CN115277792B - 刀具及其磨损在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刀具及其磨损在线监测装置，该装置包括由N个阻值相等的电阻串联构成的检测支路、测量支路、监测端和电源模块；检测支路与电源模块的输出端电性连接，测量支路并联于检测支路的两端，测量支路与所述监测端通信连接，测量支路采用无线传能以及无线+有线信号传输；检测支路中每个电阻的两端均短接，且N个电阻的短接线依次沿刀头前端铺设；监测端用于根据测量支路的测量值计算磨损量。本发明采用N个阻值相等的电阻串联构成检测支路，使刀头的磨损量与检测支路的输出电压呈线性关系，提高了磨损检测精度，计算更为简单；无线传能线圈采用非对称布置，提高了传能效率；采用无线+有线信号传输方式，提高了信号传输质量。
Description
技术领域
本发明属于刀具磨损监测技术，尤其涉及一种刀具及其磨损在线监测装置。
背景技术
在TBM实际掘进过程中，刀具磨损会严重引起掘进速度下降、掘进效率降低等问题，更严重可能会导致工程事故。由于刀具安装在TBM或盾构的最前方，在施工过程中不易直接观察刀具的磨损情况，并且直接观察刀具磨损的风险较大，因此刀具磨损是掘进机设计、制造、施工中的研究重点之一。
目前，国内外学者对刀具磨损进行了大量的研究，研究内容包括刀具磨损检测方法、刀具寿命预测、刀具磨损与掘进参数相关性研究、刀具磨损仿真方法等。
刀具磨损状态直接影响TBM破岩效率和掘进状态。然而TBM刀具破岩工作环境恶劣，目前存在的检测方法有直接检测方法，具体包括：开舱检测法、异味添加剂、液压检测法、超声波检测法、电阻传感器检测法、电涡流检测法等；间接检测法，具体包括腐蚀性试验分析法、掘进参数分析法、岩渣形状分析法等。其中，电阻传感器检测法应用较广，电阻传感器检测法是指在刀具内部布置电阻棒，刀具磨损时，电阻棒也会随之磨损，从而引起阻值改变，最终通过测量电阻棒的阻值，计算刀具磨损量，即可监测刀具的磨损情况。电阻传感器检测法一般采用电阻并联法，随着并联电阻数量增加，分辨率减小，误差变大，导致并联的级数受到限制，可参见名称为“基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置”的专利文献（申请公布号为CN102288099A），设计电阻排式刀具磨损传感器，内嵌于盾构机的刀具内，与刀具同时磨损，从而实现刀具磨损的监测。
在各类直接检测法中，开舱检测法、异味添加剂和液压检测法均无法实现刀具磨损的实时监测；超声波检测法和电涡流检测法所用的传感器虽然精密，仍需施工现场搭载试验的验证；采用电阻传感器法的检测电路中，电阻一般采用并联形式，磨损与传感器检测数据呈非线性关系，测量精度有待提升。在各类间接监测法中，腐蚀性试验分析法、掘进参数分法和岩渣形状分析法无法得到刀具磨损的直接结果，需要通过刀具磨损与掘进参数、岩渣形状、腐蚀性指标等参数之间的关系反推或预测磨损情况，这种方法存在滞后性和不确定性，无法实时指导施工。
用于隧道掘进机的开采工具的内部结构还需进一步改善。首先，刀具工作在带压环境中，电气系统安装在常压环境内，两者之间不可避免的需要电缆进行电气连接，需要进行承压，承压装置一旦失效，换刀时压力将会泄漏，泥浆、渣土等物质进入中心仓，对工作人员造成极大威胁，例如一种软土刀具及盾构机（申请号为202111180663.2），其中，刀头和刀筒的内腔之间通过非金属承压密封隔绝，可以解决上述问题，但是金属承压块的结构及性能还存在优化空间。其次，刀具和电气系统分别在带压和常压的工作环境，有必要将两者隔绝，但是这带来的难题是集成在刀具上的磨损传感器需要以无线传能和无线传输的形式从电气系统获取电能和发送、接收信号，例如一种用于隧道掘进机的开采工具和隧道掘进机（申请号为201820392592.X），其中，线路装置在刀具头和工具架之间具有无线的无插头的耦联模块，其构造具有接口和电感的耦联件，该接口具有相互间隔的发射/接收元件，用于连接至一个磨损传感器或者每个传感器的电气线路和控制磨损状态指令的模块，实现两者之间的无线传能及传输功能，但是传能效率和传输质量还有待提升。