CN214584835U - 一种盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，它包括刀筒、传感器检测模块，信号解调和传输部，以及控制部，所述的刀筒内外的传感器检测模块，传感器检测模块包括磨损检测装置，所述的磨损检测装置是包括光纤磨损检测刀、安装于所述光纤磨损检测刀内的光纤磨损传感器，所述光纤磨损传感器包括外层组件、嵌于所述外层组件内的啁啾光纤光栅。本实用新型可以实时检测滚刀磨损数据，发现滚刀已经磨损和偏磨，提高了施工效率。

Description

一种盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统

技术领域

本实用新型属于盾构机设备领域，特别涉及一种盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统。

背景技术

伴随着21世纪的到来，我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市地下空间的利用和开发，已成为世界性发展趋势，并作为衡量城市现代化的标志。在施工中经常出现盾构刀具磨损严重、破损、脱落等情况，导致工程事故的发生，给整个工程的工期、造价带来严重影响，甚至威胁人的生命。因此，研究盾构机刀具磨损量提高盾构机的工作效率具有重要意义。而现有的检测刀具磨损技术，通过液压式检测方式只能检测刀具已经磨损并不能实时检测数值，电阻式检测方式受到温度和电磁干扰比较严重。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，它包括刀筒、传感器检测模块，信号解调和传输部，以及控制部，所述的刀筒内外的传感器检测模块，传感器检测模块包括磨损检测装置，所述的磨损检测装置是包括光纤磨损检测刀、安装于所述光纤磨损检测刀内的光纤磨损传感器，所述光纤磨损传感器包括外层组件、嵌于所述外层组件内的啁啾光纤光栅。

优化的，传感器检测模块还包括刀筒内的保护油管、刀盖上的第二对丝、刀盖外部上的穿墙件、球阀以及连接球阀和光纤分线盒的中部油管。

优化的，所述磨损检测装置还包括固定小螺丝、固定螺纹和连接外螺纹。

优化的，所述刀筒上设有用于保护所述光纤磨损检测刀的第一防撞块、第二防撞块和第三防撞块，所述第一防撞块、第二防撞块和第三防撞块的最外端面与所述光纤磨损检测刀的最外端面齐平。

进一步的，刀盖上设有贯通孔，变径对丝的一端拧在刀盖上的贯通孔上，第一密封圈安装在变径对丝的凹槽中，使变径对丝和刀盖进行密封；变径内丝内部设有变径内环，其将变径内丝内部的螺纹分为内径不同的两段螺纹，其内径较小的螺纹连接在所述变径对丝的另一端上，变径内丝的内部设置第二密封圈，所述第二密封圈对旋入变径内丝的所述变径对丝的端部进行密封；压盖设于变径内丝内且位于内径较大的一侧，其包括左端盖以及与所述左端盖同轴连接且外径小于左端盖的右端盖，所述右端盖穿设于所述变径内环内且抵紧在第二密封圈上，第一对丝拧紧在变径内丝内径较大的一端部内，且其凹槽中安装有对变径内丝进行密封的第一密封圈，第一对丝另外一端接球阀。

更进一步的，所述控制部包括信号转换器和电脑，所述信号解调和传输部还包括光纤解调无线传输仪、光纤分线盒、无线接收模块、中心回转节、中心回转节内部的滑环、无线接收模块的24V供电电缆、无线接收模块和司机室内的信号转换器连接电缆、无线接收模块和中心回转节滑环连接电缆，所述的光纤磨损传感器的光纤出线从常压刀筒内部穿出后，从变径对丝的内部穿过套上第二密封圈，再从变径内丝的内部穿过；成对的所述压盖锁死固定光纤，光纤磨损传感器的光纤出线从第一对丝凹槽一侧的内部穿过，并穿过球阀后连接光纤分线盒，所述的光纤分线盒连接若干个光纤磨损传感器；所述的常压刀筒上的球阀通过油管和光纤分线盒上的油管接头连接，保护光纤磨损传感器的光纤出线；光纤分线盒通过MPO光纤和光纤解调无线传输仪进行连接，MPO光纤外部由油管进行保护，将光纤磨损传感器的信号传输至光纤解调无线传输仪。

