FR3000799A1 - Electro-mechanical assembly for use in tunneller, has detection unit comprising electrical circuit that is arranged in inner side of disk, where circuit comprises electrical wire that is cut by abrasion when wear value of disk is reached - Google Patents
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Abstract
Description
ENSEMBLE ELECTROMECANIQUE EQUIPE D'AU MOINS UN ORGANE ROTATIF ET D'UN SYSTEME DE MESURE DE L'USURE DU OU DE CHAQUE ORGANE ROTATIF La présente invention concerne un ensemble électromécanique, du type comprenant : - au moins un organe rotatif comprenant à la fois une partie fixe, qui comporte des premiers moyens de couplage électromagnétique, et un élément, qui est monté mobile en rotation sur la partie fixe, qui est destiné à être usé par abrasion contre un matériau et qui comporte des deuxièmes moyens de couplage électromagnétique couplés aux premiers moyens d'échange d'énergie et de données, et - un système de mesure de l'usure du ou de chaque organe rotatif comprenant des moyens de détection d'au moins une cote d'usure prédéterminée de l'élément. La présente invention concerne également un tunnelier, autrement appelé machine de creusement d'un tunnel, comprenant un tel ensemble électromécanique.The present invention relates to an electromechanical assembly, of the type comprising: at least one rotary member comprising both a rotomechanical unit and a system for measuring the wear of the one or each fixed part, which comprises first electromagnetic coupling means, and an element, which is rotatably mounted on the fixed part, which is intended to be worn out by abrasion against a material and which comprises second electromagnetic coupling means coupled to the first means for exchanging energy and data, and - a system for measuring the wear of the or each rotary member comprising means for detecting at least one predetermined wear rating of the element. The present invention also relates to a tunnel boring machine, otherwise known as a tunnel digging machine, comprising such an electromechanical assembly.
L'invention s'intéresse en particulier aux tunneliers comportant une enveloppe tubulaire qui présente, de manière successive suivant sa direction longitudinale, un bouclier frontal et un bouclier arrière. Le bouclier frontal supporte une tête de coupe qui porte des outils de coupe et des outils similaires qui, en service, abattent le terrain dans lequel le tunnelier progresse pour creuser un tunnel. Le bouclier arrière permet, quant à lui, de poser successivement des anneaux le long du tunnel, afin de consolider ce dernier : à l'intérieur du bouclier arrière, des voussoirs sont assemblés pour constituer un tel anneau, puis, une fois cet assemblage terminé, l'anneau sert d'appui au tunnelier pour progresser vers l'avant d'une distance correspondant à la largeur du prochain anneau à poser, et ainsi de suite.The invention is particularly concerned with tunnel boring machines comprising a tubular casing which presents, successively in its longitudinal direction, a front bumper and a rear bumper. The front bumper supports a cutting head that carries cutting tools and similar tools that, in use, cut down the land in which the tunnel boring machine progresses to dig a tunnel. The rear bumper, meanwhile, to install successively rings along the tunnel, to consolidate the latter: inside the rear bumper, voussoirs are assembled to form such a ring, then, once this assembly completed the ring serves as support for the TBM to advance forward a distance corresponding to the width of the next ring to be laid, and so on.
Le creusement au tunnelier met en oeuvre des outils de coupe choisis en fonction du terrain à excaver. Dans le cas de la roche, le tunnelier est notamment équipé de molettes qui décrivent des cercles concentriques et qui sont poussées par le bouclier frontal sur la roche, afin de la faire éclater. En raison des efforts très importants imposés à chacune des molettes, celles-ci sont soumises à de l'usure par abrasion, qui dépend aussi de l'abrasivité du terrain. Les molettes souffrent aussi d'endommagement de leur roulement intérieur, principalement consécutif à une lubrification défaillante. Un tel endommagement est alors susceptible de conduire à un échauffement excessif de celle-ci. La maintenance de la tête de coupe concerne essentiellement l'inspection et le remplacement des molettes usées. Celles dont le disque est usé au-delà d'une limite acceptable sont démontées de la tête et transportées en atelier où elles subissent des opérations de remplacement de disque, de changement de roulement, de remplissage d'huile, etc. selon leur état d'endommagement. Ces opérations de démontage et remontage de molette ne peuvent être effectuées que pendant l'arrêt du tunnelier, ce qui entraîne une perte de productivité. En outre, pour certains types de tunneliers, tels que par exemple des tunneliers adaptés au creusement de terrains instables ou meubles, l'accès aux organes situés dans la tête de coupe et dans la chambre d'abattage se fait dans une zone sous pression. L'intervention ne peut alors se faire que par des professionnels de la plongée hyperbare, respirant éventuellement un mélange de gaz adapté. La durée d'intervention globale est particulièrement longue en raison des contraintes de décompression des professionnels, ce qui entraîne des coûts substantiels. Dans ce contexte, il convient de disposer d'indicateurs fiables sur l'état réel des molettes et outils de coupe, afin de ne déclencher des interventions sur la tête de coupe que lorsque celles-ci sont réellement nécessaires. Une solution connue pour mesurer l'usure des outils de coupe consiste à intégrer dans chaque outil un capillaire fermé à son extrémité, contenant de l'huile sous pression. Lorsque l'usure de l'outil atteint l'extrémité du capillaire, celui-ci s'ouvre provoquant une baisse soudaine de pression qui est détectée par un automate de contrôle-commande du tunnelier. Cette approche n'est toutefois pas applicable simplement aux molettes, du fait notamment de leur configuration particulière et du mouvement de rotation qu'elles décrivent. La configuration particulière des tunneliers, dans lesquels les molettes en rotation sont très difficilement accessibles à un opérateur, rend par ailleurs les méthodes conventionnelles de mesure de l'usure de pièces en rotation peu ou pas applicables. On connaît des méthodes de mesure de l'usure des molettes mettant en oeuvre de manière indépendante une mesure de la température et de la vitesse de rotation des molettes, une détection de l'état de rotation des molettes, ainsi qu'une mesure du nombre de tours effectués par les molettes. Ces méthodes de mesure se basent toutes sur des mesures indirectes de paramètres relatifs aux molettes et permettent, moyennant des calculs intermédiaires, d'en déduire le diamètre théorique du disque des molettes et/ou leur état d'usure. Toutefois, aucune de ces techniques visant à mesurer l'usure des molettes ne donne, dans un temps raisonnable et sans nécessiter de connaissances a priori des caractéristiques du terrain excavé, d'informations fiables quelle que soit la nature du terrain, en particulier lorsque le terrain est un terrain mixte formé par exemple de zones argileuses meubles et de zones rocheuses dures.Tunnel digging implements cutting tools chosen according to the terrain to be excavated. In the case of rock, the TBM is equipped with wheels that describe concentric circles and are pushed by the frontal shield on the rock, to explode it. Because of the very significant forces imposed on each wheel, they are subject to abrasion wear, which also depends on the abrasiveness of the ground. The wheels also suffer from damage to their inner bearing, mainly due to faulty lubrication. Such damage is then likely to lead to excessive heating thereof. The maintenance of the cutting head essentially concerns the inspection and the replacement of worn wheels. Those whose disc is worn beyond an acceptable limit are removed from the head and transported to the workshop where they undergo disc replacement, change of bearing, oil filling, etc. operations. according to their state of damage. These disassembly and winding wheel operations can be performed only during the shutdown of the tunnel boring machine, which leads to a loss of productivity. In addition, for certain types of tunneling machines, such as for example tunneling machines adapted to the digging of unstable or loose terrain, access to the organs located in the cutting head and in the slaughter chamber is in a pressurized zone. The intervention can only be done by professionals of hyperbaric diving, possibly breathing a suitable gas mixture. The overall response time is particularly long due to professional decompression constraints, resulting in substantial costs. In this context, it is necessary to have reliable indicators on the actual condition of the cutting wheels and cutting tools, in order to trigger operations on the cutting head only when they are really necessary. A known solution for measuring the wear of the cutting tools is to integrate into each tool a capillary closed at its end, containing pressurized oil. When the wear of the tool reaches the end of the capillary, the latter opens causing a sudden drop in pressure which is detected by a controller of the TBM. This approach is however not applicable simply to the wheels, in particular because of their particular configuration and the rotational movement they describe. The particular configuration of tunnel boring machines, in which the rotating knobs are very difficult to access for an operator, also makes the conventional methods of measuring the wear of rotating parts little or not applicable. Known methods of measuring the wear of the rollers independently implementing a measurement of the temperature and the speed of rotation of the rollers, a detection of the state of rotation of the rollers, and a measurement of the number of turns made by the wheels. These measurement methods are all based on indirect measurements of parameters relating to the wheels and allow, by means of intermediate calculations, to deduce the theoretical diameter of the disc wheels and / or their state of wear. However, none of these techniques to measure the wear of the knurls gives, in a reasonable time and without requiring prior knowledge of the characteristics of the excavated ground, reliable information whatever the nature of the terrain, especially when the terrain is a mixed terrain formed for example of soft clay areas and hard rocky areas.