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种刀具及其磨损在线监测装置，以解决传统技术中存在监测准确度低、安装操作复杂和传能效率低的问题。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种刀具磨损在线监测装置，包括由N个阻值相等的电阻串联构成的检测支路、测量支路、监测端和电源模块；所述检测支路与电源模块的输出端电性连接，所述测量支路并联于所述检测支路的两端，所述测量支路与所述监测端通信连接；所述检测支路中每个电阻的两端均短接，且N个电阻的短接线依次沿刀头前端铺设；所述监测端用于根据所述测量支路的测量值计算磨损量；每个所述电阻的短接线长度相等；所述磨损量的计算公式为：
其中，
为磨损量，
为每段短接线长度，
为通过检测支路的电流，
为单个电阻的阻值，
为测量支路测得的检测支路两端的电压值，
为向上取整符号；
进一步地，所述电源模块包括供电端、无线能量发送模块和无线能量接收模块；所述供电端
与无线能量发送模块电性连接，所述无线能量接收模块与所述检测支路电性连接。
所述无线能量发送模块用于将供电端输出的电能转换成磁能，所述无线能量接收模块用于接收无线能量发送模块发出的磁能并转换成电能，为检测支路和测量支路供电。
优选地，所述无线能量发送模块为第一传能线圈，所述无线能量接收模块为第二传能线圈，且所述第一传能线圈与所述第二传能线圈非对称布置，提高了传能效率。
进一步地，所述无线能量接收模块设于第一壳体内，且所述第一壳体位于刀具刀头与刀筒之间，用于将刀头与刀筒内腔密封隔绝，并对无线能量接收模块起到保护作用。
进一步地，所述供电端包括电池盒、设于所述电池盒内的供电电池以及电池支架；所述电池盒设于所述电池支架上，所述供电电池与所述无线能量发送模块电性连接。
进一步地，所述测量支路通过第二无线收发模块、第一无线收发模块、发射盒与所述监测端通信连接；所述第二无线收发模块与第一无线收发模块以无线方式通信，所述第一无线收发模块与发射盒以有线方式通信；所述发射盒与所述监测端以无线方式通信；
所述第二无线收发模块设于第一壳体内，且所述第一壳体位于刀具刀头与刀筒之间。
优选地，所述发射盒固设于供电端的电池支架上。
进一步地，在所述刀具的刀筒内设有刀杆，所述刀杆依次包括探测杆、延长杆和安装座；所述探测杆靠近所述刀具的刀头，且所述电源模块的无线能量发送模块和所述第一无线收发模块均设于所述探测杆内；所述延长杆用于铺设有线线路；所述电源模块中供电端的电池支架设于所述安装座上。
进一步地，在所述探测杆与延长杆的连接处、延长杆与安装座的连接处均设有卡座，通过所述卡座将所述刀杆安装于所述刀筒内，保证了刀杆的安装稳固性和安装精度；
在探测杆靠近所述刀头的一端设有保护罩，保护罩防止刀杆内部渗水，对无线能量发送模块和第一无线收发模块、各种有线线路起到防水密封作用。
进一步地，所述装置还包括温度感应模块，所述温度感应模块设于刀头内且与所述监测端通信连接，所述监测端还用于根据温度感应模块反馈的温度信号判断刀头结泥饼情况。
基于同一发明构思，本发明还提供一种刀具，包括如上所述刀具磨损在线监测装置。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所提供的一种刀具及其磨损在线监测装置，采用N个阻值相等的电阻串联构成检测支路，使刀头的磨损量与检测支路的输出电压呈线性关系，提高了磨损检测精度，计算更为简单；
采用无线传能方式供电，且无线能量发送模块和无线能量接收模块非对称布置，大大提高了传能效率，降低了传能线圈安装精度要求，同时无线能量接收模块和第二无线收发模块均设于第一壳体内，第一壳体将刀头与刀筒的内腔密封隔绝，可将带压环境（即刀头）和常压环境（即刀筒）内的模块完全分开，使常压换刀操作简单方便，并且通过第一壳体承受来自泥水仓的压力，有效保证了中心仓作业人员的人身安全；