再进一步的，所述的光纤解调无线传输仪是由光纤解调模块、无线传输模块和电池模块组成；所述的光纤解调模块将从光纤磨损传感器采集的信号，解调出光纤波长数据；光纤解调模块把解调出的波长数据传输给无线传输模块，无线传输模块通过数据压缩方式对数据进行无线传输至无线接收模块。

进一步的，无线接收模块和光纤解调无线传输仪同时具备有线和无线通讯两种方式，利用二总线技术进行供电和有线通讯，光纤解调无线传输仪与无线接收模块同时拥有有线通讯接口，并采用直流24V供电系统，直流24V供电系统的负极通过盾构壳体接地，正极与线缆连接。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型可以实时检测滚刀磨损数据，发现滚刀已经磨损和偏磨，提高了施工效率；利用啁啾光纤光栅逐渐被磨损递减，从而提高磨损传感器的感应精度，扫描干涉仪和第二光电探测器建立了一个参考微波光子链路，用于测量光纤引起的射频信号相位变化扰动，从而消除测量结果中温度波动和机械振动等环境因素造成的DCF（色散补偿）的扰动。

附图说明

图1为本实用新型的系统架构图；

图2为本实用新型的磨损检测刀示意图；

图3为本实用新型的光纤磨损传感器示意图；

图4为本实用新型的磨损检测刀防撞块示意图；

图5为本实用新型的穿墙件示意图；

图6为本实用新型的通讯传输流程图；

图7位本实用新型的啁啾光纤的波长解析示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，盾构机常压刀盘下的光纤磨损检测系统包括安装在刀筒内外的传感器检测模块，常压仓内的信号解调和传输系统，司机室内的控制系统。

刀筒内外的传感器检测模块，包括磨损检测装置、刀筒3内的保护油管2、刀盖32上的第二对丝33、刀盖32外部上的穿墙件4、球阀5以及连接球阀和光纤分线盒7的中部油管6。

常压仓内外的信号解调和传输系统，包括光纤解调无线传输仪9、光纤分线盒7、无线接收模块14、中心回转节15、中心回转节内部的滑环37、无线接收模块14的24V供电电缆34、无线接收模块14和司机室内的信号转换器16连接电缆35、无线接收模块14和中心回转节滑环连接电缆36。

操作室内的控制系统，包括信号转换器16和电脑17。

磨损检测装置是由光纤磨损检测刀1、光纤磨损传感器18、固定小螺丝19、固定螺纹21和连接外螺纹31组成；光纤磨损检测刀1头部的内部是螺纹孔，用于安装光纤磨损传感器18，螺纹孔后方的内部为通孔供光纤磨损传感器18光纤出线；光纤磨损传感器18拧在光纤磨损检测刀1的刀头部位，并和刀头齐平；通过两个固定小螺丝19，拧在光纤磨损检测刀1的刀头部位，固定锁死光纤磨损传感器18，防止光纤磨损传感器18因震动而松动甚至脱落。

光纤磨损检测刀1刀径部位38焊接在刀筒3上；通过固定螺母拧在光纤磨损检测刀1后部的固定螺纹21上，使之固定在常压刀筒内刀座上，防止因冲击过大，导致光纤磨损检测刀1脱落；光纤磨损检测刀1磨损到一定程度后，可更换。

外层组件18为一个普通的铁材质圆柱，外部为螺纹，在外层组件18轴心钻一个通孔40，在通孔40中嵌入啁啾光纤光栅0，通过密封胶进行固定封装，外部引出一个光纤出线39，通过检测啁啾光纤光栅0的反射光光谱宽度来推算刀具的磨损量。

啁啾光纤光栅检测的原理为啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数，而是沿轴向变化的，不同的栅格周期对应不同的布拉格反射波长，不同波长的入射光在啁啾光纤光栅的不同位置反射，这样不同波长的光在经啁啾光纤光栅反射后会产生所需的反射光光谱，使用此原理所开发的磨损量检测传感器，可以根据解调出的反射光光谱宽度与啁啾光纤光栅的长度相对应，随着啁啾光纤光栅的减少，反射光光谱的宽度也会相应降低，从而根据反射光光谱宽度计算出磨损量。