On connaît par ailleurs du document DE 10 2005 016 346 une autre solution permettant de mesurer l'usure du ou de chaque organe rotatif, tel qu'une molette, d'un ensemble électromécanique intégré dans le tunnelier. Cette solution repose sur une mesure d'un champ magnétique représentatif de la distance entre le bord du disque de la molette, en contact avec le terrain, et le support de molette intégré dans la tête de coupe : un aimant est encastré dans le bord du disque et est couplé à un capteur agencé dans le support, pour permettre cette mesure. Cette solution est néanmoins très difficile à mettre en oeuvre et ne fournit pas, non plus, des mesures de l'usure de la molette fiables et précises. En effet, le niveau du champ magnétique reçu par le capteur est très faible, même en utilisant un aimant surpuissant. Typiquement, ce niveau du champ magnétique reçu est voisin de celui du champ magnétique terrestre. De plus, l'aimant proposé affleure au contact de la roche excavée. Les caractéristiques mécaniques de cet aimant ne sont alors pas adaptées aux niveaux de pression considérables exercés par la roche sur la molette. Le but de l'invention est donc de proposer un ensemble électromécanique permettant de fournir de manière facile, fiable et précise des mesures relatives à l'usure du ou de chaque organe rotatif de l'ensemble, notamment à l'usure de l'élément rotatif du ou de chaque organe, quelle que soit la nature du matériau appliqué contre l'élément rotatif. A cet effet l'invention a pour objet un ensemble électromécanique du type précité, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent, pour le ou chaque élément, au moins un circuit électrique qui est agencé à l'intérieur dudit élément, qui comprend un fil électrique adapté pour être sectionné par abrasion lorsque la cote d'usure dudit élément est atteinte, et qui est relié aux deuxièmes moyens de couplage électromagnétique dudit élément. Grâce à l'ensemble électromécanique selon l'invention, la mesure de l'usure du ou de chaque organe rotatif est en outre réalisée au niveau du tunnelier, dans un délai raisonnable, sans nécessiter de calculs complexes ni d'arrêt dédié du tunnelier. L'ensemble électromécanique selon l'invention permet avantageusement de réduire les coûts de maintenance des molettes du tunnelier, et donc les coûts d'exploitation du tunnelier.Document DE 10 2005 016 346 discloses another solution for measuring the wear of the or each rotary member, such as a wheel, of an electromechanical assembly integrated in the tunnel boring machine. This solution is based on a measurement of a magnetic field representative of the distance between the edge of the disc of the wheel, in contact with the ground, and the wheel support integrated in the cutting head: a magnet is embedded in the edge of the disc and is coupled to a sensor arranged in the support, to allow this measurement. This solution is nevertheless very difficult to implement and does not provide, either, reliable and accurate measurements of wheel wear. Indeed, the level of the magnetic field received by the sensor is very low, even when using an overpowering magnet. Typically, this level of the magnetic field received is close to that of the earth's magnetic field. In addition, the proposed magnet is flush with the excavated rock. The mechanical characteristics of this magnet are not adapted to the considerable pressure levels exerted by the rock on the wheel. The object of the invention is therefore to propose an electromechanical assembly making it possible to easily, reliably and accurately provide measurements relating to the wear of the or each rotary member of the assembly, in particular to the wear of the element. rotating the or each member, regardless of the nature of the material applied against the rotating member. For this purpose the invention relates to an electromechanical assembly of the aforementioned type, characterized in that the detection means comprise, for the or each element, at least one electrical circuit which is arranged inside said element, which comprises a electrical wire adapted to be cut by abrasion when the wear rating of said element is reached, and which is connected to the second electromagnetic coupling means of said element. Thanks to the electromechanical assembly according to the invention, the measurement of the wear of the or each rotary member is furthermore performed at the level of the tunnel boring machine, within a reasonable time, without requiring complex calculations or a dedicated stop of the tunnel boring machine. The electromechanical assembly according to the invention advantageously makes it possible to reduce the maintenance costs of the tunnels of the tunnel boring machine, and therefore the operating costs of the tunnel boring machine.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, l'ensemble électromécanique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - les premiers moyens de couplage électromagnétique comprennent une première bobine et les deuxièmes moyens de couplage électromagnétique comprennent une deuxième bobine couplée magnétiquement à la première bobine ; - les moyens de détection comprennent en outre des moyens de mesure en temps réel d'une grandeur électrique intégrés dans la partie fixe du ou de chaque organe rotatif, lesdits moyens de mesure étant aptes à mesurer le courant de sortie ou l'impédance ou la tension de la première bobine correspondante ; - le système de mesure comprend au moins une unité électronique de traitement, qui est intégrée dans la partie fixe du ou d'un des organe(s) rotatif (s) et qui est connectée aux premiers moyens d'échange de couplage électromagnétique de ladite partie fixe, et le système de mesure comprend en outre des moyens de mesure en temps réel de la température de l'organe rotatif et des moyens de mesure en temps réel de la vitesse de rotation de l'élément, reliés à l'unité de traitement correspondante ; - la partie fixe du ou de chaque organe rotatif comprend en outre des premiers moyens d'échange d'énergie et de données connectés à l'unité de traitement, et l'ensemble comporte en outre au moins un support du ou d'un des organe(s) rotatif(s), le ou chaque support comprenant des deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données couplés avec les premiers moyens d'échange d'énergie et de données de l'organe rotatif qu'il supporte, les premiers moyens d'échange d'énergie et de données étant adaptés pour transmettre aux deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données avec lesquels ils sont couplés des données relatives à l'organe rotatif associé, les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données étant adaptés pour transmettre aux premiers moyens d'échange d'énergie et de données avec lesquels ils sont couplés de l'énergie pour l'alimentation de l'organe rotatif associé ; - le système de mesure comprend en outre un dispositif électronique de traitement, qui est connecté aux deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données et qui est relié à des moyens d'alimentation pour l'alimentation en énergie des deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données, ledit dispositif de traitement communiquant avec un système de supervision et de pilotage de l'ensemble électromécanique et étant propre à transmettre à ce système des données transmises par les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données ; - les premiers moyens d'échange d'énergie et de données comprennent une première bobine et les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données comprennent une deuxième bobine, la deuxième bobine du ou de chaque support étant couplée magnétiquement avec la première bobine du ou de chaque organe rotatif qu'il supporte ; et - le ou chaque circuit électrique comprend en outre au moins un composant passif non linéaire ou au moins un composant actif commandable, le ou chaque composant passif ou actif étant connecté au fil électrique et aux deuxièmes moyens de couplage électromagnétique de l'élément correspondant. L'invention a également pour objet un tunnelier, comprenant une tête de coupe pourvue de moyens d'abattage du terrain à travers lequel le tunnelier progresse pour creuser un tunnel, les moyens d'abattage comprenant au moins une molette munie d'un arbre et d'un disque monté rotatif sur l'arbre, le disque étant destiné à être appliqué localement contre le terrain à abattre, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un ensemble électromécanique tel que mentionné ci-dessus, le ou chaque organe rotatif étant formé de ladite ou d'une desdites molette(s).According to other advantageous aspects of the invention, the electromechanical assembly comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination: the first electromagnetic coupling means comprise a first coil and the second coupling means electromagnetic means comprise a second coil magnetically coupled to the first coil; the detection means furthermore comprise means for measuring in real time an electrical quantity integrated in the fixed part of the or each rotary member, said measuring means being able to measure the output current or the impedance or the voltage of the corresponding first coil; the measurement system comprises at least one electronic processing unit, which is integrated in the fixed part of one or one of the rotatable member (s) and which is connected to the first electromagnetic coupling exchange means of said fixed part, and the measurement system further comprises means for real-time measurement of the temperature of the rotary member and means for measuring in real time the speed of rotation of the element, connected to the unit of measurement. corresponding treatment; the fixed part of the or each rotary member furthermore comprises first means for exchanging energy and data connected to the processing unit, and the assembly furthermore comprises at least one support for one or more of the rotatable member (s), the or each support comprising second energy and data exchange means coupled with the first energy and data exchange means of the rotary member which it supports, the first energy and data exchange means being adapted to transmit to the second energy exchange means and data with which they are coupled data relating to the associated rotary member, the second means of exchange of energy and data; energy and data being adapted to transmit to the first energy exchange means and data with which they are coupled energy for supplying the associated rotary member; the measurement system further comprises an electronic processing device, which is connected to the second energy and data exchange means and which is connected to power supply means for supplying power to the second means of power supply. exchange of energy and data, said processing device communicating with a system for monitoring and controlling the electromechanical assembly and being able to transmit to this system data transmitted by the second means for exchanging energy and data ; the first energy and data exchange means comprise a first coil and the second energy and data exchange means comprise a second coil, the second coil of the or each support being magnetically coupled with the first coil; the or each rotary member that it supports; and the or each electrical circuit further comprises at least one non-linear passive component or at least one controllable active component, the or each passive or active component being connected to the electric wire and to the second electromagnetic coupling means of the corresponding element. The invention also relates to a tunnel boring machine, comprising a cutting head provided with means for felling the land through which the tunneling machine progresses to dig a tunnel, the felling means comprising at least one wheel provided with a shaft and a disk rotatably mounted on the shaft, the disk being intended to be applied locally against the ground to be felled, characterized in that it is equipped with an electromechanical assembly as mentioned above, the or each rotary member being formed of said or one of said wheel (s).
Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins, dans lesquels : - la figure 1 est une coupe schématique longitudinale d'un tunnelier conforme à l'invention, comprenant un ensemble électromécanique également conforme à l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'une molette de la tête de coupe du tunnelier de la figure 1, comprenant un circuit électrique ; - la figure 3 est un schéma électrique du circuit électrique de la figure 2 selon un premier mode de réalisation ; - la figure 4 est un schéma bloc des éléments constitutifs de l'ensemble électromécanique de la figure 1, et des flux de données entre ces éléments constitutifs ; - la figure 5 est une vue en élévation, selon la flèche V de la figure 1, de la tête de coupe du tunnelier ; - les figures 6 et 7 sont des ensembles de courbes représentant la réponse fréquentielle respectivement en gain et en phase de l'impédance d'une bobine intégrée dans l'arbre de la molette de la figure 2, chaque ensemble comprenant deux courbes, dont l'une correspond à l'état fermé du circuit électrique de la figure 3, et l'autre à l'état ouvert ; - la figure 8 est un schéma électrique analogue à la figure 3 du circuit électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 9 et 10 sont des représentations graphiques de la transformée de Fourier rapide du courant de sortie d'une bobine intégrée dans l'arbre de la molette de la figure 2, selon que le circuit électrique de la figure 8 est respectivement dans son état fermé, et dans son état ouvert.These features and advantages of the invention will appear on reading the description which follows, given solely by way of nonlimiting example, and with reference to the drawings, in which: FIG. 1 is a schematic longitudinal section of FIG. a TBM according to the invention, comprising an electromechanical assembly also according to the invention; FIG. 2 is a schematic representation of a wheel of the cutter head of the TBM of FIG. 1, comprising an electric circuit; FIG. 3 is an electrical diagram of the electric circuit of FIG. 2 according to a first embodiment; FIG. 4 is a block diagram of the constituent elements of the electromechanical assembly of FIG. 1, and data flows between these constituent elements; - Figure 5 is an elevational view along the arrow V of Figure 1, the cutting head of the tunnel boring machine; FIGS. 6 and 7 are sets of curves representing the frequency response respectively in gain and in phase of the impedance of a coil integrated in the shaft of the wheel of FIG. 2, each set comprising two curves, of which one corresponds to the closed state of the electric circuit of FIG. 3, and the other to the open state; FIG. 8 is a circuit diagram similar to FIG. 3 of the electric circuit according to a second embodiment of the invention; and FIGS. 9 and 10 are graphical representations of the fast Fourier transform of the output current of a coil integrated in the wheel shaft of FIG. 2, according to whether the electric circuit of FIG. its closed state, and in its open state.
Sur la figure 1 est représenté schématiquement un tunnelier 1 qui comporte de manière classique une enveloppe tubulaire à base sensiblement circulaire, incluant deux parties longitudinales indépendantes, à savoir un bouclier frontal 2 et un bouclier arrière 4. Le tunnelier 1 est intérieurement équipé d'un dispositif 6, non représenté en détail sur la figure 1 et tel qu'un érecteur, permettant la pause de voussoirs 8 à l'intérieur du bouclier arrière 4, comme connu en soi. Les voussoirs 8 sont constitués, par exemple, par des portions tubulaires en béton préfabriqué ou en fonte et sont conçus pour être assemblés les uns aux autres de manière à former conjointement un anneau 10 destiné à consolider la paroi interne d'un tunnel T creusé par le tunnelier 1.FIG. 1 shows diagrammatically a tunnel boring machine 1 which conventionally comprises a tubular envelope with a substantially circular base, including two independent longitudinal parts, namely a front bumper 2 and a rear bumper 4. The borer 1 is internally equipped with a device 6, not shown in detail in Figure 1 and such as an erector, allowing the break of voussoirs 8 inside the rear shield 4, as known per se. The voussoirs 8 are constituted, for example, by tubular portions of precast concrete or cast iron and are designed to be assembled to each other so as to jointly form a ring 10 for consolidating the inner wall of a tunnel T dug by the tunnel boring machine 1.
Le tunnelier 1 est également équipé de moyens de déplacement vers l'avant 14 qui, par exemple, sont formés par une couronne de vérins dont la partie fixe est solidaire du bouclier frontal 2 tandis que les actionneurs mobiles sont conçus pour venir s'appuyer contre la tranche des voussoirs 8 de l'anneau 10 dernièrement assemblés à l'intérieur du bouclier arrière 4, de façon à exercer sur le bouclier frontal 2 une poussée vers l'avant nécessaire à l'abattage du terrain à traverser. Moyennant des écarts de poussée entre ces différents vérins, les variations de direction d'avancée du bouclier frontal 2 sont obtenues, en vue de faire suivre au tunnelier 1 une trajectoire prédéterminée éventuellement courbe. On comprend que, par répétition de séquences au cours de chacune desquelles, successivement, un anneau 10 est assemblé, le bouclier frontal 2 progresse vers l'avant et le bouclier arrière 4 est tiré vers l'avant, le tunnelier 1 creuse progressivement le tunnel T, tout en le consolidant par les anneaux 10. Le tunnelier 1 comporte également un ensemble électromécanique 16, conforme à l'invention. L'ensemble électromécanique 16 comprend au moins un organe rotatif 18. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 5, l'ensemble électromécanique 16 comprend plusieurs organes rotatifs 18, chaque organe rotatif 18 étant formé d'une molette de concassage. Chaque organe rotatif 18 comprend une partie fixe 20 et un élément 22 monté mobile en rotation sur la partie fixe. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, chaque partie fixe 20 est formée d'un arbre de molette 18, et chaque élément 22 est formé d'un disque de molette 18. Comme représenté sur les figures 3 et 4, l'arbre 20 de chaque molette 18 comporte des premiers moyens de couplage électromagnétique 26, tandis que le disque 22 comporte des deuxièmes moyens de couplage électromagnétique 28 couplés aux premiers moyens 26. Plus précisément, les deuxièmes moyens de couplage électromagnétique 28 sont disposés dans le moyeu 29 du disque 22 de chaque molette, comme illustré sur la figure 2. Les premiers moyens de couplage électromagnétique 26 comprennent par exemple une première bobine 30 et les deuxièmes moyens de couplage électromagnétique 28 comprennent une deuxième bobine 32, couplée magnétiquement à la première bobine 30. Le couplage électromagnétique entre les premiers et deuxièmes moyens de couplage 26, 28 est ainsi un couplage électromagnétique de type inductif rotatif. En complément non représenté, les premiers et deuxièmes moyens de couplage électromagnétique 26, 28 comprennent avantageusement chacun un condensateur, connecté en série ou en parallèle à la première bobine 30, respectivement à la deuxième bobine 32. Ceci permet de faire fonctionner le couplage à une fréquence proche de la résonance.The tunnel boring machine 1 is also equipped with means for moving forward 14 which, for example, are formed by a ring of cylinders whose fixed part is integral with the front bumper 2 while the movable actuators are designed to come to rest against the edge of the voussoirs 8 of the ring 10 recently assembled inside the rear bumper 4, so as to exert on the front bumper 2 a forward thrust necessary for the felling of the ground to cross. By means of thrust differences between these different cylinders, the forward direction of the front bumper 2 variations are obtained, in order to follow the TBM 1 a predetermined path possibly curved. It is understood that, by repetition of sequences during each of which, successively, a ring 10 is assembled, the front bumper 2 progresses forward and the rear bumper 4 is pulled forward, the tunnel boring machine 1 progressively digs the tunnel T, while consolidating it by the rings 10. The tunnel boring machine 1 also comprises an electromechanical assembly 16, according to the invention. The electromechanical assembly 16 comprises at least one rotary member 18. In the embodiment of Figures 1 to 5, the electromechanical assembly 16 comprises a plurality of rotary members 18, each rotary member 18 being formed of a crushing wheel. Each rotary member 18 comprises a fixed part 20 and an element 22 mounted to rotate on the fixed part. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2, each fixed part 20 is formed of a wheel shaft 18, and each element 22 is formed of a wheel disk 18. As shown in FIGS. 3 and 4, FIG. 20 of each wheel 18 comprises first electromagnetic coupling means 26, while the disk 22 comprises second electromagnetic coupling means 28 coupled to the first means 26. More specifically, the second electromagnetic coupling means 28 are arranged in the hub 29 of the disk 22 of each wheel, as shown in FIG. 2. The first electromagnetic coupling means 26 comprise for example a first coil 30 and the second electromagnetic coupling means 28 comprise a second coil 32, magnetically coupled to the first coil 30 The electromagnetic coupling between the first and second coupling means 26, 28 is thus an electromagnetic coupling rotary inductive type. In addition, not shown, the first and second electromagnetic coupling means 26, 28 each advantageously comprise a capacitor, connected in series or in parallel with the first coil 30, respectively with the second coil 32. This makes it possible to make the coupling work at a minimum. frequency close to the resonance.
