一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法与流程

本发明属于盾构刀具感知技术领域，具体涉及一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法。

背景技术：

在隧道和地下工程施工中，全断面隧道掘进机具有自动化程度高、安全高效和在超长隧道中连续作业的特点。掘进机在软硬不均地层条件下施工，由于岩土抗压强度的差异，容易造成盾构掘进姿态不稳，而且在掘进过程中，由于滚刀在软硬不均介质中随刀盘不断旋转往返切削于软硬不均地层，会造成刀具受力突然增大的现象，并且随着刀盘转速的增大，滚刀受到的冲击力会呈非线性增加，造成滚刀刀圈断裂、异常磨损等问题。

技术实现要素：

针对滚刀在掘进过程中由于受力变化可能会出现刀具磨损或损坏的问题，本发明提出了一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法，可以实时监测滚刀的受力以为施工参数提供指导。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种盾构机滚刀载荷实时监测系统，包括用于支撑刀轴的c形块，所述c形块的内侧设有正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件相连接；所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件均与刀轴相配合，以通过测量刀轴的受力进而测量滚刀的受力状况，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过密封隔离模块与信号采集模块电连接，密封隔离模块对输出线缆起到隔离防护的作用；所述信号采集模块与信号接收模块通信连接，且信号接收模块与上位机电连接。信号采集模块对正向载荷测量组件和切向载荷测量组件测得的数据进行处理，通过信号接收模块将处理后的数据发送给到上位机，上位机再根据滚刀的位置和接收数据实时监测统计滚刀的受力。

所述信号采集模块包括控制器i、a/d转换模块、供电模块i、无线发射模块和串口转换模块i，所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆通过a/d转换模块与控制器i的输入端电连接；所述控制器i的输出端分别与供电模块i和串口转换模块i电连接，且控制器i通过无线发射模块与信号接收模块通信连接。控制器i对接收到的正向载荷和切向载荷进行处理、计算，并对正向载荷测量组件和切向载荷测量组件进行控制。

所述信号接收模块包括控制器ii、供电模块ii、无线接收模块和串口转换模块ii，所述控制器ii通过无线接收模块与信号采集模块通信连接，控制器ii的一个输出端与供电模块ii电连接，且控制器ii通过串口转换模块ii与上位机电连接。

所述密封隔离模块包括隔离盒，所述隔离盒设置在中心隔板的后方，隔离盒内设有防水组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过防水组件后与信号采集模块相连接。

所述防水组件包括相互连通的第一防水接头、第二防水接头和第三防水接头，第一防水接头和第二防水接头均设置在隔离盒内，第三防水接头设置在隔离盒的外侧，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆依次穿过第一防水接头、第二防水接头和第三防水接头后与信号采集模块相连接。

所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆上套设有第一液压软管，所述第一液压软管的前部通过第一液压接头与滚刀刀座相连接，第一液压软管的后部穿过中心隔板后通过第三液压接头与第一防水接头相连接。第一液压软管对输出线缆起到防护的作用。

所述中心隔板内固定设有承载板，且承载板上设有第二液压接头；所述第一液压软管通过第二液压接头和承载板与第二液压软管的一端相连接；所述第二液压软管的另一端与第三液压接头相连接。

所述第一液压软管和第二液压软管的外侧套设有防护结构，所述防护结构与刀梁固定连接。防护结构对第一液压软管和第二液压软管起到防护的作用。

一种盾构机滚刀载荷实时监测方法，包括如下步骤：

s1，设定刀盘零度位置，由上位机计算滚刀的所在位置角度α，角度α的计算公式为：

α＝θ+β；

式中，θ表示滚刀相对于刀盘零度位置的角度；β表示刀盘的旋转角度；

s2，根据正向载荷测量组件和切向载荷测量组件采集到的正向力和切削阻力，由控制器i分别计算滚刀在相应角度α处的正向力fn和切削阻力fr，正向力fn和切削阻力fr的计算公式分别为：

