一种基于土压盾构的刀具磨损实时监测系统的制作方法

本发明属于盾构机监测技术领域，涉及一种基于土压盾构的刀具磨损实时监测系统。

背景技术

刀具维护是盾构机应用过程中的重要环节。目前，盾构机操作司机无法在掘进过程中观察刀具磨损情况，对刀盘刀具进行检查时必须停机，且施工作业人员进行人工检修前需要大量的准备时间，这在极大程度上影响了掘进进度。此外在检修过程中，由于刀盘刀具处于未支护区域，因此会对检修人员带来一定的人身安全风险。故此，实现刀具可视化管理一直是盾构机行业研发的关键课题。现有的监测刀具磨损的主要方法包括：基于液压油式的刀具磨损系统，其故障率较低，维护简单，缺点是不能实时监测磨损情况，只有刀具磨损到失效时才有信号输出；基于超声波定位的监测系统，其也可实时监测刀具磨损量，但对通讯要求较高，如何把信号良好地从发射端传输至接收端是其技术难点。以上两种监测方法仍存在以下不足：（1）测量精准度不够；（2）对防护系统要求较高，实施难度大。

技术实现要素：

针对目前盾构刀具监测精度低，实施难度大的技术问题，本发明提供一种基于土压盾构的刀具磨损实时监测系统，采用电阻式磨损传感器、放大器、信号变送器、导电滑环组成多路刀具磨损检测系统，解决施工过程中停机检查刀具磨损的危险，可以提高施工效率，降低人力消耗和作业风险，增加刀盘刀具的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于土压盾构的刀具磨损实时监测系统，包括若干传感器、放大器、信号变送器、导电滑环、plc控制器、上位机；各传感器分布安装在刀具内并均与刀梁内的放大器连接，放大器与位于回转中心后侧的导电滑环的转子连接，导电滑环的转子与刀盘连接并随刀盘一起转动，导电滑环的定子安装在盾体上并与信号变送器连接，信号变送器安装在盾体内与控制器连接并将检测信号传输到控制器内，控制器处理后发送到上位机实时显示刀具磨损量。

所述刀具可拆卸安装在刀盘上，因为采用刮刀或撕裂刀可拆卸方式安装，并在传感器底部出线位置设置一对航空插座，同时对这部分裸露的部分进行结构上的防护改进，并采用螺栓固定方式固定，便于在后期检测到刀具需要更换时，可快速更换刀具。

所述刀具为刮刀或撕裂刀。

所述刀具上倾斜设置有传感安装孔，且所述传感安装孔的轴线与刀刃侧表面平行，传感器安装在传感安装孔内。原来刀梁内布线困难而且容易故障，现采用刀梁内布钢管作为传感安装孔，并在钢管内传感器的两头走线部分采用液压管进行连接，实现线路在刀盘内不外露，完全防护。

所述传感器为电阻式磨损传感器，传感器的尾部出线经刀盘内的航空插座与刀梁内的放大器连接且在尾部出线上套设有液压防护管。

本发明采用电阻式磨损传感器、放大器、信号变送器、导电滑环组成多路刀具磨损检测系统，解决施工过程中停机检查刀具磨损的危险，可以提高施工效率，降低人力消耗和作业风险，增加刀盘刀具的使用寿命。而且，放大器放置在刀梁内，可接收多路传感器信号，并采用485串口通讯，这样可以避免多路传感器线从土仓经回转中心至盾体接收仪器；且回转中心预留不出很大的孔走多路传感器线。采用导电滑环解决刀盘360度无限制旋转的供电和通讯问题，能更好的传输动力和信号，供电和传输信号在滑环内集中，完全能避免动力和信号间，信号与信号间的干扰问题，且能防止外界对滑环内部的电磁干扰。

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为本发明的原理框图。

图2为本发明的传感器的结构示意图。

图3为本发明刮刀开孔示意图。

图4为本发明撕裂刀开孔示意图。

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。

一种基于土压盾构的刀具磨损实时监测系统，如图1所示，包括若干传感器、放大器、信号变送器、导电滑环、plc控制器、上位机，所述传感器为电阻式磨损传感器，如图2所示，传感器的尾部出线经刀盘内的航空插座与刀梁内的放大器连接且在尾部出线上套设有液压防护管。具体地，所述刀具上倾斜设置有传感安装孔，且所述传感安装孔的轴线与刀刃侧表面平行，传感器安装在传感安装孔内。原来刀梁内布线困难而且容易故障，现采用刀梁内布钢管作为传感安装孔，并在钢管内传感器的两头走线部分采用液压管进行连接，实现线路在刀盘内不外露，完全防护。

