CN114017038B - 一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，包括顶部具有开口的刀箱和滚刀，滚刀的转动轴与刀箱的连接处设置有压电陶瓷基片，刀箱侧壁上设置有用于检测刀箱形变的光纤传感系统，刀箱底部设置有光纤信号解调仪和信号无线发射装置，信号无线发射装置与后方监控系统电性连接，本方案中刀箱变形是由于刀具异常磨损、脱落导致，光纤传感系统实时监测刀箱变形并传递至后方监控系统，进而分析刀具异常磨损或脱落情况，实现刀箱变形监测与刀具异常磨损预警功能。当刀箱出现变形速度加快或过度变形趋势时，对刀具进行检查和更换，避免因刀具过度磨损或脱落导致刀箱损坏，从而减少开仓时间，有效提升盾构掘进效率。

Description

一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统

技术领域

本发明涉及盾构机刀具磨损测量技术领域，特别是涉及一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统。

背景技术

随着我国城市化进程加快和盾构施工技术的不断成熟，盾构法施工由于其高效、环保、安全等技术优势，在我国城市地铁隧道建设中被广泛应用。滚刀作为盾构机掘进施工的重要组成部分，其破岩能力强弱直接影响盾构机掘进效率。然而，在硬岩、上软下硬、砂卵石等地层中，滚刀与岩石长期摩擦、磕碰，将发生不同程度的磨损。特别是刀盘中心附近滚刀，其行走半径较小，转动所需的启动扭矩偏大容易发生偏磨。当掌子面中心区域失去破岩能力后，掌子面反力集中分配在刀盘中心，中心滚刀承受较大反力，导致刀具、轴承崩裂和刀箱变形。

为保证盾构机正常掘进，定期开仓检查刀具磨损情况、换刀尤为重要。然而，刀具的异常磨损将使开仓频率增加，特别是滚刀发生严重偏磨、滚转受限，进而导致刀箱损坏的情况，为更换刀箱、刀具，开仓作业时间将大幅增加，不仅延误工期、增加资金投入，同时也增加了施工安全风险。为保证现场作业人员安全、盾构机掘进效率，需对关键位置刀具磨损情况及时掌控，防止刀具严重磨损、脱离，刀箱过度变形、损坏，降低开仓维修成本。目前，刀具、刀箱检查主要通过定期开仓、人工检查的手段，开仓时间主要根据刀具在不同地层磨耗标准和掘进参数而定，但该检查方法存在一下两点不足：

1.开仓检查作为刀具、刀箱磨损程度判定的重要手段，能获取直观、较准确的判定结果，但存在影响工期、加大成本等不利影响。

2.若开仓时机出现误判，刀具可能已发生严重磨损且数量较多，刀箱亦发生一定程度变形。刀具大量更换、刀箱修复，将使开仓作业时间增加，工期延误；同时，换刀人员带压作业时间增长，安全风险亦一定程度增加。

3.由于不能对刀具破岩过程中的工作状态进行动态评价，刀具判定磨损程度与实际程度易出现偏差，即刀具尚未达到使用极限而提前更换，刀具未能得到充分利用，增加不必要的开仓和换刀成本。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，解决了现有技术中频繁人工开仓检查刀具磨损、刀箱变形，而造成工期延误的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供了一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其包括顶部具有开口的刀箱和设置在刀箱内的滚刀，滚刀包括两侧与刀箱的两内侧壁转动连接的转动轴和设置在转动轴上的刀具，刀具部分位于刀箱开口的外部；

