专利名称：隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术，特别是应用于硬岩或复合地层中的隧道掘进机(包括TBM和盾构机)刀具磨损的检测方法。
背景技术：
随着掘进机制造技术的发展，掘进机的适应地层范围越来越广，掘进机技术不仅在比较均匀、单一的土层和岩层中得到广泛应用，也在各种软硬交替的复合地层中得到了应用。但是，在隧道施工过程中，刀具磨损严重是掘进机在硬岩以及复合地层中遇到的最大难题之一，若刀具磨损或失效后不能及时发现并更换，将导致刀圈超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至刀盘严重磨损，大大降低掘进破岩效率。目前，掘进机在掘进过程的刀具磨损状况判断主要还是凭经验、凭感觉，最有效的方法是停机后人工进舱检查，但人工检查是一项风险很高的工作。这种方法只能在稳定地层中使用，在不稳定地层中需首先进行地层加固或压气作业，代价很大。为了“减少”麻烦，施工中往往不愿主动停机检查，到无法再继续掘进了才被迫开舱检查。此时往往很多刀圈、轴承都已磨损、变形，一些变形严重的刀具经常无法顺利取出，增加更多麻烦，耽误更多的换刀时间。
常见的刀具失效形式有刀圈磨损、(多边)弦磨、刀圈断裂、崩刃、刀圈松动、轴承漏油、轴承磨损失效等，其中刀圈磨损是刀具正常损坏，其它形式属于非正常损坏。刀具磨损、失效的常见的判断方法有以下几种(1)异味添加剂这种方法适合在TBM中应用，例如在秦岭隧道所使用的WIRTH公司生产的滚刀，为了检测轴承失效情况，在其轴承润滑油中加入了具有异味的MOLYUAN添加剂，掘进中若刀具漏油，则放出刺鼻的异味，能很敏感地报告刀具损坏信息。这种方法在土压平衡式盾构和泥水式盾构中效果不佳。
(2)刀具磨损感应装置在刀具或刀盘内安装液压或电子传感器系统，一旦刀具磨损到一定程度就会自动报警指示。如图1是海瑞克(Herrenknecht)公司提出的带有磨损探测器的刮刀原理图。该系统由探测器1、接收器2和发射器3组成，采用线路连接，可在刀盘上安装8个这种特制刮刀。比较常见的滚刀磨损感应装置则是采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刃尖，通过比较伸出行程与磨损前行程的差值判断滚刀的磨损量。此外还有一些采用液压短路、光纤维短路或超声波等方式来判断滚刀磨损的感应装置。由于感应装置只能在少量刀具上安装，应用范围小，使用效果受到很大限制。
(3)掘进参数分析随着刀具的磨损，在推力不变的情况下，掘进速度一般会降低，扭矩增加，据此可以粗略地估计刀具磨损情况。但由于掘进速度、扭矩受众多因素影响，包括推力变化、转速变化、地层变化、土舱压力变化等，故往往还难以直接用于判断。此外，若轴承损坏，刀具偏磨后，刀刃将与岩石表面发生剧烈摩擦，产生大量热量，导致渣土温度升高，故渣土温度异常时也可能意味着刀具失效。但是，上述掘进参数的分析方法通常是在分析人员的经验基础之上作出的主观判断，并没有足够的理论根据，因此，其判断结果的准确率并不高。
(4)岩渣形状分析一般地，新刀产生的岩渣块度较大，多呈片块状，菱角分明，刀具磨损后，岩渣块度变小、粉末增加。此外还可留意观察渣土中有无金属块，崩裂的刀圈往往会随渣土一并排出。
(5)开舱检查这是最常用最直接最可靠的方法，停机后由人工进舱逐个刀具检查。但是在不稳定地层中，开舱前需首先进行地层加固或压气作业，方可入舱检查。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用隧道掘进机在掘进过程中的掘进参数检测刀具是否磨损的方法，以便在施工过程中及时方便地检测刀具的磨损状况，尽早更换磨损或失效的刀具。
本发明所采用的技术方案一种隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，利用掘进机在掘进过程中的掘进参数预测刀具的磨损状况，其特征在于，包括数据采集过程，即利用数据采集装置采集掘进过程中的各种掘进参数；参数提取过程，即在已经采集获得的掘进参数中选择与刀具磨损相关的参数，包括掘进速度、总推力、刀盘总扭矩、刀盘转速；参数分析过程，即利用相关参数计算得出掘进速度或刀盘总扭矩的理论值，通过分析掘进速度或刀盘总扭矩的理论值与实际值之间的偏差值来判断刀具的磨损状况。
