法及其应用。
背景技术
常压刀盘配置可常压更换的刀具，通过刀盘主臂与刀盘中心块相连形成中心仓，钢结构可承受外部水土压力，中心仓内处于常压状态，检查和更换刀具的人员可以从中心仓进入主臂内，通过一些辅助换刀工装可以将所有滚刀和部分刮刀进行更换，而不需要带压潜水进入泥水仓甚至刀盘前方进行刀具更换作业。
可常压更换的刀具通常配置有刀具状态监控系统，主要通过刀具旋转检测传感器和刀具温度检测传感器来实时监测刀具旋转和温度情况，但仍不能监测到刀具的具体磨损值，而是还需要通过刀具旋转和温度数据进行研究判断刀具是否磨损，并结合地层情况以及以往拆刀刀具磨损情况判断刀具在该地层中的刀具使用寿命。这种判断刀具使用寿命的方法显然无法做到精准判断，而一旦判断失误将会造成未到达磨损值而进行不必要的换刀，严重影响盾构施工效率，或者是造成因刀具磨损超标而更换不及时导致掘进效率低下、刀盘面板磨损等不良后果。
发明内容
本发明旨在提供一种盾构刀盘刀具磨损诊断方法，旨在实现刀具磨损量的精准判断，从而能够及时对达到磨损量控制标准的刀具进行更换，避免发生因判断不准所导致刀具更换频繁或刀具更换不及时而导致刀盘面板磨损或施工效率损失的问题。
为解决上述技术问题，本发明主要采用以下技术方案：
设计一种盾构刀盘刀具磨损诊断方法，包括如下步骤：
（1）测量或采集盾构施工过程中的刀具实际转速S实际，单位（m/s）；
（2）获取或计算刀具理论转速S理论（m/s）：
S理论=（ L轨迹×υ）/（π×D刀×60s）
式中，L轨迹为刀盘旋转一周的刀具运动轨迹时计量长度（m），υ为刀盘转速（r/min）D刀为未磨损时新刀具的直径（m），π为圆周率。
当刀盘转速一定，刀具在该轨迹上的任何位置点的瞬时转速一定等于S理论；
（3）计算刀具转速比
i=S实际/S理论×100% ；
（4）当刀具转速比i=100%时，则刀具未磨损；刀具转速比i＜100%时，判断地层软弱使刀具转速慢（或其他间接原因）；刀具转速比i＞100%时，判定刀具存在磨损。
当判断刀具存在磨损时，还可进一步根据刀具转速比测算出刀具实际磨损值w：
w= L轨迹（i-1）/2πS实际 。
可根据需要设定刀具磨损量控制值及对应的转速比临界值[S临= L轨迹（i-1）/2πw设]，于盾构掘进过程中监测刀具实际运行的转速比，一旦刀具运行转速比S实际≥S临，可视情况来决策刀具的更换。
所述盾构为大直径泥水盾构；所述刀盘刀具为常压可更换刀具。
本发明的主要有益技术效果在于：
1. 增加刀具磨损量判断的准确性
在目前常压刀盘刀具无法直接检测刀具磨损值而需通过刀具转速和刀具温度来粗略判断刀具磨损情况的条件下，基于刀具磨损后刀具直径变小刀具转速增高的规律，提出刀具实际转速与刀具理论转速的比值，并可通过转速比测算得到刀具实际磨损量值，并可进一步的通过刀具转速分布轮廓图的形式直观的展现出当前刀具运转状态，采用此方法可只通过刀具实际转速就可以使得现场刀具管理人员更加准确的判断出刀具是否磨损以及当前刀具的磨损值。
2. 保证刀具更换的及时性，以提高生产效率
本发明方法能够解决因刀具磨损量判断不准所导致的未到达磨损值不必要的换刀（严重影响盾构施工效率），或者刀具磨损超标而更换不及时（造成盾构掘进速度降低，刀盘面板磨损等后果）；通过本发明方法现场刀具管理人员可及时准确的判断刀具的实际磨损状况，从而可实现及时的对达到磨损值的刀具安排进行更换，以提高盾构机掘进效率。
附图说明
图1为本发明实施例二中盾构机刀盘及刀具的实物布置照片。
图2 为本发明实施例二中盾构掘进地层分布示意图。
图3为本发明实施例二中盾构机（刀盘掘进至371环，盾尾位置366环）#66刀具标准化转速分布轮廓图；
