基于浮力作用的盾构机滚刀状态检测装置的制作方法

1.本发明涉及激光检测技术领域，具体地说是一种基于浮力作用的盾构机滚刀状态检测装置。


背景技术：

2.盾构机的前部为盾头，盾构机的掘进主要依靠盾头进行实现的，盾头的端部为刀盘，刀盘上设置有若干刀具，针对不同成分开挖成分，所使用的刀具也不同，而针对岩层则使用滚刀刀具，滚刀刀具是通过刀座转动设置在刀盘上的，在掘进过程中，盾头内部的液压系统作用在刀盘上，使刀盘将滚刀刀具压在岩层上，刀盘通过自身驱动装置带动转动，滚刀刀具公转的同时还会被动自转，对岩层进行磨削。
3.基于上述工况，刀盘上的刀具为易损件，但是由于刀具在使用的过程中由于工作化境的影响，每个刀具的磨损程度不同，并不能根据工作时间对所有刀具进行统一更换，需要对磨损超过限定的刀具进行更换，但是在实际使用过程中，由于刀盘的工作环境恶劣，对刀具磨损程度无法通过人眼去观察，只能通过相关传感器进行检测，现在已经投入使用的为磁铁检测传感器，及在滚刀上设置磁铁，通过电磁感应元件进行检测滚刀的转动状态，但是这种检测方式的检测元件均为外置式，而且由于掘进工作复杂多变，不仅掘进产生泥沙会对电磁感应元件造成影响，泥沙中的铁粉会大大影响电磁感应元件的工作稳定性。当对磨损的刀具更换不及时时，刀具上的刀圈磨损到一定程度后，就会对装载刀圈的内圈进行磨损，甚至会对刀座造成磨损，导致整个刀具发生损坏，大大增加了使用成本，而且如果刀具出现非正常磨损后，更换周期长达七天，严重影响施工工期，而且一个刀具的过渡磨损会导致周边的刀具也会受到影响，导致其他刀具也会造成过渡磨损。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对以上不足，提供一种基于浮力作用的盾构机滚刀状态检测装置，可以应用在盾构机的刀具内，用于对刀具的状态进行检测，还可以避免现场恶劣环境的影响。
5.本发明所采用技术方案是：
6.一种基于浮力作用的盾构机滚刀状态检测装置，设置在检测主体的封闭空腔内，包括至少一环状流道、设置在环状流道内的浮体和沿环状液体流道的周向方向间隔的多个光收发模块，所述环状流道内设置有填充液，所述浮体的密度不大于环状流道内填充液的密度，所述光收发模块相对于环状流道固定设置，光收发模块通过照射在浮体上的反射光不同判断是否存在浮体通过。
7.作为进一步的优化，本发明所述环状流道包括一环状管体，所述环状管体为透光材料或非透光材料，所述环状管体固定安装在检测主体的封闭空腔内。
8.作为进一步的优化，本发明所述浮体为流线型立体结构，所述浮体包括上半体和下半体，所述下半体的密度大于下半体的密度。
9.作为进一步的优化，本发明所述浮体上设置有与光收发模块安装位置相对应的浮体标尺，所述浮体标尺包括若干成规律变化的标识线。
10.作为进一步的优化，本发明所述浮体标尺为平面结构，所述浮体标尺设置在浮体内，且浮体上位于浮体标尺的上侧部分采用透明材料。
11.作为进一步的优化，本发明所述标识线均为设置在同一平面上的下凹镜。
12.作为进一步的优化，本发明所述浮体标尺设置在浮体的上部表面，所述浮体标尺为与浮体表面相同的曲面结构。
13.作为进一步的优化，本发明所述光收发模块包括发射元件和若干接收元件，所有接收元件以发射元件为中心向外侧分布设置，发射元件发出的激光通过浮体标尺发射后，被其中一个接收元件接收。
14.作为进一步的优化，本发明所述光收发模块包括发射元件和接收元件，所述浮体标尺包括若干依次设置的横向光栅条带，每条光栅条带的变化规律均不相同，所述光栅条带在浮体的上表面上沿环状流道的厚度方向依次设置。
15.作为进一步的优化，本发明所述浮体的两侧设置有平衡翼。
16.本发明具有以下优点：
17.1、本发明的检测装置安装在刀体的一个封闭空腔内，本发明通过设置一个环状流道，环状流道内设置有一浮体，并在环状流道的周向方向设置光收发模块，刀体在转动时，环状流道和光收发模块会根据刀体一起转动，而浮体受浮力作用影响，始终位于环状流道的上部，因此在正常转动状态下，每个光收发模块会依次经过浮体，通过每个光收发模块反馈信号的间隔时间判断刀体的转动状态。
18.2、本发明的检测装置的浮体上设置有浮体标识，浮体标识上的标识线呈一定的规律排列，通过该设置可以检测刀体的转动方向和转动速度，浮体上浮体标识可以设置成平面结构，还可以设置在浮体的外表面上形成曲面结构。
