CN114755445A - 一种盾构机刀盘旋转状态集成监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种盾构机刀盘旋转状态集成监测系统及方法，包括刀盘、具有齿圈的主驱动轴承、轮齿接近开关、零点标记接近开关、数据采集单元、数据分析单元；所述主驱动轴承紧固在刀盘上同步转动，且所述主驱动轴承在端面设有旋转零点标记，所述轮齿接近开关面对主驱动轴承的轮齿，所述零点标记接近开关面对旋转零点标记，所述轮齿接近开关和零点标记接近开关分别与数据采集单元连接后与数据分析单元相连。本发明功能集成度较高，可以在一个监测系统内同时实现盾构机刀盘转速、转数及转角的全系测量，有利于实现盾构机系统的集约化设计；设备结构简单小巧，在不改变盾构机主体结构的前提下即可安装实施，且便于安装和维护。

Description

一种盾构机刀盘旋转状态集成监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种盾构机，尤其涉及一种盾构机刀盘。

背景技术

盾构机在掘进过程中主要依靠刀盘来切削掌子面土体，刀盘的旋转状态直接反映着盾构机的工作状态，因此刀盘的旋转状态需要被有效地监测。

刀盘转速作为盾构机刀盘旋转状态最重要的参数，直接决定盾构机掘进的效率。盾构机操作手根据隧道土体性质的不同，分别设定相应的刀盘转速（软岩低转速、硬岩高转速），以期得到最优的开挖效率。

随着盾构施工技术的不断发展，工程市场对盾构设备的功能也提出了新的要求，比如实现盾构机刀盘在特定圆周方向/角度的扩挖，或是实现地质钻机穿越刀盘进行隧道前方土体的勘探等，这些功能的实现均离不开刀盘旋转角度的准确监测。

此外，为了确保盾构机的工程适应性及运转时的安全可靠性，盾构机制造方和使用方均需要准确了解盾构机关键核心部件-主轴承的剩余使用寿命。在主轴承设计之初，其允许使用寿命为一定值且该数值通过主轴承允许旋转总圈数来表示。盾构机在运转时，其主轴承每旋转一圈，该主轴承的剩余使用寿命就减少一圈。因此可以通过监测主轴承的已旋转圈数来判定主轴承的剩余使用寿命，从而避免盾构机关键核心部件的超寿命运转，最终提高盾构施工的安全性。

发明内容

发明目的：提供一种能够同时监测盾构机刀盘转速、转数及转角的盾构机刀盘旋转状态集成监测系统及方法。

技术方案：一种盾构机刀盘旋转状态集成监测系统，包括刀盘、具有齿圈的主驱动轴承、轮齿接近开关、零点标记接近开关、数据采集单元、数据分析单元；所述主驱动轴承紧固在刀盘上同步转动，且所述主驱动轴承在端面设有旋转零点标记，所述轮齿接近开关面对主驱动轴承的轮齿，所述零点标记接近开关面对旋转零点标记，所述轮齿接近开关和零点标记接近开关分别与数据采集单元连接后与数据分析单元相连。

进一步，所述主驱动轴承的齿圈设置在轴承的内圈或外圈。

进一步，所述轮齿接近开关和零点标记开关设置在面对主驱动轴承的同一径向上。

进一步，所述轮齿接近开关和零点标记接近开关安装在同一个安装支架内。

一种盾构机刀盘旋转状态集成监测方法，主驱动轴承在跟随刀盘转动的过程中，每旋转一周，零点标记接近开关监测到一次旋转零点标记，感应并输出一个高电平信号；每旋转一个轮齿，轮齿接近开关感应并输出一个高电平信号，随着轮齿和齿槽的交替旋转经过，轮齿接近开关交替输出相应的高、低电平信号；零点标记接近开关和轮齿接近开关输出的感应信号被数据采集单元持续采集并传输到数据分析单元中对刀盘的转速、转数及转角进行计算。

进一步，刀盘的转速v等于主驱动轴承的旋转速度，通过轮齿接近开关在一分钟内监测到的轮齿数量a除以主驱动轴承总的轮齿数Z即可得到，其中，轮齿接近开关在一分钟内监测到的轮齿数量a即一分钟内轮齿接近开关输出的高电平信号数量a，有v=a/Z。

进一步，刀盘的总旋转圈数n等于主驱动轴承的总旋转圈数，通过在设定时间内零点标记接近开关监测到的零点标记次数b得到，即零点标记接近开关输出的高电平信号数量b，有n=b。

更进一步，设定刀盘正转或反转后，可得到刀盘正转圈数计数n1和刀盘反转圈数计数n2。

进一步，刀盘上特定结构或功能组件的圆周旋转角度θ，等于特定结构或功能组件相对于旋转零点标记的初始安装角度α加上主驱动轴承的旋转角度β，有θ=α+β；所述特定结构包括超前钻探孔，所述功能组件包括扩挖刀；