fn＝fn1+fn2；

式中，fn1和fn2表示两个c形块的正向载荷测量组件分别检测到的正向力；

fr＝fr1+fr2；

式中，fr1和fr2表示两个c形块的切向载荷测量组件分别检测到的切削阻力；

s3，通过控制器i计算滚刀的侧向力fs，侧向力fs的计算公式为：

式中，r表示滚刀半径；l表示滚刀刀刃中心到正向载荷测量组件或切向载荷测量组件与刀轴接触面中心点之间的距离；

s4，上位机根据刀盘零度位置确定上位机中的滚刀受力轨迹趋势图的初始位置，由上位机计算像素点所代表的力的数值，并根据正向力或切削阻力与角度α的对应关系将对应的像素值填充至滚刀受力轨迹趋势图。

在步骤s4中，所述填充滚刀受力轨迹趋势图包括如下步骤：

s4.1，设定滚刀的最大正向力为fm，取最大正向力fm的三等分点

s4.2，在上位机中设定像素补偿值第一象限的像素初始值r＝0，g＝0，b＝0；

s4.3，上位机根据滚刀的正向力fn所在的区间，并依据如下公式计算滚刀在转动过程中所对应的像素值，将像素值对应填充至滚刀受力轨迹趋势图中，得到滚刀正向力载荷分布图；

若fn<t，则g＝255，b＝0；

若t≤fn<2t，则r＝255，b＝0；

若fn≥2t，则r＝255，g＝0，b＝0；

s4.4，上位机按照步骤s4.1-s4.3的方法计算并绘制滚刀切削阻力载荷分布图；

s4.5，上位机按照步骤s4.1-s4.3的方法计算并绘制滚刀侧向力载荷分布图。

本发明的有益效果：

为探索在软硬不均地层条件下滚刀受力情况，同时为了预判掌子面地质情况，本发明创新的在滚刀受力的c形块上布置应变片，可直接准确测量出滚刀受力，通过有线传输至信号采集模块，信号采集模块再将数据无线传输至信号接收模块，由上位机结合滚刀位置绘制滚刀受力轨迹趋势图，结合滚刀受力轨迹趋势图可以实时监测滚刀受力情况，进而预判当前地质条件，为盾构施工参数的选择提供有效指导，避免或减少了刀具的损坏；同时还可以第一时间发现损坏的刀具、及时换刀，提高掘进效率；另一方面，还可以根据受力数值为后续地层分析提供数据支撑；还可以根据三向力即正向力、切削阻力和侧向力的数值变化，判断滚刀弦磨或者刀圈的脱落情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为c形块的受力示意图。

