CN113607212A - 盾构机刀具在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构机刀具在线检测装置，涉及盾构机技术领域，包括盲孔、反光片、激光传感器、透明堵头、磁性待测物、磁力传感器、加速度传感器、信号采集及控制系统；盲孔孔口开设于刀毂内壁处并延伸至刀圈内；反光片设于盲孔孔底；激光传感器设于刀轴轴套上向盲孔内发射激光信号并接收反射激光信号；透明堵头设于盲孔靠近孔口的一端；磁性待测物设于刀毂内壁处；磁力传感器设于刀轴轴套上用于检测磁性待测物；加速度传感器设于刀轴轴套上，用于监测刀具运行过程中的振动状态，以及信号采集及控制系统。旨在解决现有技术中传统检测方法工艺复杂、可靠性安全性低、难以应对较为复杂的地质以及容易对系统造成破坏的技术问题。

Description

盾构机刀具在线检测装置

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，更具体地说，是涉及一种盾构机刀具在线检测装置。

背景技术

盾构机作为一种大型的隧道、地铁施工设备，具有极其复杂的系统，而盾构机刀具作为其中的重要一环，却不可避免的时常发生故障及产生磨损，由于盾构机工作时刀具处在充满岩土的恶劣环境中，对刀具故障和磨损的检测成为了一大难点。但若没有及时发现故障或损坏的刀具，将会造成巨大的经济损失甚至是灾难事故。

传统的盾构机刀具检测及维护方式为停机检修，由于环境的复杂性，人工检修具有一定的危险性，掘进区域处于高压环境中，人工检修不仅工作量大且不能长时间停留。另外，频繁停机会造成工程进度减缓且可能造成岩土不稳定。

另一种较传统的方法是根据掘进参数判断是否发生故障或严重磨损。但这种方法难以应对较为复杂的地质。

较为复杂的检测方法有电阻或电容检测法，通过预先将电阻电容等部件嵌入刀具内部，刀具工作中检测由于刀具磨损造成的电阻电容变化，可推算刀具的形状。但此方法将各个部件嵌入刀具内部的工艺较为复杂，且一般需要通过蓝牙或无线等方式传输信号，刀具本身处于一种高温且具有较大冲击的恶劣环境，容易对该系统造成破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盾构机刀具在线检测装置，旨在解决现有技术中传统检测方法工艺复杂、可靠性安全性低、难以应对较为复杂的地质以及容易对系统造成破坏的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种盾构机刀具在线检测装置，包括：

盲孔，孔口开设于刀毂内壁处，并延伸至刀圈内；

反光片，设于所述盲孔的孔底；

激光传感器，设于刀轴的轴套上，用于向所述盲孔内发射激光信号并接收反射的激光信号；

透明堵头，设于所述盲孔靠近孔口的一端；

磁性待测物，设于刀毂内壁处；

磁力传感器，设于刀轴轴套上，用于检测所述磁性待测物；

加速度传感器，设于刀轴轴套上，用于监测刀具运行过程中的振动状态；以及

信号采集及控制系统，用于接收所述磁力传感器、激光传感器以及加速度传感器的信号。

进一步地，所述盲孔为多个且沿刀毂和刀圈的圆周方向依次间隔排布，所述盲孔沿刀圈和刀毂的径向延伸且延长线经过所述刀圈的最大外圈边缘。

进一步地，所述透明堵头材质为有机材料或石英。

进一步地，所述磁性待测物为多个且沿刀毂的圆周方向依次间隔排布。

进一步地，所述激光传感器具有激光发射端和激光接收端，分别用于向对正的盲孔内发射和接收激光信号。

进一步地，还包括热电偶，所述热电偶设于轴套上，用于检测刀具工作温度，所述热电偶的信号输出端连接所述信号采集及控制系统。

进一步地，所述激光传感器和磁力传感器设有外螺纹，且螺纹连接在轴套的螺孔内，所述刀轴为空心轴，并设有光孔，所述激光传感器和磁力传感器通过穿过光孔和刀轴内腔的线体连接外部的信号采集及控制系统。