其中，以旋转零点标记处为齿数计数清零点，之后在一周旋转范围内，有主驱动轴承多次通过轮齿接近开关的齿数总和x，即轮齿接近开关在一周内输出的高电平次数x，故β=(x×360°)/Z,当刀盘旋转方向与α角方向相同时，x计为正值，反之x计为负值。

由以上本发明的方案可见，本发明的显著优点在于：

本发明通过在盾构机主驱动部位设置轴承齿圈的旋转状态监测装置，再结合轴承与盾构机刀盘的同步旋转关系，可以得出盾构机刀盘的旋转状态参数（转速、转数、转角）。

本发明可以实现刀盘转速的实时监测，该转速监测值可以实时反馈至盾构机操作室，并指导盾构机操作手据此选择合适的刀盘转速；同时可以实现刀盘旋转角度的实时监测，盾构机操作手可以据此判定刀盘上特定功能部件（如扩挖刀）的周向位置，通过控制超挖刀在特定周向角度的伸缩，实现盾构机刀盘在特定角度范围的超挖，即盾构机的仿形开挖功能；此外，可以实现刀盘旋转角度的实时监测，盾构机操作手可以据此判定刀盘上特定功能孔（如超前钻探孔）的周向位置，通过控制刀盘与盾体隔板上的超前钻探孔相重合，可以实现操作人员在盾体内进行刀盘前方的地质勘探；最后，可以实现刀盘旋转圈数的统计，也相当于可以实现盾构机主轴承已旋转圈数的统计，该统计数值可以指导盾构技术人员判定盾构机主轴承的剩余使用寿命，从而提高盾构施工的安全性和可靠性。

因此，本发明功能集成度较高，可以在一个监测系统内同时实现盾构机刀盘转速、转数及转角的全系测量，有利于实现盾构机系统的集约化设计；设备结构简单小巧，在不改变盾构机主体结构的前提下即可安装实施，且便于安装和维护；经实践验证系统运行可靠，各项监测参数（刀盘转速、转数及转角）结果误差小，满足盾构施工需要，对盾构施工有着很强的指导意义。

附图说明

图1为本发明监测系统的结构示意图；

图2为主驱动大齿圈的结构示意图；

图3为轮齿接近开关和零点标记接近开关输出信号示意图；

图4为刀盘上特定结构圆周旋转角度示意图。

具体实施方式

一种盾构机刀盘旋转状态集成监测系统，如图1所示，包括刀盘1、主驱动轴承2、轮齿接近开关4、零点标记接近开关5、数据采集单元7、数据分析单元8、显示单元9。

主驱动轴承2通过高强度螺栓紧固在刀盘1的轴颈上，主驱动轴承2是一个内圈带有固定数量轮齿21和齿槽22的大直径齿圈，如图2所示，主驱动轴承2上的轮齿21数根据功能要求提前设定，比如设定大齿圈2上的轮齿21数量为Z，同理大齿圈2上的齿槽数量也为Z。

由于盾构机刀盘1位于泥水仓直接被泥渣包裹，其工作环境较为恶劣，因此不适用于直接在刀盘1部位安装旋转状态监测装置。根据盾构机刀盘1与主驱动的结构关系可知，主驱动轴承2的旋转状态与刀盘1的旋转状态相同，因此可以通过监测大齿圈2的旋转状态参数（转速、转角、转数）来反映盾构机刀盘1的旋转状态参数（转速、转角、转数）。

为了便于判定主驱动轴承2的相对旋转角度和大齿圈2旋转圈数的计数，在主驱动轴承2的端面轮齿上设置一个旋转零点标记3。轮齿接近开关4和零点标记接近开关5同时安装在一个安装支架6内，该安装支架6位一个带有法兰边的筒形结构，固定在主驱动结构箱体上，筒底设有两个安装孔，分别对应安装轮齿接近开关4和零点标记接近开关5，轮齿接近开关4和零点标记接近开关5设置在面对主驱动轴承2的同一径向上。在主驱动轴承2的某静止瞬间，轮齿接近开关4面对主驱动轴承2的某一轮齿21，零点标记接近开关5面对旋转零点标记3。

主驱动轴承2每旋转一个轮齿21，轮齿接近开关4便感应并输出一个高电平信号，随着轮齿21和齿槽的交替旋转经过，轮齿接近开关4便交替输出相应的高、低电平信号，如图3上图所示。零点标记接近开关5用来监测主驱动轴承2的旋转零点标记3，主驱动轴承2每转一圈，零点标记接近开关5便会感应并输出一个高电平信号，如图3下图所示。