图2为c形块、信号采集模块、信号接收模块和上位机的连接示意图。

图3为第一液压软管的走向示意图。

图4为滚刀转动轨迹图。

图5为c形块与滚刀刀箱的连接示意图。

图6为正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆防护示意图。

图7为隔离盒的剖面图。

图8为刀盘背部线缆防护示意图。

图9为隔离盒的俯视图。

图10为滚刀正向力载荷分布图。

图中，1为滚刀刀箱，2为滚刀刀座，3-1为第一液压接头，3-2为第二液压接头，3-3为第三液压接头，4-1为第一液压软管，4-2为第二液压软管，5为c形块，6为楔形块，7为刀轴，8为隔离盒，8-1为第一防水接头，8-2为第二防水接头，8-3为第三防水接头，8-4为盖板，8-5为放置盒，9为防护结构，10为八字梁，11为中心隔板，12为承载板，13为防护盒，14为滚刀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种盾构机滚刀载荷实时监测系统，如图5所示，包括c形块5，c形块5设置在滚刀刀座2的两侧，且滚刀刀座2内设有通孔2-1，以便于c形块5的线缆的走线且不影响滚刀14的转动；所述滚刀刀座2的下部设有液压接头3-1，液压接头3-1上设有第一液压软管4-1，且第一液压软管4-1通过液压接头3-1与l型通孔2-1相通，以对c形块5的线缆起到保护的作用；所述滚刀刀座2固定设置在滚刀刀箱1中，每个滚刀刀座2中均设有一把滚刀，每把滚刀的刀轴7的两端均配置一个c形块5和一个楔形块6，c形块5和楔形块6相配合，以对滚刀14两端的刀轴7进行定位；所述c形块5的内侧设有正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，当滚刀14切割掌子面时，掌子面对滚刀14产生反向作用力，反向作用力同步通过刀轴7作用于正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，每个c形块5的正向载荷测量组件和切向载荷测量组件测量滚刀14单侧对应状态下的正向载荷和切向载荷，并输出两组全桥应变电信号，两个c形块5共同完成滚刀17两侧的正向载荷和切向载荷的测量；所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件均与刀轴7相配合，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆依次穿过l型通孔2-1和第一液压软管4-1后通过密封隔离模块与信号采集模块电连接，密封隔离模块用于对输出线缆进行保护，以避免开挖泥水影响电信号的传输；所述信号采集模块与信号接收模块通信连接，且信号接收模块与上位机电连接，信号采集模块与信号接收模块无线连接，以利于数据信号传输给到上位机，之后上位机通过监测滚刀14转动过程中的受力状况分析出对应的地质状况，为盾构机施工中的推力和刀盘旋转速度提供指导。

本实施例中，所述c形块5为弹性体，正向载荷测量组件和切向载荷测量组件中均包含16片电阻应变片，每个区的电阻应变片之间相互连接；32片电阻应变片组成两个电桥，形成两个独立的传感器即正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，如图1所示，正向载荷测量组件和切向载荷测量组件分别用于测量刀轴7所承受的正向力和切削阻力。

如图2所示，信号采集模块包括控制器i、a/d转换模块、供电模块i、无线发射模块和串口转换模块i，所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆通过a/d转换模块与控制器i的输入端电连接；所述控制器i的输出端分别与供电模块i和串口转换模块i电连接，且控制器i通过无线发射模块与信号接收模块通信连接。所述信号接收模块包括控制器ii、供电模块ii、无线接收模块和串口转换模块ii，所述控制器ii通过无线接收模块与无线发射模块通信连接，控制器ii的一个输出端与供电模块ii电连接，且控制器ii通过串口转换模块ii与上位机电连接，上位机可以对控制器i和控制器ii进行控制，进而控制正向载荷和切向载荷信号的采集、发射和接收。本实施例中，每个c形块5对应于两个a/d转换模块，分别用于对正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的传输数据进行处理；供电模块i和供电模块ii均为可充电锂电池。

本实施例中，所述密封隔离模块、信号采集模块和信号接收模块均设置在中心隔板11的后方，且密封隔离模块和信号采集模块均随刀盘一起旋转，如图4所示，刀盘转动时滚刀14同步圆周转动；为了良好的信号采集，本发明创新的采用无线传输方式，在距离无线发射模块不远位置设置无线接收模块，用于接收数据并传输给上位机，以完成存储、分析、显示等工作信号。4组独立的24位高精度a/d转换模块，完成对两个c形块5的全桥应变电信号的采集，并以i2c总线的方式将测量结果传输给控制器i，控制器i负责对数据进一步计算处理，最终得到实际的载荷值，通过串口方式无线发射模块将数据传输给无线接收模块进行无线通讯，整个系统通过可充电锂电池供电，同时为了完成对滚刀状态以及地质信息的准确判断，正向载荷和切向载荷的采样频率设定在0.1-2khz范围内，且可通过上位机可调。控制器i为32-bit、rom:256kb、ram:48kb、主频为72mhz的控制芯片；a/d转换模块的性能参数为差分信号采集、量程1-40mv可调、24位adc、spi串口通讯、采样率为3.84k；供电模块i和供电模块ii的型号为aoz1284、7～24v转5v、4a；控制器ii的型号为stm32f103；串口转换模块i和串口转换模块ii均为rs485、通讯速率为10mbps的转换模块。