L'arbre 20 de chaque molette 18 comporte en outre des premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37. Les premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37 comprennent par exemple une bobine 38. En complément non représenté, les premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37 comprennent avantageusement un condensateur connecté en série ou en parallèle à la bobine 38. Ceci permet de faire fonctionner le couplage à une fréquence proche de la résonance. L'ensemble électromécanique 16 comprend également une tête de coupe 40 et un système 42 de mesure de l'usure du ou de chaque organe rotatif 18. La tête de coupe 40 est portée par le bouclier frontal 2 et vient en contact avec un front de taille pour abattre la formation géologique traversée par le tunnelier 1 et ainsi réaliser le tunnel T.The shaft 20 of each wheel 18 also comprises first energy and data exchange means 37. The first energy and data exchange means 37 comprise, for example, a coil 38. In addition, not shown, the first energy and data exchange means 37 advantageously comprise a capacitor connected in series or in parallel with the coil 38. This makes it possible to operate the coupling at a frequency close to the resonance. The electromechanical assembly 16 also comprises a cutting head 40 and a system 42 for measuring the wear of the or each rotary member 18. The cutting head 40 is carried by the front shield 2 and comes into contact with a front face. size to cut down the geological formation traversed by the TBM 1 and thus realize the tunnel T.
Comme visible sur la figure 5, la tête de coupe 40 se présente sous la forme générale d'un plateau circulaire 40A de diamètre D sensiblement égal aux diamètres du bouclier arrière 4 et du bouclier frontal 2. Ce plateau de la tête de coupe est entraîné en rotation par au moins un moteur, non représenté sur les figures, à une vitesse déterminée qui est fonction de la nature du terrain à creuser.As can be seen in FIG. 5, the cutting head 40 is in the general form of a circular plate 40A of diameter D substantially equal to the diameters of the rear bumper 4 and the front bumper 2. This plate of the cutting head is driven in rotation by at least one motor, not shown in the figures, at a determined speed which is a function of the nature of the ground to be excavated.
Le plateau 40A de la tête de coupe 40 porte, sur sa face avant destinée à être au contact du terrain, des outils de travail 43. Les outils de travail 43 sont par exemple formés des molettes de concassage 18 et/ou d'outils d'abattage, ces derniers n'étant pas représentés sur les figures dans un but de simplification. Plus particulièrement, comme illustré sur la figure 5, le plateau 40A délimite plusieurs compartiments 44 de support de molettes 18, chaque compartiment 44 étant propre à recevoir une molette 18. Dans l'exemple de réalisation, chaque compartiment de support 44 est porté par un bras 46. Chaque bras 46 s'étend par exemple selon une direction radiale donnée. En revenant à la figure 4, chaque compartiment de support 44 comporte des deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47. Les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 comprennent par exemple une bobine 48. En complément non représenté, les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 comprennent avantageusement un condensateur connecté en série ou en parallèle à la bobine 48. Ceci permet de faire fonctionner le couplage à une fréquence proche de la résonance. La bobine 48 de chaque compartiment de support 44 est couplée magnétiquement avec la bobine 38 de chaque molette 18 qu'il supporte. Les premiers et deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 37, 47 sont ainsi conçus pour échanger de l'énergie et des données par couplage électromagnétique, de type inductif. Plus particulièrement, les premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37 sont adaptés pour transmettre aux deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 des données relatives à la molette 18 à l'intérieur de laquelle ils sont agencés, suivant le sens des flèches F1 sur la figure 4. En outre, les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 de chaque compartiment de support 44 sont adaptés pour transmettre de l'énergie aux premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37 de la molette 18 qu'il supporte, pour l'alimentation de cette molette, suivant le sens des flèches F2 sur la figure 4.The plate 40A of the cutting head 40 carries, on its front face intended to be in contact with the ground, working tools 43. The working tools 43 are for example formed crushing wheels 18 and / or tools d slaughter, the latter being not shown in the figures for the sake of simplification. More particularly, as illustrated in FIG. 5, the plate 40A delimits several compartments 44 of wheel support 18, each compartment 44 being adapted to receive a wheel 18. In the exemplary embodiment, each support compartment 44 is carried by a arm 46. Each arm 46 extends for example in a given radial direction. Referring back to FIG. 4, each support compartment 44 has second energy and data exchange means 47. The second energy and data exchange means 47 comprise, for example, a coil 48. As shown, the second energy and data exchange means 47 advantageously comprise a capacitor connected in series or in parallel with the coil 48. This makes it possible to operate the coupling at a frequency close to the resonance. The coil 48 of each support compartment 44 is magnetically coupled with the coil 38 of each wheel 18 that it supports. The first and second energy and data exchange means 37, 47 are thus designed to exchange energy and data by electromagnetic coupling, of the inductive type. More particularly, the first means for exchanging energy and data 37 are adapted to transmit to the second energy and data exchange means 47 data relating to the wheel 18 inside which they are arranged, according to the direction of the arrows F1 in FIG. 4. In addition, the second energy and data exchange means 47 of each support compartment 44 are adapted to transmit energy to the first energy exchange means and data 37 of the wheel 18 that it supports, for feeding this wheel, in the direction of the arrows F2 in Figure 4.
L'échange d'énergie et de données entre les premiers et deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 37, 47 est par exemple effectué selon une technologie de type « courant porteur en ligne », connue en soi. En pratique, cette transmission est par exemple effectuée par modulation de fréquence. Sous l'action de la poussée exercée par les moyens de déplacement vers l'avant 14 sur le bouclier frontal 2, la tête de coupe 40 est mise en contact avec le front de taille. On comprend ainsi que le disque 22 de chaque molette 18 est destiné à être usé par abrasion contre le terrain traversé par le tunnelier 1. Le système de mesure 42 comprend au moins un circuit électrique 50 agencé à l'intérieur du disque 22 de chaque molette 18. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 5, le système de mesure 42 comprend plusieurs circuits électriques 50. Plus précisément, comme illustré sur la figure 2, le système de mesure 42 comprend, pour chaque molette 18, un circuit électrique 50 agencé à l'intérieur du disque 22 de la molette 18. Comme représenté sur la figure 2, chaque circuit électrique 50 comprend un fil électrique 51 adapté pour être sectionné lorsqu'une cote d'usure prédéterminée du disque 22 correspondant est atteinte. Ce fil électrique 51 est relié aux deuxièmes moyens de couplage électromagnétique 28 du disque 22 correspondant. Plus précisément, dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 3, le fil électrique 51 est connecté entre les deux bornes de la deuxième bobine 32. Le fil électrique 51 est assimilable à un interrupteur électrique apte à passer d'un état fermé à un état ouvert, le passage de l'état fermé à l'état ouvert correspondant au sectionnement du fil électrique 51.The energy and data exchange between the first and second energy and data exchange means 37, 47 is for example carried out according to a technology of the "power line carrier" type, known per se. In practice, this transmission is for example carried out by frequency modulation. Under the action of the thrust exerted by the means of displacement forwards 14 on the front bumper 2, the cutting head 40 is brought into contact with the face of size. It is thus understood that the disk 22 of each wheel 18 is intended to be worn out by abrasion against the ground traversed by the tunneling machine 1. The measurement system 42 comprises at least one electrical circuit 50 arranged inside the disk 22 of each wheel 18. In the embodiment of FIGS. 1 to 5, the measurement system 42 comprises several electrical circuits 50. More specifically, as illustrated in FIG. 2, the measurement system 42 comprises, for each wheel 18, an electrical circuit 50, as shown in FIG. 2, each electrical circuit 50 comprises an electrical wire 51 adapted to be cut when a predetermined wear dimension of the corresponding disc 22 is reached. This electric wire 51 is connected to the second electromagnetic coupling means 28 of the corresponding disc 22. More precisely, in the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3, the electrical wire 51 is connected between the two terminals of the second coil 32. The electric wire 51 can be likened to an electrical switch able to move from a closed state to an open state, the transition from the closed state to the open state corresponding to the cutting of the electrical wire 51.
Le système de mesure 42 comprend avantageusement au moins un dispositif 52 de mesure d'une grandeur électrique et au moins une unité électronique de traitement 54. Il comprend en outre avantageusement au moins un capteur de température 56, au moins un capteur de vitesse 58, ainsi qu'un dispositif électronique de traitement 60.The measuring system 42 advantageously comprises at least one device 52 for measuring an electrical quantity and at least one electronic processing unit 54. It advantageously also comprises at least one temperature sensor 56, at least one speed sensor 58, as well as an electronic processing device 60.
Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 5, le système de mesure 42 comprend, pour chaque molette 18, un dispositif de mesure 52 et une unité de traitement 54 intégrés dans l'arbre 20 de la molette. Le système de mesure 42 comprend en outre, agencés dans chaque molette 18, un capteur de température 56 et un capteur de vitesse 58. Il comprend également un dispositif de traitement 60 intégré dans la tête de coupe 40.In the embodiment of Figures 1 to 5, the measuring system 42 comprises, for each wheel 18, a measuring device 52 and a processing unit 54 integrated in the shaft 20 of the wheel. The measuring system 42 further comprises, arranged in each wheel 18, a temperature sensor 56 and a speed sensor 58. It also comprises a processing device 60 integrated in the cutting head 40.
Comme illustré sur la figure 4, chaque dispositif de mesure 52 d'une grandeur électrique est connecté à l'unité de traitement 54 de l'arbre 20 dans lequel il est agencé. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, chaque dispositif de mesure 52 est par exemple formé d'une sonde de courant reliée à la sortie de la première bobine 30. Chaque dispositif de mesure 52 est ainsi apte à mesurer le courant de sortie de la première bobine 30 de l'arbre 20, lorsque cette bobine 30 est alimentée par un courant d'entrée. En variante non représentée, chaque dispositif de mesure 52 est apte à mesurer l'impédance de la première bobine 30 de l'arbre 20. En variante encore, chaque dispositif de mesure 52 est apte à mesurer la tension aux bornes de la première bobine 30 de l'arbre 20.As illustrated in FIG. 4, each measurement device 52 of an electrical quantity is connected to the processing unit 54 of the shaft 20 in which it is arranged. In the embodiment of FIG. 4, each measuring device 52 is for example formed of a current probe connected to the output of the first coil 30. Each measuring device 52 is thus able to measure the output current. of the first coil 30 of the shaft 20, when the coil 30 is fed with an input current. As a variant, not shown, each measuring device 52 is able to measure the impedance of the first coil 30 of the shaft 20. In another variant, each measuring device 52 is able to measure the voltage across the first coil 30 of the tree 20.
Chaque unité de traitement 54 est connectée entre les premiers moyens de couplage électromagnétique 26 et les premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37 de l'arbre 20 dans lequel elle est agencée. Plus précisément, dans l'exemple de réalisation décrit sur la figure 4, chaque unité de traitement 54 est reliée d'une part aux deux bornes de la première bobine 30, et d'autre part aux deux bornes de la bobine 38.Each processing unit 54 is connected between the first electromagnetic coupling means 26 and the first energy and data exchange means 37 of the shaft 20 in which it is arranged. More precisely, in the exemplary embodiment described in FIG. 4, each processing unit 54 is connected on the one hand to the two terminals of the first coil 30, and on the other hand to the two terminals of the coil 38.
Chaque unité de traitement 54 comporte par exemple un redresseur de courant alimentant un microcontrôleur, et un circuit électronique de type détecteur. Le redresseur est relié aux premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37. Le microcontrôleur est relié aux premiers moyens de couplage électromagnétique 26, au capteur de température 56 et au capteur de vitesse 58 de la molette 18 dans laquelle il est agencé. Il est apte à générer un courant alternatif, de préférence sinusoïdal, à partir du courant continu transmis par le redresseur. Le microcontrôleur est également apte à alimenter les premiers moyens de couplage électromagnétique 26 avec ce courant alternatif. Le circuit électronique de type détecteur est relié d'une part au dispositif de mesure 52 et d'autre part au microcontrôleur. Il est classiquement formé d'un filtre passe- bande relié à un détecteur de seuil. Le circuit électronique de type détecteur est ainsi adapté pour comparer la valeur du courant de sortie de la première bobine 30 mesuré à une valeur prédéterminée, et à ainsi fournir au microcontrôleur un signal électronique apte à prendre deux valeurs distinctes. Une des valeurs du signal électronique indique un état d'usure « normale » du disque 22 correspondant, l'autre valeur indiquant un état d'usure « anormale » du disque. Le filtre du circuit détecteur de chaque unité de traitement 54 est adapté pour éviter le passage intempestif et erroné du signal électronique de sa valeur « normale » à sa valeur « anormale ». Le microcontrôleur de chaque unité de traitement 54 est propre à générer un message numérique comportant des données de température transmises par le capteur de température 56 auquel il est relié, des données de vitesse de rotation transmises par le capteur de vitesse 58 auquel il est relié, et une donnée binaire transmise par le circuit détecteur et indiquant l'état d'usure du disque 22 correspondant. De préférence, le message numérique comporte en outre un numéro d'identification unique de la molette 18 à l'intérieur de laquelle l'unité de traitement 54 est agencée, ce numéro d'identification étant préenregistré au sein du microcontrôleur.Each processing unit 54 comprises, for example, a current rectifier supplying a microcontroller, and a detector type electronic circuit. The rectifier is connected to the first energy and data exchange means 37. The microcontroller is connected to the first electromagnetic coupling means 26, to the temperature sensor 56 and to the speed sensor 58 of the wheel 18 in which it is arranged. . It is able to generate an alternating current, preferably sinusoidal, from the direct current transmitted by the rectifier. The microcontroller is also able to supply the first electromagnetic coupling means 26 with this alternating current. The detector type electronic circuit is connected on the one hand to the measuring device 52 and on the other hand to the microcontroller. It is conventionally formed of a bandpass filter connected to a threshold detector. The detector type electronic circuit is thus adapted to compare the value of the output current of the first measured coil 30 with a predetermined value, and thus to provide the microcontroller with an electronic signal capable of taking two distinct values. One of the values of the electronic signal indicates a "normal" state of wear of the corresponding disk 22, the other value indicating an "abnormal" state of wear of the disk. The filter of the detector circuit of each processing unit 54 is adapted to prevent the inadvertent and erroneous passage of the electronic signal from its "normal" value to its "abnormal" value. The microcontroller of each processing unit 54 is able to generate a digital message comprising temperature data transmitted by the temperature sensor 56 to which it is connected, data of speed of rotation transmitted by the speed sensor 58 to which it is connected, and a bit data transmitted by the detector circuit and indicating the state of wear of the corresponding disk 22. Preferably, the digital message further comprises a unique identification number of the wheel 18 within which the processing unit 54 is arranged, this identification number being prerecorded within the microcontroller.
Chaque capteur de température 56 est apte à mesurer en temps réel la température à l'intérieur de la molette 18 à l'intérieur de laquelle il est agencé. Chaque capteur de vitesse 58 est apte à mesurer en temps réel la vitesse de rotation du disque 22 de la molette 18 à l'intérieur de laquelle il est agencé. Chaque capteur de vitesse 58 est par exemple un capteur à effet Hall, monté sur l'arbre 20 d'une molette 18 et couplé à plusieurs aimants solidaires du disque 22 de cette molette. Le dispositif de traitement 60 est relié d'une part aux deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 de chaque compartiment de support 44, et d'autre part à un système 62 de supervision et de pilotage de l'ensemble électromécanique 16, agencé à l'intérieur du bouclier frontal 2. Plus précisément, le dispositif de traitement 60 est formé d'un module électronique principal 64 et de plusieurs modules électroniques secondaires 66. Le module électronique principal 64 est relié aux modules électroniques secondaires 66 et au système de supervision et de pilotage 62, par exemple au moyen de plusieurs liaisons filaires bidirectionnelles 68. Le module électronique principal 64 est en outre relié, via une liaison d'alimentation 69, à des moyens d'alimentation en énergie, non représentés sur les figures, ces moyens d'alimentation étant agencés au sein du bouclier frontal 2 et étant par exemple formés d'un générateur de courant alternatif. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 à 5, le module électronique principal 64 est agencé de manière avantageuse sensiblement au centre du plateau 40A de la tête de coupe 40.Each temperature sensor 56 is able to measure in real time the temperature inside the wheel 18 inside which it is arranged. Each speed sensor 58 is able to measure in real time the speed of rotation of the disc 22 of the wheel 18 inside which it is arranged. Each speed sensor 58 is for example a Hall effect sensor, mounted on the shaft 20 of a wheel 18 and coupled to several magnets secured to the disk 22 of this wheel. The processing device 60 is connected on the one hand to the second energy and data exchange means 47 of each support compartment 44, and on the other hand to a system 62 for monitoring and controlling the electromechanical assembly. 16, arranged inside the front bumper 2. More specifically, the processing device 60 is formed by a main electronic module 64 and several secondary electronic modules 66. The main electronic module 64 is connected to the secondary electronic modules 66 and to the supervision and control system 62, for example by means of several bidirectional wired links 68. The main electronic module 64 is furthermore connected, via a power supply link 69, to power supply means, not shown on the figures, these supply means being arranged within the front shield 2 and being for example formed of an alternating current generator. In the embodiment of Figures 1 to 5, the main electronic module 64 is advantageously arranged substantially in the center of the plate 40A of the cutting head 40.
Le module électronique principal 64 comporte notamment des moyens de calcul, par exemple formés d'un processeur, et une mémoire reliée aux moyens de calcul.The main electronic module 64 comprises in particular calculation means, for example formed by a processor, and a memory connected to the calculation means.