光纤磨损检测刀1在刀筒3上有三个防撞块进行保护，包括第一防撞块22、第二防撞块23和第三防撞块24；三个防撞块和常压刀筒焊接完成后再进行加工；三个防撞块的高度与光纤磨损检测刀1的高度齐平；为了更加精准检测光纤磨损检测刀1的磨损状况，三个防撞块头部进行倒角处理；第二防撞块23主要保护光纤磨损检测刀1来自刀盘左转的冲击，第一防撞块22和24主要保护光纤磨损检测刀1来自刀盘右转的冲击。

磨损检测装置共有三道密封措施；一是在光纤磨损传感器18光纤磨损检测刀内的通过孔20进行密封胶灌入，防止水从传感器头部渗入；二是在常压刀筒外通过穿墙件4进行密封保护，防止出现因光纤出线39的保护油管2破损等因素造成漏水到常压仓内部的情况；三是在穿墙件4另一端连接一个球阀5进行保护，若有水渗出，直接关闭球阀5。

刀筒内的保护油管2和光纤磨损检测刀1的连接外螺纹31相连，另外一端和刀盖32内的第二对丝33连接；光纤磨损传感器18从光纤磨损检测刀1的尾部穿出来后，穿过保护油管2至刀筒3外部。

穿墙件4包括了第一对丝251，第一密封圈26，压盖271，变径内丝28，第二密封圈29，变径对丝301。

刀盖32上设有贯通孔，变径对丝301的一端拧在刀盖32上的贯通孔上，第一密封圈26安装在变径对丝301的凹槽中，使变径对丝301和刀盖32进行密封；变径内丝28内部设有变径内环，其将变径内丝28内部的螺纹分为内径不同的两段螺纹，其内径较小的螺纹连接在变径对丝301的另一端上，变径内丝28的内部设置第二密封圈29，第二密封圈29对旋入变径内丝28的变径对丝301的端部进行密封；压盖271设于变径内丝28内且位于内径较大的一侧，其包括左端盖27以及与左端盖27同轴连接且外径小于左端盖27的右端盖272，右端盖272穿设于变径内环内且抵紧在第二密封圈29上；第一对丝251拧紧在变径内丝28内径较大的一端部内，且其凹槽中安装有对变径内丝28进行密封的第一密封圈26。第一对丝251的右端部与变径内丝28相连接，其左端部上连接有球阀。

第一对丝251包括大致呈管状的第一主体部分25，设于第一主体部分25周面上呈环形的第一凸台252，第一凸台252与第一主体部分25同轴设置，第一对丝251的凹槽设于第一凸台252朝向变径内丝28的端面上。变径对丝301包括大致呈阶梯管状的第二主体部分302，设于第二主体部分302周面上呈环形的第二凸台30，第二凸台30与第二主体部分302同轴设置，变径对丝301的凹槽设于第二凸台30朝向刀盖32的端面上。

光纤磨损传感器18的光纤出线39从刀筒3内部穿出后，从变径对丝301的内部穿过套上第二密封圈29；第二密封圈29是为了密封保护油管2内部，防止进水后流出刀筒外，光纤磨损传感器18的光纤出线39再从变径内丝28的内部穿过；通过两个压盖271进行锁死固定光纤，光纤磨损传感器18光纤出线39从第一对丝251凹槽一侧的内部穿过，并穿过球阀5接入光纤分线盒7。

压盖271的内径、第二密封圈29的内径和光纤磨损传感器18的光纤出线39的外径一致。

光纤分线盒7可以连接8个光纤磨损传感器18；刀筒3上的球阀5通过中部油管6和光纤分线盒7上的油管接头连接，保护光纤磨损传感器18的光纤出线39；光纤分线盒7通过MPO光纤和光纤解调无线传输仪9进行连接，MPO光纤外部由油管8进行保护，将光纤磨损传感器18的信号传输至光纤解调无线传输仪9。

