CN113324746A - 一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法，涉及隧道施工机械检测领域，通过三个磨损检测传感器对滚刀的磨损量进行检测并根据第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线和第三磨损检测曲线的数值对比进一步的判断螺栓是否处于松动和断裂状态，发明可以适用于盾构机特有的工作环境，不需要对常压滚刀和刀筒进行较大的改造，可以方便可靠的实时检测螺栓的状态，便于施工人员选择合适时机进行维护检修，有效提高使用效率，降低施工成本。

Description

一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法

技术领域

本发明涉及隧道施工机械检测领域，特别涉及一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法。

背景技术

盾构机是集机电液自动化于一体，能够实现掘进、移动、出渣和衬砌连续作业的大型掘进装置，因其快速、优质、安全等优点，被广泛应用于水电、铁路、公路、地铁等隧道工程。在较硬的岩层下，盾构机主要依靠前端安装在刀盘上的滚刀切削破碎岩石进行隧道开挖。滚刀承受强冲击、振动和大载荷，滚刀的紧固螺栓不可避免地会发生松动和断裂等故障，直接影响滚刀切削效率，甚至会加剧滚刀的损耗。常压可更换滚刀通常配置有长刀筒和闸门密封装置来隔绝前方高压区域，工作人员无法实时观测和检查连接螺栓的松动状态，难以判断滚刀是否正常工作。因此，实时监测螺栓的松动和断裂情况，合理安排维修换刀时间，可大大缩短掘进工期，降低施工成本。

目前，针对螺栓松动检测方面已有少量研究，包括图像拍摄法、电容变化法等，但是由于盾构机的特殊工作环境，盾构内部空间狭窄、黑暗潮湿、高温高压，故不能利用前述的办法进行测量，因此还未有检测盾构机常压滚刀的螺栓松动的检测方法。

发明内容

本发明提供了一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法，其目的是为了解决现有螺栓松动检测无法适用于盾构内部特殊环境的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法，包括：

S1：将刀筒内部安装滚刀，并保证滚刀的刀轴与刀筒面贴合、在刀筒内贴合安装压块，并保证滚刀的刀轴与压块面贴合，刀筒的两侧分别安装螺栓，螺栓通过连接压块和刀筒锁定滚刀的刀轴；

S2：将第一磨损检测装置、第二磨损检测装置安装在滚刀进刀方向的正后方，第一磨损检测装置和第二磨损检测装置并排设置，分别用于检测进刀方向上刀筒左端、右端的螺栓，将第三磨损检测装置安装在退刀方向的下方，并与第一磨损检测装置安装角度呈45°，用于检测滚刀滚动力方向的磨损量以区分具体断裂螺栓位置，对第一磨损检测装置、第二磨损检测装置和第三磨损检测装置进行标定；

S3：随着滚刀滚动破岩，并根据第一磨损检测装置、第二磨损检测装置和第三磨损检测装置采集随滚刀转动圈数变化的平均磨损量；

S4：以滚刀所转的圈数为横坐标，以第一磨损检测装置、第二磨损检测装置、第三磨损检测装置检测的磨损量分别绘制第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线和第三磨损检测曲线；

S5：分别对比第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线内相邻圈数的磨损差量的变化量，若所述变化量为负，则进行下一步骤，若所述变化量为正，则继续记录磨损量数据；

S6：对比第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线在相同圈数时磨损量的变化量，并根据检测结果判断松动或断裂螺栓的左右位置；

S7：对比第一磨损检测曲线、第三磨损检测曲线相邻圈数内滚刀在滚动方向上的变化量判断松动或断裂螺栓的上下位置。

优选的，在步骤S4中，获得滚刀的转速ω，并通过T＝2π/ω，获得滚刀的转动周期，以nT为横坐标，以第一、第二、第三磨损检测装置测量的磨损量为纵坐标获得第一、第二、第三磨损检测曲线，其中n≥0且为整数。

优选的，在所述步骤S5中，在第一、第二磨损检测曲线内，横坐标为nT点处的磨损量为α_n，横坐标为(n-1)T点处的磨损量为α_(n-1)，对比α_n与α_(n-1)，