Chaque liaison filaire bidirectionnelle 68 est, par exemple, un bus de terrain. Chaque module électronique secondaire 66 est intégré à l'intérieur de la tête de coupe 40, par exemple dans un bras 46 et est connecté d'une part aux deux bornes de la bobine 48 de chaque compartiment de support 44 porté par ce bras 46, et d'autre part au module électronique principal 64. Chaque module électronique est en outre relié, pour son alimentation en énergie, au module électronique principal 64, via une ou plusieurs liaison(s) de transmission d'énergie non représentée(s) sur les figures. Le dispositif de traitement 60 est propre à transmettre au système de supervision et de pilotage 62 des données relatives à chaque molette 18, en particulier des données représentatives de l'état d'usure de chaque molette 18. Ces données sont préalablement transmises par les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 de chaque compartiment de support 44 et correspondent aux données contenues dans le message numérique généré par le microcontrôleur de la molette 18 qu'il supporte. En service, le module électronique principal 64 du dispositif de traitement 60 est alimenté par le générateur de courant alternatif, via la liaison d'alimentation 69. Le module électronique principal 64 alimente alors chaque module électronique secondaire 66. Pour chaque bras 46, le module électronique secondaire 66 agencé dans ce bras alimente alors en courant alternatif les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 d'un premier compartiment de support 44 auquel il est relié. La bobine 48 de ce premier compartiment de support 44 induit alors un courant alternatif au sein de la bobine 38 de la molette 18 reçue par ce premier compartiment 44, pendant une durée par exemple comprise entre une dizaine de secondes et quelques dizaines de secondes. Ce courant induit circule au sein de l'unité de traitement 54 de la molette 18. Plus précisément, le courant alternatif induit est redressé en courant continu par le redresseur de courant, ce courant continu alimentant le microcontrôleur. Le microcontrôleur génère à son tour un courant alternatif de fréquence f1, de préférence sinusoïdal, à partir du courant continu transmis par le redresseur. Dans l'exemple de réalisation, la valeur de la fréquence f1 est sensiblement égale à 4 kHz. Le courant alternatif de fréquence f1 généré alimente la première bobine 30 de la molette 18.Each bidirectional wire link 68 is, for example, a fieldbus. Each secondary electronic module 66 is integrated inside the cutting head 40, for example in an arm 46 and is connected on the one hand to the two terminals of the coil 48 of each support compartment 44 carried by the arm 46, and on the other hand to the main electronic module 64. Each electronic module is further connected, for its power supply, to the main electronic module 64, via one or more energy transmission link (s) not shown on the figures. The processing device 60 is capable of transmitting to the monitoring and control system 62 data relating to each wheel 18, in particular data representative of the state of wear of each wheel 18. These data are previously transmitted by the second wheels. means for exchanging energy and data 47 of each support compartment 44 and correspond to the data contained in the digital message generated by the microcontroller of the wheel 18 that it supports. In use, the main electronic module 64 of the processing device 60 is powered by the AC generator, via the power supply link 69. The main electronic module 64 then supplies each secondary electronic module 66. For each arm 46, the module secondary electronics 66 arranged in this arm then supplies alternating current the second means of energy and data exchange 47 of a first support compartment 44 to which it is connected. The coil 48 of this first support compartment 44 then induces an alternating current within the coil 38 of the wheel 18 received by this first compartment 44, for a period of time for example between ten seconds and a few tens of seconds. This induced current circulates within the processing unit 54 of the wheel 18. More specifically, the induced alternating current is rectified by direct current by the current rectifier, this direct current supplying the microcontroller. The microcontroller in turn generates an alternating current of frequency f1, preferably sinusoidal, from the direct current transmitted by the rectifier. In the exemplary embodiment, the value of the frequency f1 is substantially equal to 4 kHz. The alternating current of frequency f1 generated feeds the first coil 30 of the wheel 18.
Au cours de la phase d'alimentation de la molette 18, le dispositif 52 mesure en temps réel le courant de sortie de la première bobine 30 de l'arbre 20. Le dispositif 52 transmet cette mesure au circuit détecteur de l'unité de traitement 54 correspondante. Le circuit détecteur transmet au microcontrôleur le signal électronique dont la valeur indique un état d'usure « normale » du disque 22. En parallèle, le capteur de température 56 et le capteur de vitesse 58 transmettent au microcontrôleur leurs mesures respectives. Le microcontrôleur élabore alors un message numérique comportant l'ensemble de ces données, ainsi que le numéro d'identification de la molette 18. Il transmet ce message au module électronique secondaire 66 du bras 46 correspondant, via les premiers et deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 37, 47. Lors d'une étape suivante, pour chaque bras 46, le module électronique secondaire 66 agencé dans ce bras alimente en courant alternatif les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47 d'un deuxième compartiment de support 44 auquel il est relié. La bobine 48 de ce deuxième compartiment de support 44 induit alors un courant alternatif au sein de la bobine 38 de la molette 18 reçue par ce deuxième compartiment 44, pendant une durée par exemple comprise entre une dizaine de secondes et quelques dizaines de secondes. Les étapes décrites précédemment sont alors appliquées à la molette 18 reçue par ce deuxième compartiment, et ainsi de suite jusqu'à ce que la molette 18 de chaque compartiment de support 44 ait été alimentée. On comprend ainsi que les molettes 18 associées à un même bras 46 sont alimentées tour à tour, chacune pendant une durée par exemple comprise entre une dizaine de secondes et quelques dizaines de secondes. Ceci permet de réduire sensiblement la consommation d'énergie électrique de l'ensemble électromécanique 16. Le module électronique secondaire 66 de chaque bras 46 transmet alors au module électronique principal 64 l'ensemble des messages électroniques relatifs aux molettes 18 supportées par les compartiments de support 44 de ce bras, via une des liaisons filaires bidirectionnelles 68. Le module électronique principal 64 communique ensuite au système de supervision et de pilotage 62 l'ensemble des messages électroniques relatifs à l'ensemble des molettes 18 du tunnelier 1, via une liaison filaire bidirectionnelle 68. Si au cours de l'alimentation d'une molette 18, le fil électrique 51 agencé dans le disque 22 de cette molette est sectionné du fait d'une usure du disque jusqu'à sa cote d'usure prédéterminée, la valeur du courant de sortie de la première bobine 30 est alors modifiée, en raison du couplage inductif entre la première bobine 30 et la deuxième bobine 32. Le dispositif de mesure 52 transmet alors la valeur modifiée du courant de sortie mesuré au circuit détecteur. Par comparaison entre la valeur du courant de sortie de la première bobine 30 et une valeur de courant prédéterminée, le circuit détecteur modifie alors la valeur du signal électronique représentatif de l'état d'usure du disque 22 de sorte à ce que cette valeur indique un état d'usure « anormale » du disque. Sur la figure 6, les courbes 70, 72 représentent la réponse fréquentielle en gain de l'impédance de la première bobine 30, respectivement lorsque le fil électrique 51 n'est pas sectionné et lorsqu'il est sectionné, pour différentes valeurs de la fréquence f1 du courant d'entrée.During the feeding phase of the wheel 18, the device 52 measures in real time the output current of the first coil 30 of the shaft 20. The device 52 transmits this measurement to the detector circuit of the processing unit 54 corresponding. The detector circuit transmits to the microcontroller the electronic signal whose value indicates a "normal" state of wear of the disc 22. In parallel, the temperature sensor 56 and the speed sensor 58 transmit to the microcontroller their respective measurements. The microcontroller then produces a digital message comprising all of these data, as well as the identification number of the wheel 18. It transmits this message to the secondary electronic module 66 of the corresponding arm 46, via the first and second exchange means 37 and 47. In a next step, for each arm 46, the secondary electronic module 66 arranged in this arm supplies alternating current to the second energy and data exchange means 47. a second support compartment 44 to which it is connected. The coil 48 of this second support compartment 44 then induces an alternating current within the coil 38 of the wheel 18 received by the second compartment 44, for a period of time for example between ten seconds and a few tens of seconds. The steps described above are then applied to the wheel 18 received by the second compartment, and so on until the wheel 18 of each support compartment 44 has been powered. It is thus understood that the knobs 18 associated with the same arm 46 are fed in turn, each for a duration for example between ten seconds and a few tens of seconds. This significantly reduces the electrical energy consumption of the electromechanical assembly 16. The secondary electronic module 66 of each arm 46 then transmits to the main electronic module 64 all the electronic messages relating to the wheels 18 supported by the support compartments 44 of this arm, via one of the bidirectional wired links 68. The main electronic module 64 then communicates to the monitoring and control system 62 all the electronic messages relating to all the wheels 18 of the TBM 1, via a wired link bidirectional 68. If during the feeding of a wheel 18, the electric wire 51 arranged in the disc 22 of this wheel is cut due to a wear of the disk to its predetermined wear rating, the value the output current of the first coil 30 is then modified, due to the inductive coupling between the first coil 30 and the second coil 3 2. The measuring device 52 then transmits the modified value of the measured output current to the detector circuit. By comparison between the value of the output current of the first coil 30 and a predetermined current value, the detector circuit then modifies the value of the electronic signal representative of the state of wear of the disk 22 so that this value indicates an "abnormal" state of wear of the disc. In FIG. 6, the curves 70, 72 represent the frequency response in gain of the impedance of the first coil 30, respectively when the electric wire 51 is not cut and when it is cut, for different values of the frequency f1 of the input current.