轮齿接近开关4和零点标记接近开关5分别与数据采集单元7相连，数据采集单元7连接数据分析单元8和显示单元9。数据采集单元7持续采集接近开关输出的感应信号，数据分析单元8对数据进行计算，最终将刀盘1旋转状态参数显示在显示单元9中，通过可视化模型和直观数据的方式进行展示。

根据盾构机刀盘1与主驱动轴承2的连接结构关系可知：

刀盘1的转速v等于主驱动轴承2的旋转速度，轮齿接近开关4在一分钟内监测到的轮齿21数量a除以大齿圈2总的轮齿21数Z即可得到，其中a即大齿圈2轮齿接近开关4输出的高电平信号数量a，有v=a/Z，单位r/min。

刀盘1的总旋转圈数n等于主驱动轴承2的总旋转圈数，通过在设定时间内零点标记接近开关5监测到的旋转零点标记3次数b得到，即零点标记接近开关5输出的高电平信号数量b，有n=b，单位为r。

结合盾构机操作手选择刀盘1正转或反转的特性，数据分析单元8可以将刀盘1总旋转圈数n分化为刀盘1正转圈数计数n1和刀盘1反转圈数计数n2，从而为盾构施工提供更有利的数据指导。

刀盘1上特定结构（如超前钻探孔）或功能组件（如扩挖刀10）的圆周旋转角度θ，等于特定结构或功能组件相对于旋转零点标记3的初始安装角度α加上主驱动轴承2的旋转角度β，有θ=α+β，如图4所示。其中，α为刀盘1结构设计时确定的固定值；对于β，旋转零点标记3处为齿数计数清零点，之后在一周旋转范围内，主驱动轴承2多次通过轮齿接近开关4的齿数总和x，即轮齿接近开关4在一周内输出的高电平次数x，有β=(x×360°)/Z,当刀盘1旋转方向与α角方向相同时，x计为正值，反之x计为负值。

Claims (9)

1.一种盾构机刀盘旋转状态集成监测系统，其特征在于，包括刀盘、具有齿圈的主驱动轴承、轮齿接近开关、零点标记接近开关、数据采集单元、数据分析单元；所述主驱动轴承紧固在刀盘上同步转动，且所述主驱动轴承在端面设有旋转零点标记，所述轮齿接近开关面对主驱动轴承的轮齿，所述零点标记接近开关面对旋转零点标记，所述轮齿接近开关和零点标记接近开关分别与数据采集单元连接后与数据分析单元相连。

2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测系统，其特征在于，所述主驱动轴承的齿圈设置在轴承的内圈或外圈。

3.根据权利要求1所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测系统，其特征在于，所述轮齿接近开关和零点标记开关设置在面对主驱动轴承的同一径向上。

4.根据权利要求1或3所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测系统，其特征在于，所述轮齿接近开关和零点标记接近开关安装在同一个安装支架内。

5.根据权利要求1所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测方法，其特征在于：主驱动轴承在跟随刀盘转动的过程中，每旋转一周，零点标记接近开关监测到一次旋转零点标记，感应并输出一个高电平信号；每旋转一个轮齿，轮齿接近开关感应并输出一个高电平信号，随着轮齿和齿槽的交替旋转经过，轮齿接近开关交替输出相应的高、低电平信号；零点标记接近开关和轮齿接近开关输出的感应信号被数据采集单元持续采集并传输到数据分析单元中对刀盘的转速、转数及转角进行计算。

6.根据权利要求5所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测方法，其特征在于：刀盘的转速v等于主驱动轴承的旋转速度，通过轮齿接近开关在一分钟内监测到的轮齿数量a除以主驱动轴承总的轮齿数Z即可得到，其中，轮齿接近开关在一分钟内监测到的轮齿数量a即一分钟内轮齿接近开关输出的高电平信号数量a，有v=a/Z。

7.根据权利要求5所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测方法，其特征在于：刀盘的总旋转圈数n等于主驱动轴承的总旋转圈数，通过在设定时间内零点标记接近开关监测到的零点标记次数b得到，即零点标记接近开关输出的高电平信号数量b，有n=b。

8.根据权利要求7所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测方法，其特征在于：设定刀盘正转或反转后，可得到刀盘正转圈数计数n1和刀盘反转圈数计数n2。

9.根据权利要求6所述的盾构机刀盘旋转状态集成监测方法，其特征在于：刀盘上特定结构或功能组件的圆周旋转角度θ，等于特定结构或功能组件相对于旋转零点标记的初始安装角度α加上主驱动轴承的旋转角度β，有θ=α+β；所述特定结构包括超前钻探孔，所述功能组件包括扩挖刀；

其中，以旋转零点标记处为齿数计数清零点，之后在一周旋转范围内，有主驱动轴承多次通过轮齿接近开关的齿数总和x，即轮齿接近开关在一周内输出的高电平次数x，故β=(x×360°)/Z,当刀盘旋转方向与α角方向相同时，x计为正值，反之x计为负值。

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