如图7和图9所示，所述密封隔离模块包括隔离盒8，所述隔离盒8设置在中心隔板11的后方，隔离盒8包括放置盒8-5和盖板8-4，所示盖板8-4可拆卸地设置在放置盒8-5上，以便于后期维修；放置盒8-5内设有至少两组防水组件，且防水组件的组数与c形块5的数量相等，两组防水组件分别与两个c形块5分别相对应；所述防水组件包括相互连通的第一防水接头8-1、第二防水接头8-2和第三防水接头8-3，第一防水接头8-1和第二防水接头8-2均设置在放置盒8-5内，第三防水接头8-3设置在放置盒8-5的外侧，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆依次穿过第一防水接头8-1、第二防水接头8-2和第三防水接头8-3后与a/d转换模块电连接，输出线缆经三道密封设计，可以起到阻断泥水渗漏的效果，避免信号采集模块进水进而引起整个系统出现故障。

为了对正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆进行保护，中心隔板11与第一防水接头8-1之间还设有第二液压软管4-2，如图3所示，第一液压软管4-1的后部与第二液压接头3-2相连接；所述第二液压接头3-2设置在承载板12上，承载板12的中部设有过线孔，第二液压接头3-2与过线孔相通，且承载板12固定设置在中心隔板11内，第二液压接头3-2和承载板12相配合，可以防止刀盘开挖的泥水渗漏进入盾体；所述第二液压软管4-2通过对称设置在前后两端的第三液压接头3-3分别与承载板12和第一防水接头8-1相连接。正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆从液压软管4-1中出来后，依次经第二液压接头3-2、第二液压软管4-2和隔离盒8后与a/d转换模块电连接。

为对第一液压软管4-1进行防护，防止刀盘旋转时对第一液压软管4-1造成损坏，所述第一液压软管4-1上套设有防护结构9，所述防护结构9与八字梁10或中心隔板11固定连接。本实施例中，所述防护结构9为u型钢板，u型钢板与八字梁10或中心隔板11焊接。

如图6所示，为了更好地适应刀盘的结构，第一液压软管4-1上还设有防护盒13，以方便将固定防护结构9固定在盾构机的主梁上。

另外，如图8所示，图中aa代表正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆从隔离盒8中出来的出线方向。本发明中的信号采集模块和信号接收模块还可以采用有线连接，正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆的引出线需要设置在滚刀刀箱1的侧面，每个c形块5可以采用一根八芯屏蔽线，四根线为一组，两组分别对应于正向载荷测量组件和切向载荷测量组件。一把滚刀上对应两个c形块5，故引出两根八芯屏蔽线，若需监测多把滚刀的受力情况，需在刀盘回转中心处开较大的通孔以供信号的传输，同时需预留空间进行电滑环安装。

一种盾构机滚刀载荷实时监测方法，包括如下步骤：

s1，设定刀盘的零度位置，由上位机计算滚刀14的所在位置角度α，角度α的计算公式为：

α＝θ+β；

式中，θ表示滚刀相对于零度位置的角度；β表示刀盘的旋转角度；

s2，根据正向载荷测量组件和切向载荷测量组件采集到的正向力和切削阻力，由控制器i分别计算滚刀14在角度α处的正向力fn和切削阻力fr，正向力fn和切削阻力fr的计算公式分别为：

fn＝fn1+fn2；

式中，fn1和fn2表示两个c形块5的正向载荷测量组件分别检测到的正向力；

fr＝fr1+fr2；

式中，fr1和fr2表示两个c形块5的切向载荷测量组件分别检测到的切削阻力；

s3，通过控制器i计算滚刀14的侧向力fs，侧向力fs的计算公式为：

式中，r表示滚刀14的半径；l表示滚刀14的刀刃中心到正向载荷测量组件或切向载荷测量组件与刀轴7接触面中心点之间的距离；

s4，上位机根据刀盘零度位置确定上位机中的滚刀受力轨迹趋势图的初始位置，由上位机计算像素点所代表的力的数值，并根据正向力或切削阻力与角度α的对应关系将对应的像素值填充至滚刀受力轨迹趋势图；