19.3、本发明的检测装置中的浮体上的浮体标识设置成平面结构时，通过将光收发模块设置多个接收元件，并将接收元件按阵列进行排列，当刀体发生偏转时，偏转角度不同检测光的入射角度不同，反射角度也不同，反射光会被不同的接收元件接收，可以通过接收发射光的接收元件可以判断刀体的偏转角度；
20.4、本发明的检测装置中的浮体上的浮体标识设置成曲面结构时，通过将浮体标识设置成多条横向的光栅条带，当刀体的偏转角度不同时，光收发模块所正对的光栅条带不同，而每条光栅条带的变化规律不同，可以根据所检测到光栅条带的反射光的规律判断哪条光栅条带与光收发模块相正对，进而判断刀体的偏转角度。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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。
22.下面结合附图对本发明进一步说明：
23.图1为发明的结构示意图；
24.图2为浮体的另一种结构示意图；
25.图3为浮体上设置平面结构的浮体标尺的结构示意图；
26.图4为标识线设置成下凹镜的结构示意图；
27.图5为平面结构的浮体标尺在滚刀未发生偏转时的状态示意图；
28.图6为平面结构的浮体标尺滚刀发生偏转时的状态示意图；
29.图7为浮体上设置曲面浮体标尺的结构示意图；
30.图8为曲面结构的浮体标尺在滚刀发生偏转时的状态示意图；
31.图9为曲面结构的浮体标尺设置成横向光栅条带的结构示意图；
32.图10为图9中的浮体标尺的平面展开示意图。
33.其中：1、环状管体，2、浮体，3、光收发模块，4、安装腔体，5、第一浮体标尺，6、第二浮体标尺，7、第三浮体标尺，2-1、第一半体，2-2、第二半体，3-1、发射元件，3-2、接收元件，5-1、下凹镜，7-1、光栅条带。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
35.需要理解的是，在本发明实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。在本发明实施例中的“多个”，是指两个或两个以上。
36.本发明实施例中的属于“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
37.实施例一
38.本实施例提供一种基于浮力作用的盾构机滚刀状态检测装置，一般的盾构机的滚刀结构包括刀圈、刀体和刀轴，刀圈固定安装在刀体上，刀体通过轴承转动设置在刀轴上，刀轴固定安装在刀盘上，在作业过程中，滚刀被压在开凿岩层上，刀圈直接与开凿岩层直接接触，刀圈转动带动滚刀被动自转和公转，本实施例的基于浮力作用的盾构机滚刀状态检测装置设置在刀体上，刀体与刀圈一同转动，在刀体的两侧额外设置安装腔体4，将本实施例的基于浮力作用的盾构机滚刀状态检测装置设置在安装腔体4内，并随刀体一起转动，该安装腔体4在安装完成后进行封闭处理。
39.具体的，本实施例的旋转检测装置包括至少一环状流道、设置在环状流道内的浮体2和沿环状液体流道的周向方向间隔设置的光收发模块3，环状流道所在平面平行于刀体的滚动平面，本实施例所述环状流道由首尾相接的环状管体1围成，所述环状管体可以设置在透光材料，还可以设置为非透光材料，所述环状管体1固定设置在安装腔体内，当环状管体1设置为透光材料时，所述光收发模块3可以设置在环状管体的外侧，当环状管体1设置为非透光材料时，所述光收发模块3必须需要设置在环状管体1的内部，环状管体1内填充有液体，所述浮体2的密度小于环状管体1内所填充的液体的密度，因为浮体2会漂浮在环状管体1的上部，光收发模块3正对环状管体时，正常状态下贯穿环状管体1以及其中填充的液体，
有可能会获得少量的反射光，在算法上可对这些反射光进行忽略，当光收发模块3的正对浮体2时，光收发模块3发出的检测光会被浮体2反射并被接收。在盾构机掘进的过程中，所述环状管体1和光收发模块3随刀体一同转动，但是浮体2受到环状管体1内液体浮力的影响，浮体2会始终位于环状管体1的上部，因此在转动过程中，间隔设置的光收发模块3会依次经过浮体2，在正常工作状态下，相邻光收发模块3检测到浮体2的间隔时间是相同的，因此可以通过该过程判断刀体是否处于正常转动状态。
40.本实施例中，所述浮体2可以设置的长度可长可短，浮体2的长度设置的较长时，如图2所示，浮体2的形状应当与环状管体的直径相匹配，可以同时跨越多个光收发模块3，设置的较短时，可以只对应一个光收发模块3，如图1所示。