上述掘进速度理论值由如下关系式确定v=nKt2·(Tt-T0)2(Wt-W0)2]]>公式中v为掘进速度理论值，Wt为总推力，Tt为刀盘总扭矩，n为刀盘转速，W0和T0分别为掘进机掘进过程所受的摩擦力和摩擦扭矩，Kt由如下关系式确定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)]]>公式中ri为第i个刀具的旋转半径，βi为第i个刀具法线与掘进机刀盘旋转轴线的夹角，N为刀盘上的刀具数量，D为滚刀直径。
基于上述检测方法，判断滚刀是否磨损或失效的方法是在参数分析过程中，当掘进机掘进一定距离Lx后的掘进速度检测偏差值比滚刀完好时的掘进速度偏差值大δ时，即可判断为滚刀显著磨损。其中，δ是掘进速度检测偏差值的临界值，采用滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的正常波动范围表示，其值等于掘进速度检测偏差值的方差s0，即δ＝s0。
上述掘进速度检测偏差值通过以下步骤确定(a).掘进机掘进Lx米后，采集nx条掘进参数记录(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....nx)，计算得出nx个掘进速度检测偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvnx)；(b).以所述nx个掘进速度检测偏差值作为样本，计算其样本均值和样本方差，分别记为(Δvx，sx)。滚刀完好时的掘进速度偏差值通过以下步骤确定(a).在滚刀完好情况下，掘进机掘进L0米，采集n0条掘进参数记录(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....n0)，计算得出n0个掘进速度检测偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvn0)；(b).以所述n0个掘进速度检测偏差值作为样本，计算其样本均值和样本方差，分别记为(Δv0，s0)。若Δv0-Δvx>δ+tα(n0+nx-2)·sw·1/n0+1/nx,]]>即认为刀具显著磨损或失效，其中，tα(n0+nx-2)为自由度为(n0+nx-2)，α显著性水平的t分布值；统计量sw由如下公式确定sw2=(n0-1)·s02+(nx-1)·sx2n0+nx-2]]>公式中n0为滚刀完好情况下掘进L0米后采集到的掘进参数样本容量，nx为掘进Lx米后采集到的掘进参数样本容量，s0为滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的均值和方差，sx为掘进Lx米后掘进速度检测偏差值的均值和方差。
上述刀盘总扭矩理论值由如下关系式确定
Tt=T0+Kt·Wt·vn-Kt·W0·vn]]>公式中Tt为刀盘总扭矩理论值，Wt为总推力，v为掘进速度，n为刀盘转速，W0和T0分别为掘进机掘进过程所受的摩擦力和摩擦扭矩，Kt由如下关系式确定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)]]>公式中ri为第i个刀具的旋转半径，βi为第i个刀具法线与掘进机刀盘旋转轴线的夹角，N为刀盘上的刀具数量，D为滚刀直径。
本发明所述隧道掘进机刀具磨损的检测方法推导得出了与刀具磨损相关的掘进速度、总推力、刀盘总扭矩、刀盘转速之间的理论关系式，通过分析掘进速度或刀盘总扭矩的理论值与实际值之间的偏差值来判断刀具的磨损状况。一般地，滚刀完好情况下，理论值与实际值之间的偏差值一般比较小；滚刀磨损后，理论值与实际值之间的偏差值将增大，故可通过对比掘进速度或扭矩的理论值与实际值之间的偏差值来判断滚刀磨损状况。与传统的刀具磨损检测方法相比，本发明提供了一种具有足够理论根据的掘进参数分析方法，可以更准确的预测和判断出刀具的磨损状况，在施工过程中及时方便地检测出刀具的磨损状况，尽早更换磨损或失效的刀具，避免导致刀圈超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至刀盘严重磨损等事故的发生。
图1为带有磨损探测器的刮刀原理图；图2为掘进机的刀具布置图；图3为某硬岩段隧道的地质剖面图；
图4为掘进过程中的推力曲线图；图5为掘进过程中的掘进速度理论值与实际值对比曲线之一；图6为掘进过程中的掘进速度理论值与实际值对比曲线之二。
具体实施例方式
