专利名称：在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于大型机械施工设备，具体涉及一种对全断面硬岩掘进机所用的滚刀磨损进行监测的装置。
背景技术：
全断面硬地质掘进机包括硬岩掘进机和复合盾构掘进机等，前者主要用于岩石地质结构的隧道、涵洞等地下交通工程建设；后者主要用于掘进既有土质又有岩石的地质。硬岩掘进机的刀盘上装有滚刀；复合盾构掘进机的刀盘上既有刮刀又有滚刀(为叙述方便在此统称为掘进机)。在掘进机推进力的作用下，刀盘上的滚刀压紧岩面，随着刀盘的旋转，利用滚刀的楔块作用，将岩石碾碎，使隧道全断面一次成型。在掘进中如果滚刀刀刃因石块卡住等原因不能转动时，在刀盘继续旋转的情况下，滚刀刀刃就会发生弦磨而失去破岩功能。因此，如果能够在线测量滚刀刀刃是否发生弦磨，并根据实际情况及时更换刀具，这对于提高施工效率是非常关键的。本发明的提出可使这一问题得到满意的解决。
发明内容
本发明的目的是，提出一种在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置，将加速度传感器安装在刀架(对滚刀刀刃弦磨敏感)特定部位，根据加速度传感器发出的振动信号识别滚刀刀刃的状态，准确辨别刀刃是否发生弦磨。本发明的技术方案是采用内置加速度传感器的方法，来检测掘进机滚刀刀刃是否发生弦磨。该装置具有:刀盘、基座、滚刀、轴承以及刀架，刀盘上设有安装滚刀的基座，滚刀经轴承套装在刀具中心轴上，中心轴安装在框形刀架上，刀架装配于基座中。在刀架外面中心轴的两侧各设有一个矩形孔，两矩形孔位于刀具中心轴的水平轴线上，加速度传感器置于矩形孔内，矩形孔靠近刀具中心轴方向的孔壁为平面，该平面作为加速度传感器的测量面。滚刀工作时将受到正向压力、侧向力(垂直于刀刃侧表面)和滚压阻力的作用(图
4)。如果滚刀刀刃进入弦磨状态，滚刀的转动将受到影响甚至停转。刀刃与岩石之间的弦磨状态由滚压变为滑动摩擦(图5)。这将使得刀具中心轴、刀架及刀盘的旋动状态都会发生变化,那么滚刀刀刃振动幅值和频率也会发生明显改变。加速度传感器根据检测到的振动幅值和频率便可准确判定滚刀刀刃是否进入弦磨状态。利用本装置进行滚刀刀刃弦磨判定的方法，可通过三种模式来识别滚刀刀刃是否发生弦磨，其技术原理及模式为:(I)通过自相关函数识别弦磨滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，发生弦磨时，通过实时测量信号与基准信号之间的自相关函数差异进行判定；( 2 )通过频谱的改变识别弦磨
滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，发生弦磨时，通过比较弦磨发生后加速度信号的频谱改变进行判定;(3)直接比较加速度数值的改变识别弦磨滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，发生弦磨时，通过比较弦磨前后，加速度大小测量值的改变进行判定。本发明的特点及产生的有益效果是，当掘进机工作时，可在线检测滚刀刀刃是否发生弦磨，及时掌握滚刀的工作状态，如发生刀刃弦磨可及时换刀具保证掘进效率。
图1为掘进机刀盘上滚刀安装的示意简图。图2为本发明结构及原理简图。图3为图2的俯视图。图4为滚刀工作时(滚压摩擦方向)力学示意图。图5为滚刀由滚压摩擦变为滑动摩擦时力学示意图。
具体实施例方式以下结合附图并通过具体实施例对本发明的原理与结构做进一步的说明。需要说明的是，本实施方式是叙述性的而非限定性的，不以此实施例限定本发明所保护的范围。在线检测掘进机滚刀弦磨的装置，其结构特征是:刀盘I上设有安装滚刀的基座2，滚刀4经轴承3套装在刀具中心轴5上，中心轴安装在框形刀架6上，刀架装配于基座中。在刀架6外面中心轴5的两侧各设有一个矩形孔7，两矩形孔位于刀具中心轴的水平轴线上。加速度传感器8置于矩形孔内，矩形孔靠近刀具中心轴方向的孔壁为平面，该平面作为加速度传感器的测量面，该测量面装有磁铁吸住加速度传感器，使之固定在测量面上(如图1图2)。滚刀的刀刃呈扁平圆盘形状，工程上也称做刀圈。矩形孔的开孔位置，或者说加速度传感器在刀架的安装位置，依据滚刀刀刃发生弦磨时，刀架对滑动摩擦力敏感的位置而定。对于本实施例，矩形孔的高度为15_20mm，以适合加速度传感器的安装为准。在位于刀具中心轴的水平轴线上设有两个矩形孔(安装加速度传感器)其目的是该部位对滚刀运动因刀刃弦磨而发生的滑动摩擦力最为敏感。而对正向压力和侧向力引起的振动相对不敏感，而且对整体强度影响较小(如图4)。因此加速度传感器的安装位置并不唯一，因为刀架的形状并不尽相同，只要是对滑动摩擦力引起的振动敏感的位置即可。