图4本发明实施例二中盾构机（刀盘掘进至371环，盾尾位置366环）#68刀具标准化转速分布轮廓图；
在图3、图4中，中心点外的各圆点代表刀具旋转至掌子面此位置时的转速比，由旋转传感器检测数据取点；圆圈b代表刀具未磨损（转速比100%）时的转速比界限；圆圈a为刀具磨损30mm（可根据刀具磨损更换要求进行设定）时对应的转速比界限；圆圈c为刀具转速比为50%时的界限；横轴上的柱状线条和其对应的数值d表示在该转速比圆周上的点数占总取值点数的百分比。
图5本发明实施例二中盾构机刀具实际磨损现场测量照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
实施例一：
大直径泥水盾构常压刀盘刀具磨损诊断方法，包括如下步骤：
（1）测量或采集盾构施工过程中的刀具实际转速S实际，单位（m/s）；
（2）获取或计算刀具理论转速S理论（m/s）：
S理论= （L轨迹×υ）/（π×D刀×60s）
式中，L轨迹为刀盘旋转一周的刀具运动轨迹时计量长度（m），υ为刀盘转速（r/min）D刀为未磨损时新刀具的直径（m），π为圆周率。
当刀盘转速一定，刀具在该轨迹上的任何位置点的瞬时转速一定等于S理论。
（3）计算刀具转速比（刀盘旋转一周刀具实际转速与理论转速的比值）
i=S实际/S理论×100% ；
（4）当刀具转速比i=100%时，则刀具未磨损；刀具转速比i＜100%时，判断地层软弱使刀具转速慢（或其他间接原因）；刀具转速比i＞100%时（随着滚刀刀圈磨损，半径减小，刀具实际转速会增大，转速比会上升），判定刀具存在磨损。
以泥水平衡中铁588号盾构机中的60#刀具为例（在刀盘上分布半径为6110mm），60#刀具为19寸刀具，刀具直径为19×25.4=482.6mm，刀具周长为1515.364mm，假设刀盘转速为1转/分钟，刀盘旋转一圈，60#刀行走轨迹周长为38370mm，刀具理论转速为（38370×1）/（1515.364×60）=0.42mm/s=0.0042m/s。
设60#刀具此转速情况下转速比为100%，如果刀具已磨损了30mm，则可求得刀具转速比：
已知刀具已磨损30mm，刀具磨损后周长为π（482.6-30×2）=1326.964mm，刀具转速为（38370×1）/（1326.964×60）=0.48mm/s=0.0048m/s；刀具转速比=0.0048/0.0042×100%=114.2%。
还可进一步的通过刀盘转速比换算刀具实际磨损值，同样以60#刀具为例，当刀具转速比为114.2%时，求刀具磨损量：
已知刀具转速比为114.2%，刀具理论转速为0.0042m/s，那么刀具实际转速为0.0048m/s，刀具直径为（38370×1）/（0.48×3.14×60）=424.29mm，新刀刀具直径为482.6mm，求得刀具磨损量为（482.6-424.29）/2=29.15≈29mm。
实施例二：
基于转速比的刀具磨损诊断在春风隧道工程项目中的应用实践
春风隧道工程项目，采用一台泥水平衡中铁588号盾构机，盾构机最大开挖直径为15.80m，盾构机采用常压刀盘设计，刀盘采用6中空辐臂式+6副梁，刀盘总重约650t配置可常压更换滚刀数量83把。刀盘及刀具布置图如1所示。
春风隧道工程线路盾构掘进长度3603m，主要穿越地层为花岗岩、碎裂岩、凝灰质砂岩、片岩、变质砂岩、糜棱岩，少量卵石，砾砂地层。其中：微风化岩层普遍抗压强度约为50MPa以上，微风化（硅化）片岩最大强度为173.7MPa，长距离岩石地层中掘进具有刀具消耗量大、更换刀具频率高等特点，对盾构施工刀具管理要求较高，为节约刀具费用，提高刀具使用寿命，减少换刀频率，提高盾构掘进施工效率，该工程项目采用通过刀具转速比判断刀具磨损量的方法精准及时的对每把刀具进行监控和更换。