现代掘进机都配备有先进的数据采集、传输、存储系统，可以对掘进机掘进过程的各种掘进参数进行自动采集、记录。在本发明中，最基本、最重要的掘进数据包括掘进速度、总推力、刀盘扭矩、刀盘转速。在总推力、刀盘转速不变的情况下，掘进速度、刀盘扭矩的变化主要与岩层性质和刀具磨损状况有关，刀具磨损后，掘进速度一般会降低，扭矩也会发生相应变化。一般地，掘进速度和扭矩之间并非独立的，掘进速度越大，滚刀切入岩石越深，扭矩就越大。因此可以通过分析掘进速度和扭矩的变化来预报刀具的磨损情况。同时，由于掘进速度和刀盘扭矩还受岩石强度的影响，其它条件不变的情况下，岩石强度越大，掘进速度和刀盘扭矩就越低。故还必需研究掘进速度、扭矩与岩石强度的关系，以便判断引起掘进速度和扭矩变化的真实原因。
1.滚刀切削力试验模型有关滚刀切削力模型，最早是从滚刀切削破岩试验中得出的，包括切削力与岩石强度、切削深度、切槽间距、切削面积、切削速度、切削半径、滚刀尺寸、形状等参数的关系，以及垂直切削力和水平切削力之间的关系等。
(1)切削力与岩石强度、切削深度的关系Graham(1976)对单轴抗压强度为140-200Mpa的岩石进行切削试验，得到的的关系式为P＝3940Fn/σc(1)式中P——为每转进尺，mm/rev；Fn——滚刀的平均推力，kN；σc——岩石单轴抗压强度，MPa。
将上式变换后得切削力线性模型Fn＝kn.σc.P (2)式中kn——为切削力系数，kn＝1/3940Hughes(1986)根据煤层中的切削试验数据，提出的关系式为P=1.667(Fnσc)1.2(2D)0.6---(3)]]>式中D——刀直径，mm，其余符号意义同上。
上式只考虑单个滚刀破岩作用，即不考虑相邻滚刀对切削力的影响。
将上式变换后得切削力幂模型Fn＝knσcPm(4)式中kn——为切削力系数，kn＝0.642D0.5＝13.3m——切削深度指数，m＝0.83。
可见，切削力线性模型只是幂模型的一种特例。
(2)垂直力与水平力的关系在滚刀切削破岩试验中，大部分研究人员发现，滚刀垂直推力与水平滚动力之间是成比例变化的，水平滚动力与垂直推力之比定义为切削系数。
Roxborough和Phillips(1975)假设单个滚刀的切削深度就等于TBM的每转进尺，由此得到切削系数Ce=Fr/Fn=P/(D-P)---(5)]]>式中Fr——滚刀水平滚动力。Ce——切削系数。
由于实际施工中，滚刀切削深度远小于滚刀直径，故式(6)可简化为Ce=Fr/Fn≈P/D---(6)]]>Hughes(1986)得到的切削系数关系式为Ce=Fr/Fn=0.65P/(0.5D)---(7)]]>简单变换后得到
Ce=Fr/Fn≈0.92P/D]]>可以看出，不同研究者得到的切削系数表达式基本上是一致的。
2.有效推力、有效扭矩与切削力关系的推导根据切削力试验模型精确计算总推力、扭矩等掘进参数是很复杂的。为简化起见，不考虑刀尖距对切削力的影响，即假设每把滚刀的切削深度是相同的。由此得到的推力和扭矩计算公式如下(1)刀盘有效推力计算刀盘有效推力指推动刀具破岩所需的合力，不包括克服掘进机前进的各种摩擦力和土舱土压力产生的反推力。有效推力由每个滚刀的垂直(法向)推力沿掘进机轴线方向的分力叠加而得W=Σi=1NFni·Cosβi---(8)]]>式中W——刀盘有效推力；Fni——第i个刀具的垂直(法向)推力；βi——第i个刀具法线与隧道掘进机刀盘轴线的夹角；N——刀盘上的刀具数量。
将式(4)代入上式得W=kn·(Σi=1N·Cosβi)·σc·Pm---(9)]]>(2)刀盘有效扭矩计算刀盘有效扭矩指由刀具切向力对刀盘旋转轴产生的合力矩，不含刀盘旋转遇到的摩擦力矩。
T=Σi=1NFri·ri---(10)]]>式中T——刀盘有效扭矩；Fri——第i个刀具的水平(切向)切削力；ri——第i个刀具的旋转半径。
由式(6)得Fr=Fn·P/D]]>
代入式(10)整理得T=kn1D(Σi=1Nri)σc·Pm+0.5---(11)]]>(3)有效推力、扭矩表示的掘进速度式(11)是刀盘扭矩的计算公式，由于公式中含有岩石强度参数(未知参数)，还无法直接用于扭矩计算，故需进一步变换。
由式(9)得σc=1kn·(Σi=1N·Cosβi)WPm---(12)]]>将上式代入式(11)得T=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)WP---(13)]]>根据切削深度与掘进速度、刀盘转速的关系P＝v/n，代入上式得T=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)W·vn---(14)]]>式中v——掘进速度；n——刀盘转速。