转动轴与刀箱的连接处设置有压电陶瓷基片；

刀箱侧壁上设置有用于检测刀箱形变的光纤传感系统，刀箱底部设置有与光纤传感系统电性连接的光纤信号解调仪，光纤信号解调仪通过导线与压电陶瓷片电性连接；

刀箱底部的对角两处均设置有一个与光纤信号解调仪电性连接的信号无线发射装置，每个信号无线发射装置均用于与后方监控系统电性连接。

本方案的基本原理为：根据盾构施工现场问题总结，盾构机在硬岩、上软下硬、砂卵石等地层中掘进过程中，滚刀与岩石长期摩擦、磕碰，将发生不同程度的磨损。其中，刀盘中心附近滚刀由于其行走半径较小，转动所需的启动扭矩偏大，更易发生异常磨损、崩裂；刀盘中心区域失去破岩能力，地层反力集中分配在刀盘中心；滚刀承受较大反力，导致滚刀螺栓崩裂和刀箱变形。从以上信息可知，刀箱变形是由于刀具异常磨损、脱落导致，本方案在刀箱表面布设光纤传感系统，实现对刀箱变形的实时监测；光纤信号解调仪用于接收光纤获取表征结构变形信息的光信号，并将光信号转换成电信号后，经信号无线发射装置将刀箱变形信息传送至后方监控系统，重构出刀箱变形情况；受盾构掘进时掌子面切削反力的影响，压电陶瓷基片受压，两端面会出现电压差，同时压电陶瓷基片可实现超薄设计，不仅可提高内部阵列频率，还能降低换能器阵列的损耗、提高器件的机械强度，从而降低驱动电压，满足光纤传感系统、光纤信号解调仪和信号无线发射装置的用电需求；刀箱变形信息由光纤传感系统获取，经由信号无线发射装置发送至后方监控系统，从而实现对刀箱变形程度的可视化重构；根据刀箱变形重构信息，分析、获取刀箱变形较大截面位置。由于刀箱破坏变形通常由刀具过度磨损导致，当发现刀箱某截面出现较大应力(或应变)且刀箱有破坏或大变形的趋势时，可判定刀箱内刀具发生较大程度的磨损，如不及时更换刀具，刀箱有破坏的风险，从而实现基于刀箱变形监测的刀具异常磨损预警。

进一步地，作为压电陶瓷基片的一种具体实施方式，压电陶瓷基片为薄饼圆环结构，转动轴穿过压电陶瓷基片与刀箱的内侧壁转动连接，压电陶瓷基片固定在刀箱的内侧壁上；转动轴的端面上设置有挤压圆柱台，挤压圆柱台的外径大于压电陶瓷基片的外径。

进一步地，挤压圆柱台的端面与压电陶瓷基片的端面抵紧接触。在盾构机掘进过程中，由于盾构掘进时刀盘与掌子面的切削作用，使得转动轴发生轴向位移，转动轴带动挤压圆柱台持续反复挤压压电陶瓷基片，使得压电陶瓷基片产生持续电流，为光纤传感系统、光纤信号解调仪和信号无线发射装置持续提供电能，便于实时监测刀箱的变形情况。

优选地，作为另外一种间歇监测刀箱变形模式，挤压圆柱台的端面与压电陶瓷基片的端面设置有间隙，刀具过度磨损、刀箱变形，会导致刀具受力增大，过大的切向力使得刀具沿着轴承方向出现较大位移，故提前设置空隙，与正常受载导致的轴向变形区分。由于刀具正常受载时，其沿轴承方向变形较小，挤压圆柱台不与压电陶瓷基片的端面接触，压电陶瓷基片不受挤压，不提供电能，整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统处于关机状态，表明刀箱和刀具的变形量不大，刀具的磨损程度小，不需要更换刀具；当刀箱出现较大应力(或应变)且有破坏或大变形时，转动轴发生较大轴向位移，抵消间隙，带动挤压圆柱台持续反复挤压压电陶瓷基片，压电陶瓷基片受挤压，为整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统提供电能，整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统处于开机工作状态，并通过光纤传感系统对刀箱变形的监测，经信号无线发射装置将刀箱变形信息传送至后方监控系统，后方监控系统接收到刀箱的变形信息，当发现刀箱某截面出现较大应力(或应变)且刀箱有破坏或大变形的趋势时，可判定刀箱内刀具发生较大程度的磨损，如不及时更换刀具，刀箱有破坏的风险，从而实现基于刀箱变形监测的刀具异常磨损预警。