若α_n＞α_(n-1)，则螺栓连接正常，继续记录磨损量数据；

若α_n＜α_(n-1)，则螺栓出现松动，进行下一步骤。

优选的，在步骤S6中，对比第一磨损检测曲线和第二磨损检测曲线同一横坐标点nT处的磨损量的变化量，若两处磨损量变化趋势基本相同，则螺栓连接正常；若一侧的磨损量全部大于另一侧磨损数据，则表示该侧螺栓松动；

在第一磨损检测曲线内，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损量变化为Δ₁，第二磨损检测曲线内，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损变化量为Δ₂，对比Δ₁与Δ₂：

若Δ₁＝Δ₂，则说明滚刀两侧的螺栓均发生松动或断裂；

若Δ₁＞Δ₂，则说明左侧螺栓松动；

若Δ₁＜Δ₂，则说明右侧螺栓松动。

优选的，所述步骤S7，在第三磨损检测曲线中，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损变化量为Δ₃，对比Δ₁与Δ₃，

若Δ₁＜Δ₃，则说明离第三磨损检测装置较近的螺栓出现松动或断裂，

若Δ₁>Δ₃，则说明离第三磨损检测装置较远的螺栓出现断裂或松动；

若Δ₁＝Δ₃，则说明该侧两螺栓均发生松动或断裂。

本发明的上述方案有如下的有益效果：本发明利用磨损检测装置对滚刀的磨损量进行检测，并通过磨损量的变化进一步的判断与滚刀连接的螺栓是否出现松动、断裂，本发明可以适用于盾构机特有的工作环境，不需要对常压滚刀刀筒进行较大的改造，可以方便可靠的实时检测螺栓的状态，便于施工人员选择合适时机进行维护检修，有效提高使用效率，降低施工成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的掘进示意图；

图3是磨损检测装置位置示意图。

【附图标记说明】

1为滚刀、2为刀筒、3为压块；、4-1为右上螺栓、4-2为右下螺栓、4-3为左上螺栓、4-4为左下螺栓、5-1为第一磨损检测装置、5-2为第二磨损检测装置、5-3为第三磨损检测装置。

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。

本发明针对现有的问题，提供了一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法。

如图1-3所示，本发明的实施例提供了一种基于磨损检测的常压滚刀1螺栓松动和断裂检测方法，包括如下步骤：

S1：在刀筒2内部安装滚刀1，并保证滚刀1的刀轴与刀筒2面贴合、在刀筒2内部贴合安装压块3，并保证滚刀1的刀轴与压块3面贴合，刀筒2的两侧安装分别安装螺栓，螺栓通过连接压块3和刀筒2锁定滚刀1的刀轴；

将刀筒2内安装滚刀1，保证滚刀1可以在刀筒2内工作，并且滚刀1的刀轴与刀筒2面贴合即滚刀1的刀轴的两个斜面与刀筒2的凹槽贴合，使得滚刀1在工作中可以被刀筒2固定，避免滚刀1发生跳动，影响数据的检测。进一步的，刀筒2的外部通过压块3，将滚刀1的刀轴的圆弧面与压块3的凹槽贴合，并且螺栓通过连接压块3和刀筒2锁定滚刀1的刀轴，优选的，螺栓设置有四个，如图1分别是右上螺栓4-1、右下螺栓4-2、左上螺栓4-3和左下螺栓4-4。四个螺栓可以将刀轴牢固固定，避免滚刀1在工作时跳动。

S2：将第一磨损检测装置5-1、第二磨损检测装置5-2安装在滚刀1的刀刃进刀方向的正后方，第一磨损检测装置5-1、第二磨损检测装置5-2并排设置，分别用于检测在进刀方向上刀筒2左端、右端的螺栓，即第一磨损检测装置5-1检测左上螺栓4-3和左下螺栓4-4，第二磨损检测装置5-2检测右上螺栓4-1和右下螺栓4-2，将第三磨损检测装置5-3安装在退刀方向的下方，并与第一磨损检测装置5-1的角度为45°。第三磨损检测装置5-3用于检测滚动力方向上的磨损量以区分具体断裂螺栓的位置，对第一磨损检测装置5-1、第二磨损检测装置5-2和第三磨损检测装置5-3标定，将当前的磨损量定义为为零；