进一步地，所述盲孔的孔底到所述刀圈的最大外圈边缘的距离小于等于刀圈的最大允许磨损量。

进一步地，所述盲孔的孔底和刀圈的最大外圈边缘之间通过螺杆封堵。

进一步地，所述磁性待测物和盲孔位于刀毂内壁的同一圆周面上且相互间隔设置，所述磁力传感器和激光传感器间隔设于所述轴套上且也位于所述同一圆周面上。

本发明提供的盾构机刀具在线检测装置的有益效果在于：能够按需求对刀圈运行状态和磨损状态进行检测，且传感器主体安装于刀轴及轴套上，与刀毂及刀圈上的待检测无分离，相比于将传感器或电容电阻等部件安装于刀圈内部的检测手段来说，本发明提供的检测系统具有更加简单且可靠的安装方式，无需复杂的嵌入安装工艺，以应对盾构机滚刀极其恶劣的工作环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的盾构机刀具在线检测装置的剖面结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的盾构机刀具在线检测装置的另一剖面结构示意图。

图中：1.盲孔，2.刀毂，3.刀圈，4.反光片，5.激光传感器，6.刀轴，7.轴套，8.透明堵头，9.磁性待测物，10.磁力传感器，11.热电偶，12.螺杆，13.轴承，14.挡圈，15.加速度传感器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1和图2，现对本发明提供的一种盾构机刀具在线检测装置，包括：盲孔1、反光片4、激光传感器5、透明堵头8、磁性待测物9、磁力传感器10、加速度传感器15、信号采集及控制系统；盲孔1，孔口开设于刀毂2内壁处，并延伸至刀圈3内；反光片4，设于所述盲孔1的孔底；激光传感器5，设于刀轴6的轴套7上，用于向所述盲孔1内发射激光信号并接收反射的激光信号；透明堵头8，设于所述盲孔1靠近孔口的一端；磁性待测物9，设于刀毂2内壁处；磁力传感器10，设于刀轴6轴套7上，用于检测所述磁性待测物9；加速度传感器15，设于刀轴6轴套7上，用于监测刀具运行过程中的振动状态，以及信号采集及控制系统，用于接收所述磁力传感器10、激光传感器5以及加速度传感器15的信号，并控制刀具转动状态。

本实施例的有益效果在于，相对于现有技术来说，本在线检测装置，通过在刀轴6以及轴套7上安装激光传感器5以及磁力传感器10，可对目标进行间断检测和连续检测，实现了对滚刀运动状态和磨损状态两方面的检测，并且结构制作简单，工艺易操作，易实现，无需停机即可在线检测，可靠性更强，相比于将传感器或电容电阻等部件安装于刀圈3内部的检测手段来说，本实施例具有更加简单且可靠的安装方式，无需复杂的嵌入安装工艺，以应对盾构机滚刀极其恶劣的工作环境。

具体地，本实施例是这样实现的，在工作过程中，刀圈3和刀毂2进行转动，激光传感器5可发射高频脉冲激光信号，当盲孔1随刀圈3和刀毂2转动的时候，与激光传感器5的发射端对正时，激光信号会进入到盲孔1中，穿过透明堵头8抵达反光片4，然后经过反光片4反射，激光信号再次经过透明堵头8被激光传感器5的接收端接收，在本实施例中，刀毂2的内壁也会少量反射信号，但强度较弱，系统可对其进行分辨并定义为无信号，因此激光传感器5检测到间隔的信号表明反光片4仍存在且刀圈3处于转动状态；与之类似地，当刀毂2上的磁性待测物9移动到磁力传感器10周向位置附近时，磁力传感器10能够检测到较强信号，因此磁力传感器10检测到间断信号表明刀毂2处于转动状态。当刀圈3与刀毂2由于故障而无法转动，激光传感器5与磁力传感器10检测到的信号水平均无变化。当刀毂2与刀圈3仍能转动但刀圈3磨损到一定程度使得刀圈3上的反光片4部分丢失或全部丢失，因此激光传感器5检测不到强反射信号，而磁力传感器10仍能正常检测到间断信号。反光片4丢失后，泥土砂砾等杂物将填入刀圈3的孔内，而刀圈3上的透明堵头8可防止杂物进一步进入刀毂2内部。通过采集到的信号的特征，可以判断滚刀运行状态及磨损情况，并及时快速进行维修或更换,加速度传感器15设置的目的是监测刀具运行过程中的振动状态，以判断刀具正处于的岩土环境类型，辅助预测刀具的磨损及可能面临的问题。

信号采集及控制系统包括信号采集系统和上位机，通过上位机进行控制刀具的运行状态。请参阅图2作为本实施例进一步的优选实施方式，所述盲孔1为多个且沿刀毂2和刀圈3的圆周方向依次间隔排布，所述盲孔1沿刀圈3和刀毂2的径向延伸且延长线经过所述刀圈3的最大外圈边缘。