下面以66-68#刀具实际施工过程中，通过刀具转速比分析方法和拆除后刀具实际磨损情况对比验证该方法的先进性和可靠性。
66-68#刀具使用23环（刀盘位置349环-371环）掘进地层探查情况如图2所示。
上位机刀具转速比监测分析显示刀具已到达磨损极限值，如图3、图4所示。图3中显示（刀盘掘进至371环，盾尾位置366环）#66刀具磨损值30mm占比22%；图4中显示（刀盘掘进至371环，盾尾位置366环）#68刀具磨损值30mm占比73%。
对其进行抽检，抽检结果显示66#刀具磨损29mm， 68#磨损30mm，实际磨损情况如图5所示。通过对比可知，刀具实际磨损情况与上位机刀具转速分布分析图显示基本一致，准确性较高，误差较小。
本发明与规刀具磨损判断方法相比，具有显著的优势，参见表1。
表1本发明方法与常规刀具磨损判断方法对比
| 对比项目 | 刀具磨损量判断 | 对掌子面地层的判断 | 优点 | 缺点 |
| 传统刀具磨损量判断方法 | 通过转速和温度判断刀具是否旋转，结合经验判断刀具磨损量 | 无法通过刀具旋转数据判断掌子面地层情况 | 无需换算，传感器直接读取速度和温度数据 | 无法通过传感器等直接检测磨损值，不能准确的判断刀具磨损量，只能判断刀具转或不转。 |
| 本发明刀具转速比诊断方法 | 通过公式计算出刀具转速比，并通过转速比换算刀具磨损量 | 可通过刀具转速分布分析图判断掌子面地层软硬不均情况 | 可根据刀具旋转转速比精准计算出刀具磨损量值，可及时准确的对刀具进行更换，同时通过刀具转速分布分析图可判断掌子面地层软硬不均情况。 |
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关方法、步骤进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (5)
1.一种盾构刀盘刀具磨损诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）测量或采集盾构施工过程中的刀具实际转速S实际；
（2）获取或计算刀具理论转速S理论：
S理论= （L轨迹×υ）/（π×D刀×60）
式中，L轨迹为刀盘旋转一周的刀具运动轨迹时计量长度，υ为刀盘转速，D刀为未磨损时新刀具的直径，π为圆周率；
（3）计算刀具转速比
i=S实际/S理论×100% ；
（4）当刀具转速比i=100%时，则刀具未磨损；刀具转速比i＜100%时，判断地层软弱使刀具转速慢；刀具转速比i＞100%时，判定刀具存在磨损。
2.根据权利要求1所述的盾构刀盘刀具磨损诊断方法，其特征在于，在所述步骤（4）之后还包括刀具磨损值w测算：
w= L轨迹（i-1）/2πS实际 。
3.根据权利要求1所述的盾构刀盘刀具磨损诊断方法，其特征在于，所述盾构为大直径泥水盾构。
4.根据权利要求1所述的盾构刀盘刀具磨损诊断方法，其特征在于，所述刀盘刀具为常压可更换刀具。
5.一种基于刀具转速比更换盾构刀盘刀具的方法，包括如下步骤：
（1）设定刀具磨损控制值w设；
（2）依据所述设定的磨损控制值，测算对应的临界转速比：
S临= L轨迹（i-1）/2πw设
（3）当刀具运行转速比S实际≥S临，进行刀具的更换。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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