上位机中存储有滚刀受力轨迹趋势图，且滚刀受力轨迹趋势图与刀盘上滚刀14的分布相对应；刀盘零度位置即为滚刀受力轨迹趋势图的第一象限的起始位置，刀盘的中心位置即为滚刀受力轨迹趋势图的原点位置。如图10所示，大圆代表滚刀14的运行轨迹，小圆即待填充像素值的区域。

s4.1，设定滚刀14的最大正向力为fm，取最大正向力fm的三等分点

s4.2，在上位机中设定像素补偿值第一象限的像素初始值r＝0，g＝0，b＝0；

s4.3，上位机根据滚刀14的正向力fn所在的区间，并依据如下公式计算滚刀14在转动过程中所对应的像素值，将像素值对应填充至滚刀受力轨迹趋势图中，得到滚刀正向力载荷分布图；

若fn<t，则g＝255，b＝0；

若t≤fn<2t，则r＝255，b＝0；

若fn≥2t，则r＝255，g＝0，b＝0；

s4.4，上位机按照步骤s4.1-s4.3的方法计算并绘制滚刀切削阻力载荷分布图；

s4.5，上位机按照步骤s4.1-s4.3的方法计算并绘制滚刀侧向力载荷分布图。

本发明根据绿黄红的像素定义，绿色：r＝0，g＝255，b＝0；黄色：r＝255，g＝255，b＝0；红：r＝255，g＝0，b＝0，在滚刀受力轨迹趋势图中采用绿-黄-红的渐变过程表示滚刀受力的状况，绿-黄-红分别代表受力状况由小到大的变化趋势。滚刀切削阻力载荷分布图、滚刀正向力载荷分布图和滚刀侧向力载荷分布图为分别独立绘制填充，黄色代表受力预警信息，当整个掌子面某一个区域颜色突变，同时和其他区域有明显差别时，表示该部位区域地层出现变化，根据突变的颜色结合受力大小可以判断出地层的软硬状况；比如，当第三、四象限区域(本实施例中，第三、四象限即代表刀盘旋转的掌子面的下方)全部显示红色，根据受力与颜色的对应情况，表示掌子面下方受力较大，此时将掌子面下方受力与掌子面上方区域受力进行对比；当上方区域颜色是绿色时，代表受力是正常的软土地层受力，此种情况下可以判断掌子面下部是相对于软土地层的较硬地层，此时可以判别掌子面为上软下硬地层，根据判断的地层状况可以调整掘进参数以利于顺利掘进；当滚刀受力趋势图中某部位出现绿色变为红色，同时红色会维持一定时间后再由红色变回绿色时，表示掌子面正在掘进的地层为软-硬-软类型地层，比如软土层中出现孤石或基岩凸起。因此根据滚刀受力趋势图可以推出当前的地层状况，进而指导并适时调整盾构施工中的推力和刀盘旋转速度。

另外，根据滚刀受力轨迹趋势图，若出现其中一层同心圆轨迹与其他同心圆轨迹颜色相差很大，表明该滚刀异常工作，上位机提示需要更换滚刀。当滚刀切削阻力先增大后出现骤变降低，可以判断该滚刀发生弦磨，滚刀弦磨是指滚刀在切削破岩时，滚刀自身不能发生被动转动，使得滚刀与岩层的接触位置始终不发生改变，最终导致滚刀偏磨；当正向力和切削阻力同时下降到几乎为零时，即判断刀圈发生脱落状况；盾构机工程过程中，通过结合滚刀切削阻力载荷分布图和滚刀正向力载荷分布图实时判断滚刀受力值，以综合判断滚刀磨损状况，进而判断换刀时机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。