本实施例的有益效果在于，设置多个盲孔1，能够加大激光传感器5收到激光信号强弱变化的频率，能够更加显著的观测到转动运行效果，并且其沿着圆周方向依次间隔设置，使得信号变化均匀，并且盲孔1沿刀圈3和刀毂2的径向延伸且延长线经过所述刀圈3的最大外圈边缘，因为刀圈3的磨损是从最外圈开始的，这样如果磨损的时候将盲孔1打通，反光片4掉落，则可很精准的检测到，提高检测的灵敏度。

作为本实施例进一步的优选实施方式，所述透明堵头8材质为有机材料或石英。

本实施方式中采用透明的有机材料或者石英作为透明堵头8，其效果在于，其透明度较高，能够使激光两次穿过之后信号强度减弱很小，基本不影响激光信号的强度，并且硬度较大，不会发生变形，使得其与盲孔1的内壁紧密贴合，不会产生间隙，能够有效地防止泥土等杂质的进入，保护刀具内部结构的安全。

可替代地，透明堵头8还可以选取其他透明材质，其必须透明度较好，不会对激光信号的强度产生较大的减弱，并且具有较大的硬度，不产生变形，防止变形之后激光在穿过的时候发生扭曲。

作为本实施例进一步的优选实施方式，请参阅图2所述磁性待测物9为多个且沿刀毂2的圆周方向依次间隔排布。

在本实施方式中，将磁性待测物9设置为多个，且沿着圆周方向依次排布，这样设置的效果在于，同样能够提高磁力传感器10的灵敏度，在转动的时候加大了信号变化的频率，使其能够更好的对转动运行状态进行检测。提高了检测的效果。

作为本实施例进一步的优选实施方式，所述激光传感器5具有激光发射端和激光接收端，分别用于向对正的盲孔1内发射和接收激光信号。

在本实施方式中，采用同时具有激光发射端和激光接收端的激光传感器5，其效果在于，能够进一步地缩小器件的体积，因为刀具内部空间本身大小有限，这样可以进一步的节省占用空间。

可替代地，为了能够进一步的节省空间，可以选择较小体积的微型激光发射器。

作为本实施例进一步的优选实施方式，请参阅图1，还包括热电偶11，所述热电偶11设于轴套7上，用于检测刀具工作温度，所述热电偶11的信号输出端连接所述信号采集及控制系统。

本实施方式的有益效果在于，进一步设置了热电偶11，因为刀具在运行的过程中处于高温高压的环境中，温度是一个关系到刀具正常运行的重要参数，所以有必要在刀具上设置热电偶11来实时监测内部的温度状况，热电偶11的信号输出同样连接到信号采集及控制系统。温度高于正常值时可判断刀具磨损速度较快，并结合其他传感器一同作为判断依据。

可替代地，为了实现对温度的实时监测，可以设置其他设备，比例温度传感器等，凡是能够测量温度并能传输信号的设备，都在本实施例的保护范围之内。

作为本实施例进一步的优选实施方式，请参阅图1和图2所述激光传感器5和磁力传感器10设有外螺纹，且螺纹连接在轴套7的螺孔内，所述刀轴6为空心轴，并设有光孔，所述激光传感器5和磁力传感器10通过穿过光孔和刀轴6内腔的线体连接外部的信号采集及控制系统。

在本实施方式中，提供了激光传感器5和磁力传感器10的具体连接固定形式，两者均带有外螺纹，在轴套7上设有螺孔，两者通过螺纹连接固定，同时相应的位置还设有光孔，光孔和螺孔相对正，传感器固定好之后，传感器引出的线体则穿过光孔进入到刀轴6的内腔中，然后连接到外部的信号采集及控制系统。

与传统的刀轴6不同的是，本实施例的刀轴6为空心轴，以便安装传感器信号线等，且对滚刀整体结构强度影响不大。刀轴6上安装传感器对应位置上的光孔贯穿空心轴的壁厚，传感器的信号线等从传感器尾部引出穿过光孔，并通过空心轴内部延伸至外部。

本实施方式提供的连接形式的有益效果在于，具有更加简单且可靠的安装方式，相对运动的部件之间无导线连接，无需复杂的嵌入安装工艺，也无需蓝牙或无线信号，以应对盾构机滚刀极其恶劣的工作环境。

作为本实施例进一步的优选实施方式，所述盲孔1的孔底到所述刀圈3的最大外圈边缘的距离小于等于刀圈3的最大允许磨损量。

在本实施方式中，孔底到刀圈3外缘的距离不能大于最大允许磨损量，如果大于，则刀圈3在最大磨损的情况下，激光传感器5依然会收到信号，将无法做出判断，无法实现检测的效果。