Sur la figure 7, les courbes 74, 76 représentent la réponse fréquentielle en phase de l'impédance de la première bobine 30, respectivement lorsque le fil électrique 51 n'est pas sectionné et lorsqu'il est sectionné, pour différentes valeurs de la fréquence f1 du courant d'entrée.In FIG. 7, the curves 74, 76 represent the frequency response in phase of the impedance of the first coil 30, respectively when the electric wire 51 is not cut and when it is cut, for different values of the frequency f1 of the input current.
On constate qu'a la fréquence f1 = 4 kHz, l'écart entre les courbes 70, 72 d'une part, et les courbes 74, 76 d'autre part, est suffisant pour détecter l'atteinte de la cote d'usure prédéterminée du disque 22, moyennant un réglage adéquat du circuit détecteur de l'unité de traitement 54. En pratique, le circuit détecteur est réglé sur la valeur de 4 kHz, c'est-à-dire sur la valeur de la fréquence f1 du courant d'entrée.It is noted that at the frequency f1 = 4 kHz, the difference between the curves 70, 72 on the one hand, and the curves 74, 76 on the other hand, is sufficient to detect the achievement of the wear rating predetermined in the disk 22, with a suitable adjustment of the detector circuit of the processing unit 54. In practice, the detector circuit is set to the value of 4 kHz, that is to say, the value of the frequency f1 of the input current.
La transmission, par le module électronique principal 64, de l'ensemble des messages électroniques au système de supervision et de pilotage 62, rend les données contenues dans ces messages disponibles pour un opérateur du tunnelier afin de prendre une décision quant à la maintenance des molettes 18. Une telle décision peut par exemple consister en la planification d'une intervention de maintenance sur la tête de coupe 40. De cette façon l'opérateur dispose, en temps réel, de données représentatives de l'état d'usure de chaque molette 18. En particulier, les valeurs des différents signaux électroniques reçus sont indicatives de l'état d'usure de chaque disque 22. Les valeurs des mesures de température au sein des molettes 18 permettent quant à elles de détecter d'éventuels problèmes au niveau des roulements de ces molettes, tandis que les valeurs de mesures de vitesse de rotation des disques 22 permettent de détecter la formation d'un « plat » éventuel sur la périphérie des disques 22, perturbant voire empêchant leur rotation contre le front de taille. L'invention telle que décrite permet ainsi de fournir de manière plus facile, plus fiable et plus précise des mesures relatives à l'usure de chaque organe rotatif 18 de l'ensemble 16, et notamment des mesures relatives à l'usure de l'élément rotatif 22 de chaque organe 18. En outre, les mesures et interprétations se faisant lors de la phase d'abattage du tunnelier, celles-ci n'entraînent aucun arrêt dédié du tunnelier. Les coûts de maintenance et d'exploitation du tunnelier sont donc réduits.The transmission, by the main electronic module 64, of all the electronic messages to the supervision and control system 62, makes the data contained in these messages available to a TBM operator in order to make a decision as to the maintenance of the wheels. 18. Such a decision may for example consist in the planning of a maintenance intervention on the cutting head 40. In this way the operator has, in real time, data representative of the state of wear of each wheel 18. In particular, the values of the various electronic signals received are indicative of the state of wear of each disk 22. The values of the temperature measurements in the knobs 18 make it possible to detect possible problems with the bearings of these wheels, while the rotational speed measurement values of the disks 22 can detect the formation of a possible "flat" on the periphery of disks 22, disrupting or even preventing their rotation against the face of size. The invention as described thus makes it possible to provide easier, more reliable and more accurate measurements relating to the wear of each rotary member 18 of the assembly 16, and in particular measurements relating to the wear of the rotating member 22 of each member 18. In addition, the measurements and interpretations being made during the slaughtering phase of the tunnel boring machine, these do not involve any dedicated stop TBM. The costs of maintenance and operation of the tunnel boring machine are therefore reduced.
La figure 8 illustre un deuxième mode de réalisation, pour lequel les éléments analogues au premier mode de réalisation décrit précédemment sont repérés par des références identiques. Selon ce deuxième mode de réalisation, chaque circuit électrique 50 comprend un fil électrique 51 et au moins un composant passif non linéaire 80. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 8, chaque circuit électrique 50 comprend une diode 80. Selon cet exemple de réalisation, la diode 80 de chaque circuit électrique 50 est connectée en série entre le fil électrique 51 et une borne de la deuxième bobine 32 du disque 22 correspondant. En variante non représentée, la diode 80 est connectée en parallèle du fil électrique 51 et de la deuxième bobine 32. En variante encore, chaque circuit électrique 50 ne comprend pas de composant passif non linéaire mais comprend au moins un composant actif commandable, le composant actif commandable de chaque circuit électrique 50 étant connecté au fil électrique 51 et à la deuxième bobine 32 du disque 22 correspondant. En outre, l'unité de traitement 54 de chaque arbre 20 ne comporte plus, selon ce deuxième mode de réalisation, de circuit électronique de type détecteur. L'unité de traitement 54 de chaque arbre 20 comporte en revanche, à la différence du premier mode de réalisation décrit précédemment, un module d'analyse harmonique relié d'une part au dispositif de mesure 52 et d'autre part au microcontrôleur. Le module d'analyse harmonique est apte à décomposer le courant de sortie mesuré de la première bobine 30 afin d'isoler les composantes harmoniques de ce courant. Pour ce faire, le module d'analyse harmonique est par exemple apte à filtrer, de préférence par un filtrage de type passe-haut, le courant de sortie mesuré, et à éliminer, dans ce courant de sortie, le signal porteur. Le module d'analyse harmonique est ensuite apte à mesurer l'amplitude des harmoniques de courant isolées, puis à comparer la valeur de cette amplitude à une valeur-seuil prédéterminée.FIG. 8 illustrates a second embodiment, for which elements similar to the first embodiment previously described are identified by identical references. According to this second embodiment, each electrical circuit 50 comprises an electric wire 51 and at least one non-linear passive component 80. In the embodiment illustrated in FIG. 8, each electrical circuit 50 comprises a diode 80. According to this example embodiment, the diode 80 of each electrical circuit 50 is connected in series between the electric wire 51 and a terminal of the second coil 32 of the corresponding disk 22. In a variant that is not shown, the diode 80 is connected in parallel with the electric wire 51 and the second coil 32. In another variant, each electrical circuit 50 does not comprise a non-linear passive component but comprises at least one controllable active component, the component controllable active of each electrical circuit 50 being connected to the electric wire 51 and the second coil 32 of the corresponding disc 22. In addition, the processing unit 54 of each shaft 20 no longer comprises, according to this second embodiment, a detector type electronic circuit. On the other hand, the processing unit 54 of each shaft 20 has, unlike the first embodiment described above, a harmonic analysis module connected on the one hand to the measuring device 52 and on the other hand to the microcontroller. The harmonic analysis module is able to break down the measured output current of the first coil 30 in order to isolate the harmonic components of this current. To do this, the harmonic analysis module is for example able to filter, preferably by a high-pass type filtering, the measured output current, and to eliminate, in this output current, the carrier signal. The harmonic analysis module is then able to measure the amplitude of the isolated current harmonics, and then to compare the value of this amplitude with a predetermined threshold value.
En fonction du résultat de cette comparaison, le module d'analyse harmonique est ainsi adapté pour fournir au microcontrôleur un signal électronique apte à prendre les deux valeurs distinctes décrites dans le premier mode de réalisation. Sur les figures 9 et 10 est représentée la transformée de Fourier rapide du courant de sortie de la première bobine 30, respectivement lorsque le fil électrique 51 n'est pas sectionné et lorsqu'il est sectionné. Lorsque le fil électrique 51 n'est pas sectionné, autrement dit lorsque le circuit électrique 50 correspondant est dans son état fermé, la transformée de Fourier rapide du courant de sortie de la première bobine 30 comporte, outre la composante fondamentale du courant de fréquence f1 = 4 kHz, une composante harmonique de fréquence égale à un multiple de la fréquence fondamentale. Cette composante harmonique est due à la présence de la diode 80 au sein du circuit électrique 50. Lorsque le fil électrique 51 est sectionné, autrement dit lorsque le circuit électrique 50 correspondant est dans son état ouvert, on constate que la transformée de Fourier rapide du courant de sortie de la première bobine 30 ne comporte que la composante fondamentale du courant.Depending on the result of this comparison, the harmonic analysis module is thus adapted to provide the microcontroller an electronic signal capable of taking the two distinct values described in the first embodiment. In Figures 9 and 10 is shown the fast Fourier transform of the output current of the first coil 30, respectively when the electric wire 51 is not cut and when it is cut. When the electrical wire 51 is not cut off, in other words when the corresponding electrical circuit 50 is in its closed state, the fast Fourier transform of the output current of the first coil 30 comprises, in addition to the fundamental component of the frequency current f1. = 4 kHz, a harmonic component of frequency equal to a multiple of the fundamental frequency. This harmonic component is due to the presence of the diode 80 in the electrical circuit 50. When the electric wire 51 is cut, in other words when the corresponding electrical circuit 50 is in its open state, it can be seen that the fast Fourier transform of the The output current of the first coil 30 includes only the fundamental component of the current.