进一步地，作为光纤传感系统的一种具体实施方式，光纤传感系统包括多圈相互独立的分布式光纤，刀箱侧壁表面由上至下间隔均匀设置有多圈相互平行的分布式光纤，每圈分布式光纤所在的平面均与刀箱的上端面和下端面平行，每圈分布式光纤均与光纤信号解调仪电性连接，多圈分布式光纤的设置可以多方位的监测刀箱四侧壁的形变量，提高刀箱变形监测与刀具异常磨损预警的准确性。

进一步地，为防止盾构机掘进过程中刀箱与刀盘缝隙间的岩石碎渣破坏分布式光纤，刀箱侧壁表面设置有数量与多圈分布式光纤数量相同的环形槽，每个环形槽内均设置有一圈分布式光纤，每个环形槽的开口处均涂覆有一层用于将分布式光纤密封至环形槽内的保护涂层，保护涂层的材料为透明涂覆材料，保护涂层保护分布式光纤不被破坏，提高整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统的可靠性。

进一步地，作为光纤信号解调仪的一种具体实施方式，光纤信号解调仪上设置有光纤信号指示灯、与压电陶瓷基片电性连接的电源接口、与光纤传感系统电性连接的信号接口和与信号无线发射装置电性连接的传输接口。

本发明的有益效果为：1、本方案中刀箱变形是由于刀具异常磨损、脱落导致，光纤传感系统实时监测刀箱变形并传递至后方监控系统，进而分析刀具异常磨损或脱落情况，实现刀箱变形监测与刀具异常磨损预警功能。当发现刀箱某截面出现较大应力(或应变)且刀箱有破坏或大变形的趋势时，可判定刀箱内刀具发生较大程度的磨损，如不及时更换刀具，刀箱有破坏的风险，从而实现基于刀箱变形监测的刀具异常磨损预警。避免因刀具过度磨损或脱落导致刀箱损坏，实现提前选取开仓换刀时机、减少开仓次数与工作时间，有效提升盾构掘进效率。

2、本方案通过压电陶瓷基片受压发电，满足光纤传感系统、光纤信号解调仪和信号无线发射装置的用电需求，使能源更加充分利用。

附图说明

图1为一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统的结构示意图。

图2为分布式光纤设置在环形槽内的结构示意图。

图3为刀箱的底部结构示意图。

图4为光纤信号解调仪的结构示意图。

图5为压电陶瓷基片布置在刀箱内的结构示意图。

其中，1、刀箱；2、滚刀；3、转动轴；4、压电陶瓷基片；5、光纤传感系统；501、分布式光纤；6、光纤信号解调仪；601、光纤信号指示灯；602、电源接口；603、信号接入口；604、传输接口；7、信号无线发射装置；8、挤压圆柱台；9、环形槽；10、保护涂层。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～图5所示，本发明提供了一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其包括顶部具有开口的刀箱1和设置在刀箱1内的滚刀2，滚刀2包括两侧与刀箱1的两内侧壁转动连接的转动轴3和设置在转动轴3上的刀具，刀具部分位于刀箱1开口的外部。

转动轴3与刀箱1的连接处设置有压电陶瓷基片4。

刀箱1侧壁上设置有用于检测刀箱1形变的光纤传感系统5，刀箱1底部设置有与光纤传感系统5电性连接的光纤信号解调仪6，光纤信号解调仪6通过导线与压电陶瓷片电性连接。

刀箱1底部的对角两处均设置有一个与光纤信号解调仪6电性连接的信号无线发射装置7，每个信号无线发射装置7均用于与后方监控系统电性连接。

作为光纤信号解调仪6的一种具体实施方式，光纤信号解调仪6上设置有光纤信号指示灯601、与压电陶瓷基片4电性连接的电源接口602、与光纤传感系统5电性连接的信号接入口603和与信号无线发射装置7电性连接的传输接口604。光纤信号解调仪6可以选用型号为FISO光纤信号解调器。

由于盾构掘进过程中，刀具始终处于转动状态，同时考虑到刀盘后方渣土等影响，采用信号无线发射装置7可有效避免线路打结，同时解决了因刀具转动无法布线的难题，从而提升该预警装置的可靠性。