作为本实施例进一步的优选实施方式，请参阅图1和图2所述盲孔1的孔底和刀圈3的最大外圈边缘之间通过螺杆12封堵。

在此需要说明的是盲孔1由刀毂2上的通透段和刀圈3上的盲段组成，两者相互对正形成盲孔1，孔底在盲段的底部。

盲段的开设方式为沿径向由刀圈3内圈向外钻至指定深度，使孔底部至刀圈3外缘的宽度为刀圈3工作时最大允许磨损量，反光片4贴在孔底部。

在本实施方式中，为使加工方式更加简化，盲段的加工可以采取以下形式，在刀圈3上开设通孔，并由刀圈3外缘向内攻螺纹，并拧入螺杆12且通过焊接或粘合等方式使螺杆12与刀圈3固连，螺杆12长度为刀圈3工作时最大允许磨损量，螺杆12靠近刀圈3內缘的端面上贴有反光片4。

本实施方式的有益效果在于，简化了加工方式，使其更易操作和加工。

作为本实施例进一步的优选实施方式，请参阅图2，所述磁性待测物9和盲孔1位于刀毂2内壁的同一圆周面上且相互间隔设置，所述磁力传感器10和激光传感器5间隔设于所述轴套7上且也位于所述同一圆周面上。需要说明的是，图1中两个传感器不在同一圆周面上，图2中的两个传感器在同一圆周面上。

本实施方式的有益效果在于，由于刀具内部的空间有限，为了进一步的节省空间，可以将磁性待测物9和盲孔1位于刀毂2内壁的同一圆周面上且相互间隔设置，同时磁力传感器10和激光传感器5间隔设于所述轴套7上且也位于所述同一圆周面上。

激光传感器5与磁力传感器10也可集成于一体，例如头部中间具有激光发射器与接收器，在其外缘具有磁力传感器10。

本发明具有的有益效果为：能够按需求对滚刀运行状态和磨损状态进行检测，且传感器主体安装于刀轴6及轴套7上，与刀毂2及刀圈3上的待检测无分离，相比于将传感器或电容电阻等部件安装于刀圈3内部的检测手段来说，本发明提供的检测系统具有更加简单且可靠的安装方式，相对运动的部件之间无导线连接，无需复杂的嵌入安装工艺，也无需蓝牙或无线信号，以应对盾构机滚刀极其恶劣的工作环境。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，包括：

盲孔，孔口开设于刀毂内壁处，并延伸至刀圈内；

反光片，设于所述盲孔的孔底；

激光传感器，设于刀轴的轴套上，用于向所述盲孔内发射激光信号并接收反射的激光信号；

透明堵头，设于所述盲孔靠近孔口的一端；

磁性待测物，设于刀毂内壁处；

磁力传感器，设于刀轴轴套上，用于检测所述磁性待测物；

加速度传感器，设于刀轴轴套上，用于监测刀具运行过程中的振动状态，以及

信号采集及控制系统，用于接收所述磁力传感器、激光传感器以及加速度传感器的信号，并控制刀具转动状态。

2.如权利要求1所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述盲孔为多个且沿刀毂和刀圈的圆周方向依次间隔排布，所述盲孔沿刀圈和刀毂的径向延伸且延长线经过所述刀圈的最大外圈边缘。

3.如权利要求1所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述透明堵头材质为有机材料或石英。

4.如权利要求1所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述磁性待测物为多个且沿刀毂的圆周方向依次间隔排布。

5.如权利要求1所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述激光传感器具有激光发射端和激光接收端，分别用于向对正的盲孔内发射和接收激光信号。

6.如权利要求1所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，还包括热电偶，所述热电偶设于轴套上，用于检测刀具工作温度，所述热电偶的信号输出端连接所述信号采集及控制系统。

7.如权利要求1所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述激光传感器和磁力传感器设有外螺纹，且螺纹连接在轴套的螺孔内，所述刀轴为空心轴，并设有光孔，所述激光传感器和磁力传感器通过穿过光孔和刀轴内腔的线体连接外部的信号采集及控制系统。

8.如权利要求2所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述盲孔的孔底到所述刀圈的最大外圈边缘的距离小于等于刀圈的最大允许磨损量。

9.如权利要求2所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述盲孔的孔底和刀圈的最大外圈边缘之间通过螺杆封堵。

10.如权利要求1所述的盾构机刀具在线检测装置，其特征在于，所述磁性待测物和盲孔位于刀毂内壁的同一圆周面上且相互间隔设置，所述磁力传感器和激光传感器间隔设于所述轴套上且也位于所述同一圆周面上。

Images