无线能量发送模块、第一无线收发模块、各种有线线路均设于刀杆内，且供电端设于刀杆的安装座上，通过刀杆实现磨损在线监测装置部分模块的精确安装，起到保护和稳固作用，便于后期装置的维护；
监测端能够对磨损情况进行远程监测，便于后期数据溯源及实时分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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个实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例中检测支路和测量支路的电路原理图
图2是本发明实施例中刀头内各模块的结构示意图；
图3是本发明实施例中刀具磨损在线监测装置在刀具内的安装示意图；
图4是本发明实施例中刀具磨损在线监测装置的控制原理图；
图5是本发明实施例中电池盒与发射盒的安装示意图。
其中，1-刀头，11-温度感应模块，12-检测支路，13-无线能量接收模块，14-第一壳体，2-刀筒，21-刀杆，211-探测杆，212-延长杆，213-安装座，214-保护罩，22-电池支架，23-密封端盖，24-电池盒，25-发射盒。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和2所示，本发明实施例所提供的一种刀具磨损在线监测装置，包括由20个阻值相等的电阻R1~R20串联构成的检测支路12、电压测量支路、监测端和电源模块；检测支路12与电源模块的输出端电性连接，电压测量支路并联于检测支路12的两端，电压测量支路与监测端通信连接；检测支路12中每个电阻的两端均短接，且20个电阻的短接线依次沿刀头1前端铺设，每个电阻对应的短接线长度相等，短接线与刀头前端进行同步磨损，短接线逐一断开；监测端用于根据电压测量支路反馈的电压测量值计算磨损量。
由于短接线沿着刀头1前端铺设，因此短接线与刀头1同步磨损。给检测支路12通
以电流I，当刀头1未被磨损时，由于20个电阻R1~R20均被短接，因此电压测量支路测得的电
压值为0，当刀头1某部分被磨损（例如电阻R3对应的刀头1部分被磨损）时，该部分对应的短
接线同步磨损，直到短接线断开，此时电压测量支路测得的电压值为U0（设电阻未被短接时
每个电阻两端的电压为U0），U0≠0，n个电阻对应的短接线因磨损被断开时，电压测量支路测
得的电压值U理论上为nU0，而U0＝R×I，因此根据
可以计算出断开的短接线数量，且计
算结果应为整数，但是由于电压表一般存在一定的测量误差，使得
计算结果并非整数，
因此对其进行向上取整得到n，再根据Length＝n×L计算出磨损量，其中Length为磨损量，L
为每段短接线长度，n为断开的短接线数量，I为通过检测支路12的电流，R为电阻的阻值，U
为电压测量支路测得的检测支路12两端的电压值。
本发明刀具磨损在线监测装置采用电阻串联形式，电阻短接线与刀头1同步磨损，使刀头1的磨损量与电阻阻值呈正线性相关，即与检测支路12的输出电压呈线性关系，磨损量对应的分辨率不发生变化，克服了非线性问题和级数限制的问题，同时磨损量减少对应并入的电阻数量增加，提高了磨损检测精度，计算更为简单。
在本发明的一个具体实施方式中，电源模块包括供电端、无线能量发送模块和无线能量接收模块13；供电端与无线能量发送模块电性连接，无线能量接收模块13与检测支路12电性连接；无线能量发送模块用于将供电端输出的电能转换成磁能，无线能量接收模块13用于接收无线能量发送模块发出的磁能并转换成电能，以无线传能方式为检测支路12和电压测量支路供电。检测支路12与刀头1同步磨损，因此检测电路需布置于刀头1内，而刀头1在工作时冲击较大，为了避免冲击影响，采用无线传能方式为检测支路12供电，这样供电端可以安装于冲击较小的刀具后端（例如刀筒2后端，刀筒2后端是指刀筒2远离刀头1的一端）。
在本发明的一个具体实施方式中，无线能量发送模块为第一传能线圈，无线能量接收模块13为第二传能线圈，且第一传能线圈与第二传能线圈非对称布置，提高了传能效率，降低了对传能线圈安装精度的要求。