S3：驱动滚刀1滚动破岩，并根据第一磨损检测装置5-1、第二磨损检测装置5-2和第三磨损检测装置5-3采集以滚刀1磨损量随滚刀1转动圈数变化的平均磨损量；

S4.以滚刀1所转的圈数为横坐标，以第一磨损检测装置5-1、第二磨损检测装置5-2和第三磨损检测装置5-3检测的磨损量分别绘制第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线和第三磨损检测曲线；

在滚刀1的工作过程中转速较快，如通过圈数进行数据记录，难以测量并获得数据，因此通过现有技术测得滚刀1的转速转速ω，并通过T＝π/ω，获得滚刀1的转动周期，并以滚刀1的转动周期nT作为横坐标，以第一磨损检测装置5-1测得的磨损量为纵坐标获得左上螺栓4-3和左下螺栓4-4的磨损量分布点，用光滑曲线依次连接磨损量分布点，获得第一磨损检测曲线。

以同样的方式，获得第二磨损检测装置5-2的第二磨损检测曲线和第三磨损检测装置5-3的第三磨损检测曲线。

在三条磨损检测曲线中，n为大于零的整数。

S5分别对比第一、第二磨损检测曲线内相邻圈数的磨损差量的变化量，若所述变化量为负，则进行下步骤，若所述变化量为正，则继续记录磨损量数据；

详细的，在本步骤中，在第一、第二磨损检测曲线内，横坐标为nT点处的，横坐标为nT点处的磨损量为α_n，横坐标为(n-1)T点处的磨损量为α_(n-1)，对比α_n与α_(n-)1，

若α_n＞α_(n-1)，则螺栓连接正常，继续记录磨损量数据；

若α_n＜α_(n-1)，则螺栓出现松动，并进行下一步骤，需要进一步的确定松动螺栓位于滚刀1左右中某一侧的具体位置。

S6.对比第一、第二磨损检测曲线的在相同圈数时磨损量的变化量，并根据检测结果得出松动螺栓位置；

具体而言，对比第一磨损检测曲线和第二磨损检测曲线同一横坐标点nT处的磨损量的变化量，若两处磨损量变化趋势基本相同，则滚刀1两侧的螺栓均发生松动或断裂；若一侧的磨损量全部大于另一侧磨损数据，则表示该侧螺栓松动；

在第一磨损检测曲线内，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损量变化为Δ₁，第二磨损检测曲线内，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损变化量为Δ₂，对比Δ₁与Δ₂：

若Δ₁＝Δ₂，则说明滚刀1两侧的均发生松动或断裂；

若Δ₁＞Δ₂，则说明左侧螺栓松动即左上螺栓4-3和左下螺栓4-4发生松动；

若Δ₁＜Δ₂，则说明右侧螺栓松动即右上螺栓4-1和右下螺栓4-2发生松动。

S7.对比第三磨损检测曲线相邻圈数内滚刀1在滚动方向上的变化量判断螺栓是否断裂。

在该步骤S7中，需要进一步确定断裂螺栓的位置，具体而言，在第三磨损检测曲线中，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损变化量为Δ₃，对比Δ₁与Δ₃，

若Δ₁＜Δ₃，则说明离第三磨损检测装置5-3较近的螺栓即左下螺栓4-4、右下螺栓4-2出现松动或断裂，

若Δ₁>Δ₃，则说明离第三磨损检测装置5-3较远的螺栓即左上螺栓4-3、右上螺栓4-1出现断裂或松动；

若Δ₁＝Δ₃，则说明该侧两螺栓均发生松动或断裂。

在本发明中，对现有的滚刀1结构不必发生较大的结构改变即可进行测量，避免了因为改动滚刀1结构而存在潜在风险，充分的尊重了盾构机的结构合理性，此外，针对盾构内部阴暗潮湿的环境，本发明提供的检测方法针对性更强，也更加符合盾构机的使用环境，不同于背景技术中提到的图像拍摄法、电容变化法，保证了磨损检测装置的结构简洁性和实用性，更加适用于盾构机复杂、恶劣的工作环境。