传感器前段为磨损敏感头，后端部分为器件电路区。工作时敏感区随刀刃一同被磨损。每个传感器尾部出线（4芯屏蔽线）长度为200-250mm，并连接至防水插头，构成传感器的整体结构。图2中线a-b左侧部分（包括防水插头的一半）为传感器的整体结构，右侧部分（包括防水插头的另一半）将放置在刀盘刀梁内部。右侧的线缆部分则从刮刀及撕裂刀处经液压防护管至刀梁内放大器。

各传感器分布安装在刀具内并均与刀梁内的放大器连接，放大器与位于回转中心后侧的导电滑环的转子连接，导电滑环的转子与刀盘连接并随刀盘一起转动，导电滑环的定子安装在盾体上并与信号变送器连接，信号变送器安装在盾体内与控制器连接并将检测信号传输到控制器内，控制器处理后发送到上位机实时显示刀具磨损量。

在本实施例中，为了后期快速更换刮刀或撕裂刀等刀具，所述刀具可拆卸安装在刀盘上，因为采用刮刀或撕裂刀可拆卸方式安装，并在传感器底部出线位置设置一对航空插座，同时对这部分裸露的部分进行结构上的防护改进，并采用螺栓固定方式固定，便于在后期检测到刀具需要更换时，可快速更换刀具。

具体地，按图3和图4的位置，先在刮刀和撕裂刀上打孔以安装传感器。该通孔有倾斜角度，确定该孔倾角的原则是：孔轴线与刀刃侧表面平行，孔轴线与刀刃侧面的距离越小越好。通孔的直径在敏感头区域为5mm，比传感器敏感头大1mm，对应传感器尾座部分的直径为9~10mm，各段长度与传感器一致。特别需要注意的是，传感器前侧区域的直径务必不要超出敏感头直径1mm，否则会引起测量误差。切刀和撕裂刀开孔位置如图3和图4所示，选择刀具前段两个刀刃之间的中央部位作为传感器的安装位置。若刀具前段孔的直径大于5mm，会加大传感器测量误差，故应先镶嵌入钢柱堵上该孔，再重新按尺寸打孔。

刮刀或撕裂刀均是通过螺栓固定连接在刀盘底座上，而传感器底部设计为插头形式，并将插头部分置于安装底座孔内，之后紧固螺栓，完成刮刀或撕裂刀（含刀具磨损检测）的安装。

并且为了防护更为密实，本发明采用wl-036型环氧树脂（环氧树脂本体和固化剂）固定传感器。环氧树脂本体与固化剂1：1混合搅拌2~4分钟，然后静置3-5分钟待大气泡溢出。将搅拌后的胶液沿孔壁缓慢倒入孔内（防止空气堵在小孔中形成气孔），搅拌和静置时间不要超过10分钟，否则胶开始固化，流动性将变差。倒入传感安装孔内的胶离端口约15mm时，将传感器缓慢插入，胶将覆盖传感器的顶端与孔的上平面齐平。

浇筑前，先用酒精棉球清除传感安装孔内的油渍，以确保环氧树脂与刀具材料的粘接强度。浇筑时，传感安装孔中的小孔径应用胶带纸封住，并用强磁铁片吸住小孔，防止胶外流。当浇筑完成三分之二时，将传感器插入孔内至孔底，待静置二十四小时之后，传感器浇筑完成。

电滑环转子出线处设计一个防水接头，防止前方涌水进入盾体，且电滑环防护等级设计为ip67。电滑环内部电刷采用贵金属合金材料，因刷束由多根刷丝组成，能够确保与金属环的多点接触，进而提高导电效率；因多根刷丝自身的弹性减少了接触压力。这些特性保证了滑环的稳定性及耐久性。如果中途滑环出现信号传输异常，可在滑环转子出线处连接一个航空插头，快速拆卸并维修电滑环。

电滑环有定子、转子、电刷组件、固定支架等部分组成。电滑环定子线和转子线连接部分采用灌胶处理，防护等级可达到ip67。为保证电刷与电滑环的导电环充分接触，导电环被设计成“v”形环。另外电刷丝是靠弹性压力与“v”形环槽的滑动接触来传递信号及导通电流。

本发明可测量刮刀及撕裂刀的磨损量，进而避免人工进仓检查刀具磨损，降低人力消耗和作业风险，增加刀盘刀具的使用寿命，实现了刮刀磨损量的可视化管理，人性化地辅助盾构司机判断是否更换刀具，为优化盾构机施工提供了可靠的基础数据和技术支撑，探索了大直径盾构机在掘进过程中不同位置的刮刀磨损规律，对新一代的智能、高效、安全及人性化的盾构机开发和研究具有重要意义。

上面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。