在本发明的一个具体实施方式中，无线能量接收模块13和第二无线收发模块均设于第一壳体14内，且第一壳体14位于刀具刀头1与刀筒2之间，用于将刀头1与刀筒2内腔密封隔绝，可将带压环境（即刀头1）和常压环境（即刀筒2）内的模块完全分开，避免了因使用电缆进行电气连接导致的常压换刀工作复杂和电缆损坏问题，从而使常压换刀操作简单方便，且对无线能量接收模块13和第二无线收发模块起到保护作用。本实施例中，第一壳体14为非金属，不会影响刀头1与刀筒2内模块之间的无线传输和传能。
在本发明的一个具体实施方式中，如图3所示，供电端包括电池盒24、设于电池盒24内的供电电池以及电池支架22；电池盒24设于电池支架22上，电池支架22通过螺栓固设于刀杆21的安装座213和/或刀具刀筒2上，防止松动，供电电池与无线能量发送模块电性连接，供电电池与无线能量发送模块之间的电源线穿过刀杆21的延长杆212。电池支架22的设计进一步保证了供电电池的稳固性，减少了刀具工作时对供电端的冲击，保证了即使刀筒2内部有冲击压也不会有冲击压传导至电池支架22，同时电池盒24也起到了保护供电电池免受冲击的作用。在电池支架22上设有密封端盖23，密封端盖23进一步避免了冲击。更换供电电池时，先拆除密封端盖23，断开电源线，再对供电电池进行更换。
在本发明的一个具体实施方式中，如图3和4所示，电压测量支路通过第二无线收发模块、第一无线收发模块、发射盒25与监测端通信连接；第二无线收发模块与第一无线收发模块以无线方式通信，第一无线收发模块与发射盒25以有线方式通信；发射盒25与监测端以无线方式通信。本实施例中，监测端为工控机，工控机配置有接收盒，接收盒与发射盒25以无线方式通信。接收盒焊接于盾构机的前盾，不随刀盘一起转动，先将接收盒的底座焊接再将接收盒固定在其底座上，通过线缆与工控机连接，工控机采用嵌入安装方法，开稍比所选工控机尺寸长宽大10cm的矩形槽，将工控机嵌入矩形槽内。
监测端下发的通断电指令（或其他控制指令）以无线方式发送给发射盒25，发射盒25以有线方式将通断电指令发送给第一无线收发模块，第一无线收发模块将通断电指令以无线方式发送给第二无线收发模块，第二无线收发模块根据通断电指令控制无线能量接收模块13与检测支路12之间的通断，从而控制检测支路12是否通电，节省电能；同理，电压测量支路的测量值通过第二无线收发模块、第一无线收发模块、发射盒25上传给监测端，在监测端计算磨损量。监测端与刀头1内模块（例如电压测量支路）之间的信号传输采用两次无线+有线传输方式，即第二无线收发模块与第一无线收发模块之间的无线传输路径、第一无线收发模块与发射盒25之间的有线传输路径、发射盒25与监测端之间的无线传输路径，这种设计降低了噪声或冲击对通断电指令和测量值信号的干扰，保证了信号传输的稳定性和可靠性，提高了信号传输质量。
在本发明的一个具体实施方式中，如图5所示，电池盒24和发射盒25均固设于供电端的电池支架22上，接线时先将发射盒25与六芯信号线接头连接，再将电池盒24与五芯电源接头连接，六芯信号线接头和五芯电源接头设于电池支架22内。本实施例中，发射盒25为433无线收发模块。
在本发明的一个具体实施方式中，如图4所示，在刀具的刀筒2内设有刀杆21，刀杆21依次包括探测杆211、延长杆212和安装座213；探测杆211靠近刀具的刀头1，且无线能量发送模块和第一无线收发模块均设于探测杆211内；延长杆212用于铺设有线线路（电源线和信号线）；供电端的电池支架22设于安装座213上。刀杆21对无线能量发送模块和第一无线收发模块、各种有线线路起到保护作用。本实施例中，在探测杆211与延长杆212的连接处、延长杆212与安装座213的连接处均设有卡座，通过卡座将刀杆21安装于刀筒2内，保证了刀杆21的安装稳固性和安装精度。
在本发明的一个具体实施方式中，如图4所示，在探测杆211靠近刀头1的一端设有保护罩214，保护罩214防止刀杆21内部渗水，对无线能量发送模块和第一无线收发模块、各种有线线路起到防水密封作用。本实施例中，还可在各种接缝处增加胶带进行防水密封。