作为压电陶瓷基片4的一种具体实施方式，压电陶瓷基片4为薄饼圆环结构，转动轴3穿过压电陶瓷基片4与刀箱1的内侧壁转动连接，压电陶瓷基片4固定在刀箱1的内侧壁上；转动轴3的端面上设置有挤压圆柱台8，挤压圆柱台8的外径大于压电陶瓷基片4的外径。

压电陶瓷基片4端面与挤压圆柱台8的端面的设置状态有两种，一种为挤压圆柱台8的端面与压电陶瓷基片4的端面抵紧接触，在盾构机掘进过程中，由于盾构掘进时刀盘与掌子面的挤压作用，使得转动轴3发生轴向位移，转动轴3带动挤压圆柱台8持续反复挤压压电陶瓷基片4，使得压电陶瓷基片4产生持续电流，为光纤传感系统5、光纤信号解调仪6和信号无线发射装置7持续提供电能，便于实时监测刀箱1的变形情况。

另一种为挤压圆柱台8的端面与压电陶瓷基片4的端面设置有间隙，刀具过度磨损、刀箱1变形，会导致刀具受力增大，过大的切向力使得刀具沿着轴承方向出现较大位移，故提前设置空隙，与正常受载导致的轴向变形区分；在刀箱1或者刀具的转动轴3变形很小的情况下，挤压圆柱台8不与压电陶瓷基片4的端面接触，压电陶瓷基片4不受挤压，不提供电能，整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统处于关机状态，表明刀箱1和刀具的变形量不大，刀具的磨损程度小，不需要更换刀具；当刀箱1出现较大应力(或应变)且有破坏或大变形趋势，转动轴3会发生轴向位移，抵消间隙，带动挤压圆柱台8持续反复挤压压电陶瓷基片4，压电陶瓷基片4受挤压，为整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统提供电能，整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统处于开机工作状态，并通过光纤传感系统5对刀箱1变形的监测，经信号无线发射装置7将刀箱1变形信息传送至后方监控系统，后方监控系统接收到刀箱1的变形信息，刀具大概率出现严重磨损或脱离，从而实现刀具异常磨损预警。

作为光纤传感系统5的一种具体实施方式，光纤传感系统5包括在刀箱1侧壁表面由上至下间隔均匀设置的多圈相互平行的分布式光纤501，相邻两圈分布式光纤501相互平行，每圈分布式光纤501所在的平面均与刀箱1的上端面和下端面平行，多圈分布式光纤501的设置可以多方位的检测刀箱1四侧壁的形变量，提高刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统的准确性。分布式光纤501的型号可以为HKS-S400分布式光纤501埋入式应变传感器。

为防止盾构机掘进过程中刀箱1与刀盘缝隙间的岩石碎渣破坏分布式光纤501，刀箱1侧壁表面设置有数量与多圈分布式光纤501数量相同的环形槽9，每个环形槽9内均设置有一圈分布式光纤501，每个环形槽9的开口处均涂覆有一层用于将分布式光纤501密封至环形槽9内的保护涂层10，保护涂层10的材料为透明涂覆材料，保护涂层10保护分布式光纤501不被破坏，提高整个刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统的可靠性。

本方案的基本原理为：根据盾构施工现场问题总结，盾构机在硬岩、上软下硬、砂卵石等地层中掘进过程中，滚刀2与岩石长期摩擦、磕碰，将发生不同程度的磨损。其中，刀盘中心附近滚刀2由于其行走半径较小，转动所需的启动扭矩偏大，更易发生崩裂、异常磨损；刀盘中心区域失去破岩能力，地层反力集中分配在刀盘中心；滚刀2承受较大切削反力，导致滚刀2螺栓崩裂和刀箱1变形。从以上信息可知，刀箱1变形是由于刀具异常磨损、脱落导致，本方案在刀箱1表面布设光纤传感系统5，实现对刀箱1变形的实时监测；光纤信号解调仪6用于接受光纤传感系统5的光信号，并将光信号转换成电信号后，经信号无线发射装置7将刀箱1变形信息传送至后方监控系统，重构出刀箱1变形情况；受盾构掘进时掌子面切削反力的影响，压电陶瓷基片4受压，两端面会出现电压差，同时压电陶瓷基片4可实现超薄设计，不仅可提高内部阵列频率，还能降低换能器阵列的损耗、提高器件的机械强度，从而降低驱动电压，满足光纤传感系统5、光纤信号解调仪6和信号无线发射装置7的用电需求；刀箱1变形信息由分布式光纤501传感器获取，经由信号无线发射装置7发送至后方监控系统，从而实现对刀箱1变形程度的可视化重构；根据刀箱1变形重构信息，分析、获取刀箱1变形较大截面位置。由于刀箱1破坏变形通常由刀具过度磨损导致，当发现刀箱1某截面出现较大应力(或应变)且刀箱1有破坏或大变形的趋势时，可判定刀箱1内刀具发生较大程度的磨损，如不及时更换刀具，刀箱1有破坏的风险，从而实现基于刀箱1变形监测的刀具异常磨损预警。