光纤解调无线传输仪9是由光纤解调模块12、无线传输模块11和电池模块10组成；光纤解调模块12将从光纤磨损传感器18采集的信号，解调出光纤波长数据；光纤解调模块12把解调出的波长数据传输给无线传输模块11，无线传输模块11通过数据压缩方式对数据进行无线传输至无线接收模块14。

数据压缩方式是对一个光纤磨损传感器18的波长数据进行压缩传输，通过分析光纤解调无线传输仪9解调出来的光纤磨损传感器18数据类型结构特征发现光纤数据呈若干个波峰数据，波峰与波峰之间用大量的数据0代表时间信息；一个光纤磨损传感器18数据量大约10000bytes，根据分析的数据类型结构特征，用数据公式语言描述波峰的形状、波峰位置等信息，无需存储每个点的信息，只需存储波长的基本参数信息，无线传输数据减少80%左右，降低了大量信道的占用以及通讯时间。

无线接收模块14和光纤解调无线传输仪9同时具备有线和无线通讯两种方式；且工作模式为相互备份；供电模式也采用外部电源供电与内部电池供电双冗余模式；光纤解调无线传输仪9采用的是无线电波频率为433MHz的无线通讯方式，无线传输天线采用内置方式；有线通讯方式为两线制485通讯接口MODBUS协议；利用二总线技术进行供电和有线通讯。

二总线技术是把供电和信号线合二为一，即通讯线与电源线通过电力载波技术合二为一，数字信号经过放大后加载在电源信号上进行传输，使得通讯组网简单方便；无线接收模块14通过电缆36经中心回转节15内的直流24V供电滑环37和常压仓内光纤解调无线传输仪9进行连接，并通过并联方式连接所有光纤解调无线传输仪9进行组网通讯和供电；总站无线接收模块14和若干个从站光纤解调无线传输仪9通讯方式为轮询方式；所述常压仓内的电缆外部通过油管13进行保护。

二总线技术具备双冗余模式，光纤解调无线传输仪9与无线接收模块14同时拥有有线通讯接口，技术实际应用中，电源线采用直流24V供电系统，其中负极采用盾构壳体接地技术，正极采用一根线缆连接；这样从实际布线上只有一根线缆进行连接极大提高了系统可靠性；在实际应用中，为了提高滑环37可靠性，采用两路滑环，一路作为备份，即无线接收模块14通过中心回转节15内的直流24V供电滑环37和常压仓内光纤解调无线传输仪9的电缆为两芯，一用一备，提高了有线通讯可靠性。

光纤解调无线传输仪9和无线接收模块14同时具备有线和无线通讯两种方式；为了保持大数据无线传输数据稳定，该通讯流程为：光纤解调无线传输仪9无线方式发送数据，无线接收模块14对其数据进行校验，若无线通讯方式5次失败后，无线接收模块14自动请求有线通讯方式进行数据传输；若有线通讯数据传输失败5次，上位机界面报警通讯异常，并进行下一次通讯周期。

光纤解调无线传输仪9具备电池模块10供电和外部电源供电两种供电方式；电池模块10为备用供电，当外部电源中断时，电池模块10可以为光纤解调无线传输仪9供电通讯；当外部电源恢复后，电池模块10中的电量较低时，可以对电池模块10进行充电直至充满以及对光纤解调模块12、无线传输模块11进行供电。

无线接收模块14安装在常压仓的内部，中心回转节的一侧；无线接收模块14的24V供电直接取自常压仓内的控制箱，以及和电脑之间的连接电缆35通过常压仓专用穿线孔穿出和电脑17进行通讯；无线接收模块14和电脑17之间采用MODBUS通讯协议进行数据传输。

无线接收模块14可接收几台光纤解调无线传输仪9发射的数据；无线接收模块14内部电路设计、无线接收模块14和电脑17之间的连接电缆和信号转换器16数量根据光纤解调无线传输仪9数量而设计。