在本发明的一个具体实施方式中，磨损在线监测装置还包括温度感应模块11，温度感应模块11设于刀头1内且通过第二无线收发模块、第一无线收发模块、发射盒25与监测端通信连接，监测端还用于根据温度感应模块11反馈的温度信号判断刀头1结泥饼情况。刀具结泥饼时，由于泥饼与刀具之间相互摩擦生热，升温快，且泥饼具有保温作用，不易散热，故降温慢，因此监测端可以根据某时间段内温度变化规律判断是否结泥饼，当出现升温快降温慢的温度变化规律时，表明刀具结泥饼。
本实施例中，温度感应模块11输出一个与温度值成正比的电压值，典型的电压温度系数为0.28mv/℃，根据公式T=(U-80)/0.28-40可以计算出温度值。
基于同一发明构思，本发明还提供一种刀具，包括如上所述刀具磨损在线监测装置。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种刀具磨损在线监测装置，其特征在于：包括由N个阻值相等的电阻串联构成的检测支路、测量支路、监测端和电源模块；所述检测支路与电源模块的输出端电性连接，所述测量支路并联于所述检测支路的两端，所述测量支路与所述监测端通信连接；所述检测支路中每个电阻的两端均短接，且N个电阻的短接线依次沿刀头前端铺设；所述监测端用于根据所述测量支路的测量值计算磨损量；每个所述电阻的短接线长度相等；所述磨损量的计算公式为：
其中，Length为磨损量，L为每段短接线长度，I为通过检测支路的电流，R为单个电阻的阻值，U为测量支路测得的检测支路两端的电压值，
为向上取整符号；
所述测量支路通过第二无线收发模块、第一无线收发模块、发射盒与所述监测端通信连接；所述第二无线收发模块与第一无线收发模块以无线方式通信，所述第一无线收发模块与发射盒以有线方式通信；所述发射盒与所述监测端以无线方式通信；
所述第二无线收发模块设于第一壳体内，且所述第一壳体位于刀具刀头与刀筒之间；
在所述刀具的刀筒内设有刀杆，所述刀杆依次包括探测杆、延长杆和安装座；所述探测杆靠近所述刀具的刀头，且所述电源模块的无线能量发送模块和所述第一无线收发模块均设于所述探测杆内；所述延长杆用于铺设有线线路；所述电源模块中供电端的电池支架设于所述安装座上。
2.根据权利要求1所述的刀具磨损在线监测装置，其特征在于：所述电源模块包括供电端、无线能量发送模块和无线能量接收模块；所述供电端与无线能量发送模块电性连接，所述无线能量接收模块与所述检测支路电性连接；所述无线能量发送模块用于将供电端输出的电能转换成磁能，所述无线能量接收模块用于接收无线能量发送模块发出的磁能并转换成电能。
3.根据权利要求2所述的刀具磨损在线监测装置，其特征在于：所述无线能量发送模块为第一传能线圈，所述无线能量接收模块为第二传能线圈，且所述第一传能线圈与所述第二传能线圈非对称布置。
4.根据权利要求2所述的刀具磨损在线监测装置，其特征在于：所述无线能量接收模块设于第一壳体内，且所述第一壳体位于刀具刀头与刀筒之间。
5.根据权利要求2所述的刀具磨损在线监测装置，其特征在于：所述供电端包括电池盒、设于所述电池盒内的供电电池以及电池支架；所述电池盒设于所述电池支架上，所述供电电池与所述无线能量发送模块电性连接。
6.根据权利要求1所述的刀具磨损在线监测装置，其特征在于：在所述探测杆与延长杆的连接处、延长杆与安装座的连接处均设有卡座，通过所述卡座将所述刀杆安装于所述刀筒内；
在探测杆靠近所述刀头的一端设有保护罩。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的刀具磨损在线监测装置，其特征在于：还包括温度感应模块，所述温度感应模块设于刀头内且与所述监测端通信连接，所述监测端还用于根据温度感应模块反馈的温度信号判断刀头结泥饼情况。
8.一种刀具，其特征在于：包括如权利要求1～7中任一项所述刀具磨损在线监测装置。
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