此外，本检测方法是一种实时检测方法，可以将检测结果通过程序运算并显示，能够帮助施工人员选择合适时机进行维护检修，避免了滚刀1在不合规的状态下持续工作，既能提高施工效率，也变相的对滚刀1进行了保护，降了施工的成本。

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 (5)

1.一种基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法，其特征在于：包括：

S1：将刀筒内部安装滚刀，并保证滚刀的刀轴与刀筒面贴合、在刀筒内贴合安装压块，并保证滚刀的刀轴与压块面贴合，刀筒的两侧分别安装螺栓，螺栓通过连接压块和刀筒锁定滚刀的刀轴；

S2：将第一磨损检测装置、第二磨损检测装置安装在滚刀进刀方向的正后方，第一磨损检测装置和第二磨损检测装置并排设置，分别用于检测进刀方向上刀筒左端、右端的螺栓，将第三磨损检测装置安装在退刀方向的下方，并与第一磨损检测装置安装角度呈45°，用于检测滚刀滚动力方向的磨损量以区分具体断裂螺栓位置，对第一磨损检测装置、第二磨损检测装置和第三磨损检测装置进行标定；

S3：随着滚刀滚动破岩，并根据第一磨损检测装置、第二磨损检测装置和第三磨损检测装置采集随滚刀转动圈数变化的平均磨损量；

S4：以滚刀所转的圈数为横坐标，以第一磨损检测装置、第二磨损检测装置、第三磨损检测装置检测的磨损量分别绘制第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线和第三磨损检测曲线；

S5：分别对比第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线内相邻圈数的磨损差量的变化量，若所述变化量为负，则进行下一步骤，若所述变化量为正，则继续记录磨损量数据；

S6：对比第一磨损检测曲线、第二磨损检测曲线在相同圈数时磨损量的变化量，并根据检测结果判断松动或断裂螺栓的左右位置；

S7：对比第一磨损检测曲线、第三磨损检测曲线相邻圈数内滚刀在滚动方向上的变化量判断松动或断裂螺栓的上下位置。

2.根据权利要求1所述的基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂检测方法，其特征在于：在步骤S4中，获得滚刀的转速ω，并通过T＝2π/ω，获得滚刀的转动周期，以nT为横坐标，以第一、第二、第三磨损检测装置测量的磨损量为纵坐标获得第一、第二、第三磨损检测曲线，其中n≥0且为整数。

3.根据权利要求2所述的基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂的检测方法，其特征在于：在所述步骤S5中，在第一、第二磨损检测曲线内，横坐标为nT点处的磨损量为α_n，横坐标为(n-1)T点处的磨损量为α_(n-1)，对比α_n与α_(n-1)，

若α_n＞α_(n-1)，则螺栓连接正常，继续记录磨损量数据；

若α_n＜α_(n-1)，则螺栓出现松动，进行下一步骤。

4.根据权利要求3所述的基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂的检测方法，其特征在于：在步骤S6中，对比第一磨损检测曲线和第二磨损检测曲线同一横坐标点nT处的磨损量的变化量，若两处磨损量变化趋势基本相同，则螺栓连接正常；若一侧的磨损量全部大于另一侧磨损数据，则表示该侧螺栓松动；

在第一磨损检测曲线内，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损量变化为Δ₁，第二磨损检测曲线内，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损变化量为Δ₂，对比Δ₁与Δ₂：

若Δ₁＝Δ₂，则说明滚刀两侧的螺栓均发生松动或断裂；

若Δ₁＞Δ₂，则说明左侧螺栓松动；

若Δ₁＜Δ₂，则说明右侧螺栓松动。

5.根据权利要求4所述的基于磨损检测的常压滚刀螺栓松动和断裂的检测方法，其特征在于：所述步骤S7，在第三磨损检测曲线中，横坐标nT与(n-1)T之间的磨损变化量为Δ₃，对比Δ₁与Δ₃，

若Δ₁＜Δ₃，则说明离第三磨损检测装置较近的螺栓出现松动或断裂，

若Δ₁>Δ₃，则说明离第三磨损检测装置较远的螺栓出现断裂或松动；

若Δ₁＝Δ₃，则说明该侧两螺栓均发生松动或断裂。

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