综上所述，本方案中刀箱1变形是由于刀具异常磨损、脱落导致，光纤传感系统5实时监测刀箱1变形并传递至后方监控系统，进而分析刀具异常磨损或脱落情况，实现刀箱1变形监测与刀具异常磨损预警功能。当刀箱1出现变形速度加快或过度变形趋势时，对刀具进行检查和更换，避免因刀具过度磨损或脱落导致刀箱1损坏，从而减少开仓时间，有效提升盾构掘进效率。通过压电陶瓷基片4受压发电，满足光纤传感系统5、光纤信号解调仪6和信号无线发射装置7的用电需求，使能源更加充分利用。

Claims (6)

1.一种刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其特征在于，包括顶部具有开口的刀箱和设置在所述刀箱内的滚刀，所述滚刀包括两侧与所述刀箱的两内侧壁转动连接的转动轴和设置在所述转动轴上的刀具，刀具部分位于刀箱开口的外部；

转动轴与刀箱的连接处设置有压电陶瓷基片；

刀箱侧壁上设置有用于检测刀箱形变的光纤传感系统，刀箱底部设置有与光纤传感系统电性连接的光纤信号解调仪，所述光纤信号解调仪通过导线与所述压电陶瓷基片电性连接；

刀箱底部的对角两处均设置有一个与光纤信号解调仪电性连接的信号无线发射装置，每个所述信号无线发射装置均用于与后方监控系统电性连接；

所述压电陶瓷基片为薄饼圆环结构，所述转动轴穿过压电陶瓷基片与所述刀箱的内侧壁转动连接，压电陶瓷基片固定在刀箱的内侧壁上；转动轴的端面上设置有挤压圆柱台，所述挤压圆柱台的外径大于压电陶瓷基片的外径。

2.根据权利要求1所述的刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其特征在于，所述挤压圆柱台的端面与所述压电陶瓷基片的端面抵紧接触。

3.根据权利要求1所述的刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其特征在于，所述挤压圆柱台的端面与所述压电陶瓷基片的端面设置有间隙。

4.根据权利要求1所述的刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其特征在于，所述光纤传感系统包括多圈相互独立的分布式光纤，所述刀箱侧壁表面由上至下间隔均匀设置有多圈所述分布式光纤，相邻两圈分布式光纤相互平行，每圈分布式光纤所在的平面均与刀箱的上端面和下端面平行；每圈分布式光纤均与所述光纤信号解调仪电性连接。

5.根据权利要求4所述的刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其特征在于，所述刀箱侧壁表面设置有数量与多圈所述分布式光纤数量相同的环形槽，每个所述环形槽内均设置有一圈分布式光纤，每个所述环形槽的开口处均涂覆有一层用于将分布式光纤密封至环形槽内的保护涂层，所述保护涂层的材料为透明涂覆材料。

6.根据权利要求1所述的刀箱变形监测与刀具异常磨损预警系统，其特征在于，所述光纤信号解调仪上设置有光纤信号指示灯、与所述压电陶瓷基片电性连接的电源接口、与所述光纤传感系统电性连接的信号接入口和与所述信号无线发射装置电性连接的传输接口。