Ainsi, lorsque le fil électrique 51 est sectionné, la composante harmonique du courant de sortie de la première bobine présente une valeur sensiblement nulle. Le module d'analyse harmonique compare cette valeur à la valeur-seuil prédéterminée, et modifie en conséquence la valeur du signal électronique représentatif de l'état d'usure du disque 22 de sorte à ce que cette valeur indique un état d'usure « anormale » du disque. Dans la variante selon laquelle la diode 80 est connectée en parallèle du fil électrique 51 et de la deuxième bobine 32, le fonctionnement est analogue au fonctionnement décrit ci-dessus, en remplaçant le terme « pas sectionné », par le terme « sectionné », et le terme « fermé » par le terme « ouvert ». Le reste du fonctionnement de l'ensemble électromécanique selon ce deuxième mode de réalisation est analogue à celui du premier mode de réalisation décrit précédemment, et n'est donc pas décrit à nouveau. Toutes les étapes d'alimentation des moyens d'échange d'énergie et de données, d'acquisition des signaux par les capteurs et par les dispositifs de mesure, de comparaison à des signaux de référence ainsi que de supervision des mesures sont automatiques.Thus, when the electric wire 51 is cut, the harmonic component of the output current of the first coil has a substantially zero value. The harmonic analysis module compares this value with the predetermined threshold value, and consequently modifies the value of the electronic signal representative of the state of wear of the disc 22 so that this value indicates a state of wear " abnormal "disc. In the variant according to which the diode 80 is connected in parallel with the electric wire 51 and the second coil 32, the operation is analogous to the operation described above, by replacing the term "not sectioned" by the term "sectioned", and the term "closed" by the term "open". The rest of the operation of the electromechanical assembly according to this second embodiment is similar to that of the first embodiment described above, and is therefore not described again. All the power supply stages of the means of energy and data exchange, acquisition of the signals by the sensors and by the measuring devices, comparison with reference signals as well as supervision of the measurements are automatic.
En variante, une partie seulement des étapes précitées est automatique. De préférence, du fait de la présence d'acier en grande quantité au sein du tunnelier 1, et donc d'un environnement électromagnétique défavorable induisant des pertes par courant de Foucault conséquentes, on assure un couplage magnétique maximal entre les première et deuxième bobines 30, 32. De même, pour des raisons identiques, on assure un couplage magnétique maximal entre la bobine 48 d'un compartiment de support 44 et la bobine 38 de la molette 18 reçue par ce compartiment de support. Le numéro d'identification unique de chaque molette 18 permet de tracer les différentes opérations effectuées sur la molette, telles que par exemple le montage de la molette sur la tête de coupe, le remplacement du disque ou des roulements, la mise au rebut de la molette, etc. La présence de condensateurs complémentaires connectés en série ou en parallèle des bobines 30, 32, 38, 48 a pour effet de compenser la composante réactive de la puissance électrique, liée à la présence des bobines, ce qui permet de réduire la valeur de la tension d'alimentation. Ceci permet par conséquent de pouvoir réduire avantageusement l'encombrement des moyens d'alimentation à l'intérieur du tunnelier 1. Du fait du mode de couplage « sans fil » entre les premiers moyens de couplage électromagnétique 26 et les deuxièmes moyens de couplage électromagnétique 28, le disque 22 de chaque molette 18 peut être très facilement solidarisé/désolidarisé de l'arbre 20 correspondant, sans nécessiter de connexions électriques. De même, du fait du mode de transmission « sans fil » entre les premiers moyens d'échange d'énergie et de données 37 et les deuxièmes moyens d'échange d'énergie et de données 47, chaque molette 18 peut être très facilement solidarisée/désolidarisée de son compartiment de support 44. Ceci facilite les opérations de maintenance des disques et des molettes, notamment les opérations visant à remplacer un disque usé par un disque neuf, ou une molette endommagée par une molette neuve. Les coûts de maintenance du tunnelier sont donc réduits. Chaque liaison filaire bidirectionnelle 68 reliant le module électronique principal 64 à un module électronique secondaire 66 permet avantageusement de transmettre à la fois les données relatives à l'usure des molettes, et l'énergie électrique d'alimentation. Ceci permet de réduire les besoins en câblage et donc de limiter les perturbations électromagnétiques inhérentes dues à l'environnement électromagnétique défavorable précité. Selon une variante particulière non représentée, le système de mesure 42 comprend, pour chaque molette 18, plusieurs deuxièmes bobines 32 et plusieurs circuits électriques 50 agencés à l'intérieur du disque 22 de la molette 18. Selon cette variante, chaque circuit électrique 50 d'un système de mesure 42 est relié à une deuxième bobine 32 de ce système de mesure. Le disque 22 de chaque molette 18 présente ainsi plusieurs cotes d'usure prédéterminées distinctes, chaque cote dépendant de l'emplacement d'un fil électrique 10 distinct. Cette variante permet ainsi de quantifier l'usure du disque 22 de chaque molette 18, en fonction de la cote prédéterminée atteinte par l'usure. L'invention a été représentée dans le cas de son utilisation au sein d'un tunnelier. Bien entendu, l'homme du métier comprendra que l'invention est également applicable à tout type d'ensemble électromécanique comprenant au moins un organe rotatif et un système de mesure de l'usure du ou de chaque organe rotatif.25Alternatively, only part of the above steps is automatic. Preferably, because of the presence of steel in large quantities within the tunnel boring machine 1, and therefore of an unfavorable electromagnetic environment inducing substantial eddy current losses, maximum magnetic coupling is ensured between the first and second coils 30 32. Likewise, for the same reasons, a maximum magnetic coupling is provided between the coil 48 of a support compartment 44 and the coil 38 of the wheel 18 received by this support compartment. The unique identification number of each wheel 18 makes it possible to trace the different operations performed on the wheel, such as for example the mounting of the wheel on the cutting head, the replacement of the disk or bearings, the scrapping of the wheel. wheel, etc. The presence of complementary capacitors connected in series or in parallel with the coils 30, 32, 38, 48 has the effect of compensating for the reactive component of the electrical power, linked to the presence of the coils, which makes it possible to reduce the value of the voltage power. This therefore makes it possible to advantageously reduce the size of the supply means inside the tunnel boring machine 1. Because of the "wireless" coupling mode between the first electromagnetic coupling means 26 and the second electromagnetic coupling means 28 , the disc 22 of each wheel 18 can be very easily secured / disengaged from the corresponding shaft 20 without requiring electrical connections. Likewise, because of the "wireless" transmission mode between the first energy and data exchange means 37 and the second energy and data exchange means 47, each wheel 18 can be very easily secured. This facilitates maintenance operations of the disks and wheels, in particular operations intended to replace a disc worn by a new disc, or a wheel damaged by a new wheel. The maintenance costs of the tunnel boring machine are therefore reduced. Each bidirectional wired link 68 connecting the main electronic module 64 to a secondary electronic module 66 advantageously makes it possible to transmit both the data relating to the wear of the wheels and the electric power supply. This makes it possible to reduce the wiring requirements and thus to limit the inherent electromagnetic disturbances due to the aforementioned adverse electromagnetic environment. According to a particular variant not shown, the measuring system 42 comprises, for each wheel 18, several second coils 32 and several electrical circuits 50 arranged inside the disc 22 of the wheel 18. According to this variant, each electrical circuit 50 of a measuring system 42 is connected to a second coil 32 of this measuring system. The disk 22 of each wheel 18 thus has several distinct predetermined wear dimensions, each dimension depending on the location of a separate electrical wire. This variant thus makes it possible to quantify the wear of the disk 22 of each wheel 18, as a function of the predetermined dimension reached by the wear. The invention has been shown in the case of its use in a tunnel boring machine. Of course, those skilled in the art will understand that the invention is equally applicable to any type of electromechanical assembly comprising at least one rotary member and a system for measuring the wear of the or each rotary member.
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| FR1350192A FR3000799B1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | ELECTROMECHANICAL ASSEMBLY EQUIPPED WITH AT LEAST ONE ROTARY ORGAN AND A SYSTEM FOR MEASURING THE WEAR OF THE ROTATING BODY |
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| FR1350192A FR3000799B1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | ELECTROMECHANICAL ASSEMBLY EQUIPPED WITH AT LEAST ONE ROTARY ORGAN AND A SYSTEM FOR MEASURING THE WEAR OF THE ROTATING BODY |
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