本实施例安装了两个加速度传感器，是因为刀盘可左旋也可右旋，一个加速度传感器只对一个方向的转动敏感。为防止碎石或岩石中的水分进入到安装孔中损坏传感器，两个矩形孔灌满硅橡胶或者专用盖板及橡胶密封垫。加速度传感器的导线从密封处引出，引出线从刀盘的内部空腔穿过，以防碎石的破坏。振动信号的传出通过无线放大发射装置发射输出。利用在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置进行滚刀刀刃弦磨判定的方法，可通过三种模式来识别，分别是:I)通过自相关函数识别弦磨在掘进的初始化阶段，滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，此时滚刀的振动过程视为平稳随机过程。并且计算机不断随机采集该基准信号，用最新的信号替代原有的基准信号，并进行相应的自相关函数计算。发生弦磨时，振动状态明显改变，实时测量信号与基准信号之间的(自相关函数)相关性明显降低，通过实时测量信号与基准信号之间的自相关函数差异进行判定，并且计算机将此弦磨信号立刻输出。2)通过频谱的改变识别弦磨滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号。发生弦磨时，通过比较弦磨发生后加速度信号的频谱改变(对测量信号作傅里叶变换得到振动频谱)进行判定。3)直接比较加速度数值的改变识别弦磨滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，发生弦磨时，加速度传感器安装部位和测量方向的振幅会增加，导致加速度的幅值增加，通过比较弦磨前后加速度大小测量值的改变即可进行判定弦磨的发生。
权利要求
1.在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置，具有刀盘、基座、滚刀、轴承以及刀架，刀盘(I)上设有安装滚刀的基座(2 )，滚刀(4 )经轴承(3 )套装在刀具中心轴(5 )上，中心轴安装在框形刀架(6)上，刀架装配于基座中，其特征是:在刀架(6)外面中心轴(5)的两侧各设有一个矩形孔(7)，两矩形孔位于刀具中心轴的水平轴线上，加速度传感器(8)置于矩形孔内，矩形孔靠近刀具中心轴方向的孔壁为平面，该平面作为加速度传感器的测量面。
2.按照权利要求1所述的在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置，其特征是所述矩形孔(7)或加速度传感器(8)在刀架(6)的安装位置，依据所述滚刀(3)刀刃发生弦磨时，刀架对滑动摩擦力敏感的位置而定。
3.按照权利要求1或2所述的在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置，其特征是所述矩形孔(7)的高度为15-20mm，所述矩形孔的测量面装有磁铁吸住加速度传感器，使加速度传感器固定在测量面上。
4.一种利用权利要求1所述在线检测掘进机滚刀刀刃弦磨的装置进行滚刀刀刃弦磨判定的方法，其特征是可通过三种模式来识别滚刀是否发生弦磨，分别是: I)通过自相关函数识别弦磨 滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，发生弦磨时，通过实时测量信号与基准信号之间的自相关函数差异进行判定； 2)通过频谱的改变识别弦磨 滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，发生弦磨时，通过比较弦磨发生后加速度信号的频谱改变进行判定； 3)直接比较加速度数值的改变识别弦磨 滚刀刀刃尚未进入弦磨时，加速度传感器测量刀盘旋转一圈或两圈的动态随机振动信号作为基准信号，发生弦磨时，通过比较弦磨前后，加速度大小测量值的改变进行判定。
全文摘要
本发明公开了一种在线检测掘进机机滚刀弦磨的装置，其结构特征是滚刀经轴承套装在刀具中心轴上，中心轴安装在框形刀架上，刀架装配于刀盘上的基座中。由于加速度传感器可对滚刀的运动状态感应出信号，为此在刀架外面中心轴的两侧各设有一个矩形孔，两矩形孔位于刀具中心轴的水平轴线上。加速度传感器置于矩形孔内，矩形孔靠近刀具中心轴方向的孔壁为平面，该平面作为加速度传感器的测量面。如果滚刀刀刃发生弦磨，将使得滚刀的振动状态发生变化，即滚刀振动幅值和频率会发生明显改变。加速度传感器根据检测到的振动幅值和频率便可准确判定滚刀刀刃是否进入弦磨状态，及时掌握滚刀工作状态，如发生弦磨可及时换刀具保证掘进效率。
文档编号E21D9/087GK103195437SQ20131011278
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者侯振德, 岳澄, 亢一澜, 蔡宗羲, 陈超 申请人:天津大学