司机室内的控制系统接收来自无线接收模块14的波长数据，上位机通过算法解析波长数据并计算出刀具的磨损量，同时展示在软件的界面上；方便施工人员根据磨损量决定是否更换刀具。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：它包括刀筒、传感器检测模块，信号解调和传输部，以及控制部，所述的刀筒内外的传感器检测模块，传感器检测模块包括磨损检测装置，所述的磨损检测装置是包括光纤磨损检测刀、安装于所述光纤磨损检测刀内的光纤磨损传感器，光纤磨损传感器包括外层组件、嵌于所述外层组件内的啁啾光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：传感器检测模块还包括刀筒内的保护油管、刀盖上的第二对丝、刀盖外部上的穿墙件、球阀以及连接球阀和光纤分线盒的中部油管。

3.根据权利要求1所述的盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：所述磨损检测装置还包括固定小螺丝、固定螺纹和连接外螺纹。

4.根据权利要求1所述的盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：所述刀筒上设有用于保护所述光纤磨损检测刀的第一防撞块、第二防撞块和第三防撞块，所述第一防撞块、第二防撞块和第三防撞块的最外端面与所述光纤磨损检测刀的最外端面齐平。

5.根据权利要求2所述的盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：所述的穿墙件包括第一对丝，第一密封圈，压盖，变径内丝，第二密封圈，变径对丝；刀盖上设有贯通孔，变径对丝的一端拧在刀盖上的贯通孔上，第一密封圈安装在变径对丝的凹槽中，使变径对丝和刀盖进行密封；变径内丝内部设有变径内环，其将变径内丝内部的螺纹分为内径不同的两段螺纹，其内径较小的螺纹连接在所述变径对丝的另一端上，变径内丝的内部设置第二密封圈，所述第二密封圈对旋入变径内丝的所述变径对丝的端部进行密封；压盖设于变径内丝内且位于内径较大的一侧，其包括左端盖以及与所述左端盖同轴连接且外径小于左端盖的右端盖，所述右端盖穿设于所述变径内环内且抵紧在第二密封圈上，第一对丝拧紧在变径内丝内径较大的一端部内，且其凹槽中安装有对变径内丝进行密封的第一密封圈，第一对丝另外一端接球阀。

6.根据权利要求5所述的盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：所述控制部包括信号转换器和电脑，所述信号解调和传输部还包括光纤解调无线传输仪、光纤分线盒、无线接收模块、中心回转节、中心回转节内部的滑环、无线接收模块的24V供电电缆、无线接收模块和司机室内的信号转换器连接电缆、无线接收模块和中心回转节滑环连接电缆，所述的光纤磨损传感器的光纤出线从常压刀筒内部穿出后，从变径对丝的内部穿过套上第二密封圈，再从变径内丝的内部穿过；成对的所述压盖锁死固定光纤，光纤磨损传感器的光纤出线从第一对丝凹槽一侧的内部穿过，并穿过球阀后连接光纤分线盒，所述的光纤分线盒连接若干个光纤磨损传感器；所述的常压刀筒上的球阀通过油管和光纤分线盒上的油管接头连接，保护光纤磨损传感器的光纤出线；光纤分线盒通过MPO光纤和光纤解调无线传输仪进行连接，MPO光纤外部由油管进行保护，将光纤磨损传感器的信号传输至光纤解调无线传输仪。

7.根据权利要求6所述的盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：所述的光纤解调无线传输仪是由光纤解调模块、无线传输模块和电池模块组成；所述的光纤解调模块将从光纤磨损传感器采集的信号，解调出光纤波长数据；光纤解调模块把解调出的波长数据传输给无线传输模块，无线传输模块通过数据压缩方式对数据进行无线传输至无线接收模块。

8.根据权利要求6所述的盾构机常压刀盘下的光纤磨损实时检测系统，其特征在于：无线接收模块和光纤解调无线传输仪同时具备有线和无线通讯两种方式，利用二总线技术进行供电和有线通讯，光纤解调无线传输仪与无线接收模块同时拥有有线通讯接口，并采用直流24V供电系统，直流24V供电系统的负极通过盾构壳体接地，正极与线缆连接。

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