41.本实施例中，浮体2择优设置为流线型，流线型的浮体2能够让刀具高度转动的过程中，降低浮体2与环状管体1内的液体之间的运动阻力。
42.为了增强浮体2的反光性，可以在浮体的上侧设置有高反光材料，如镜面涂层等，但是在随着刀体转动的过程中，浮体2可能会发生翻转，为了避免这种情况的发生，在结构设置上，浮体2包括第一半体2-1和第二半体2-2，第二半体2-2的密度大于第一半体2-1的密度，因此浮体2位于液体中时，第二半体2-2始终位于第一半体2-1的下侧。
43.本实施例中所涉及的光收发模块3的信号同时需要通讯模块将信息传输至上位机，由于工作环境特殊不易布线，可以基于物联网技术采用无线通讯模块，同时光收发模块和无线通讯模块均需要供电模组，该供电模组可以通过设置电池进行供电，还可以利用刀体的被动转动设置发电模块，对锂电池进行充电。
44.实施例二
45.本实施例与实施例一相比，主要的区别在于：如图3所示，所述浮体2上设置有第一浮体标尺5，所述第一浮体标尺5为平面结构，所述第一浮体标尺5包括若干标识线，所有标识线呈一定的规律进行排列，如标识线的宽度存在差异，第一浮体标尺5上的所有标识线的宽度逐渐变化。所述标识线可以设置在浮体2的第一半体2-1和第二半体2-2的对接平面上，这就要求第一半体2-1应采用半透明材料，如气溶胶材料，所述标识线可采用高反光材料，并与所在平面进行区别，标识线可以采用平面涂层或标贴，还可以采用不等宽的下凹镜的设置形式，如图4所示，还可以将对接平面设置成高反光面，将标识线设置成吸光材料。
46.为了避免刀体在转动过程中，浮体2出现较大程度的混动影响光信号接收的稳定性，本实施例的浮体2的两侧会设置有平衡翼，提升浮体2的稳定性。
47.第一浮体标尺5上的标识线由于呈一定规律排布，光收发模块3通过浮体2上的第一浮体标尺5时，反射光信号也是呈一定规律的，因此可以通过该设置判断刀体的转向，而且如果光收发模块3采用脉冲光进行检测还可以通过反射信号计算刀体的转速。
48.实施例三
49.与实施例二相比，本实施例的主要区别在于：如图7所示，所述浮体的上部表面上设置有第二浮体标尺6，为了降低第二浮体标尺6给浮体2带来的阻力，第二浮体标尺6择优选择嵌入到浮体内，第二浮体标尺6包括若干呈一定规律排列的纵向的标识线，按设置位置来讲，第二浮体标尺6设置在第一半体2-1的内曲面上，该设置方式对第一半体2-1的材料不存在特殊要求，第二浮体标尺6的标识线依然采用高反光材料。
50.实施例四
51.基于实施例二的浮体标尺的设置形式，本实施例与实施例二相比，主要的区别在于：所述光收发模块3包括发射元件3-1和若干接收元件3-2，所有接收元件3-2沿环状管体1的厚度方向呈矩阵式排列，所述发射元件3-1设置在所有接收元件3-2的中部。
52.如图5所示，当刀体未发生偏转时，发射元件3-1发射出去的检测光被浮体标尺5反射后，反射后原路返回，被发射元件3-1附近的接收元件所接收。如图6所示，当环状管体1随刀体一同发生偏转时，发射元件3-1发出的激光照射在第一浮体标尺5的其中一条标识线上时，入射光夹角与反射光夹角相同，反射光被成矩阵式排列的其中一个接收元件3-1上接收，通过接收的接收元件可以判断刀体的偏转角度。
53.实施例五
54.实施例三中，如图7所示的浮体标尺包括若干纵向的曲面标识线，如图9所示，本实施例的第三浮体标尺7也是设置在浮体2的上部表面，本实施例与实施例三相比，主要的区别在于：如图10所示，第三浮体标尺7包括若干横向的设置的光栅条带，所有光栅条带沿环状管体的厚度方向依次设置，每条光栅条带上设置有若干反光区和非反光区，且每条反光区和非反光区的排列规律均不相同。第二浮体标尺6和第三浮体标尺7均设置在浮体的外表面上，由于浮体2的表面为曲面，因此不论刀体是否发生偏转，发射元件3-1发出的检测光基本都是直接反射回来，第二浮体标尺6上的标识线为纵向条带，因为在每个角度下的分布规律是相同的，在刀体发生偏转后不能通过第二检测标尺6进行获知，但是第三浮体标尺7上标识线为横向光栅条带7-1，且在纵向方向上依次分布，刀体在发生偏转后，且偏转角度不同光收发模块所正对的光栅条带7-1不同，光收发模块3可以根据反射光的规律判断刀体的偏转角度，第三浮体标尺7上每条光栅条带7-1设置的宽度越细，其检测精度越高。还可以在相邻光栅条件之间设置分隔条带，在偏转角发生转变时，方便检测。
55.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。