对比式(11)，上式已不包含岩石强度参数，可直接由掘进速度、刀盘转速、有效推力、刀具布置坐标参数计算出有效扭矩，岩石强度对扭矩的影响作用已隐含在掘进速度参数中。
由式(14)变换得到掘进速度的计算公式v=D·(Σi=1N·Cosβi)2(Σi=1Nri)2·n·T2W2---(15)]]>3.总推力、总扭矩表示的掘进速度检测式上述关系式(14)和(15)是由单个滚刀切削力模型推导出的，式中对应的推力、扭矩是直接作用于破岩的有效推力和有效扭矩，不包括盾壳摩擦力和后续台车牵引力，也不包括刀盘旋转产生的摩擦力。而实际施工过程中还难以直接量测有效推力和有效扭矩，所记录的是包括各种摩擦力的总推力和总扭矩，故直接应用式(15)检测掘进速度将产生较大的误差，还必须进一步对式(15)进行变换。
分别记总推力为Wt、总扭矩为Tt，则W＝Wt-W0；T＝Tt-T0(16)式中W0、T0分别为掘进机掘进过程所受摩擦力和摩擦扭矩。记Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi),]]>代入式(14)得Tt-T0=Kt·(Wt-W0)·vn]]>移项得Tt=T0+Kt·Wt·vn-Kt·W0·vn---(17)]]>根据上式可采用回归方法求出W0、T0，回代入式(15)得到v=nKt2·(Tt-T0)2(Wt-W0)2---(18)]]>关系式(17)和(18)是在滚刀完好情况下建立起来的总扭矩与总推力、掘进速度之间关系的半理论半经验公式，可直接采用掘进过程记录的总推力、总扭矩计算掘进速度。一般地，滚刀完好情况下，理论值与实际值之间的偏差值一般比较小；滚刀磨损后，理论值与实际值之间的偏差值将增大，故可通过对比掘进速度或扭矩的理论值与实际值之间的偏差值来预报滚刀磨损状况。
4.滚刀磨损或失效的判断方法设滚刀完好情况下，掘进了L0米，采集了n0条掘进参数记录(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....n0)，按照式(18)计算出对应的n0个掘进速度检测偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvn0)，可看作一个随机样本，其样本均值和样本方差分别记为(Δv0，s0)；继续掘进Lx米后，又采集了nx条掘进参数记录，同样得到nx个掘进速度检测偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvnx)，其样本均值和样本方差分别记为(Δvx，sx)，则判断掘进机继续掘进Lx米后，滚刀是否明显磨损就等同于判断两个随机样本的均值差是否大于某一设定值δ，故可运用数理统计的t检验法来判断。
构造下列统计量sw2=(n0-1)·s02+(nx-1)·sx2n0+nx-2---(19)]]>式中n0——滚刀完好情况下掘进L0米后采集到的掘进参数样本容量；nx——继续掘进Lx米后采集到的掘进参数样本容量；Δv0，s0——分别为滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的均值和方差；Δvx，sx——分别为掘进Lx米后掘进速度检测偏差值的均值和方差；要检验的假设为H0Δv0-Δvx＝δ；H1Δv0-Δvx＞δ，若Δv0-Δvx>δ+tα(n0+nx-2)·sw·1/n0+1/nx---(20)]]>式中δ——掘进速度检测偏差值的临界值，采用滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的正常波动范围表示，其值等于掘进速度检测偏差值的方差s0，即δ＝s0。当掘进Lx后掘进速度检测偏差值比滚刀完好情况下的掘进速度偏差值大δ时，判断滚刀显著磨损；tα(n0+nx-2)——自由度为(n0+nx-2)，α显著性水平的t分布值，可查数理统计表得到。
则在显著性水平α下，拒绝H0，接受H1，即认为刀具显著磨损或失效。
具体实施例以广州市轨道交通四号线大学城专线[大学城～小谷围盾构区间]盾构工程硬岩段掘进过程的滚刀磨损情况检测为例，进一步说明本发明的检测方法1.工程概况该工程线路总长度4000m，由两条圆形隧道组成，隧道内径5.4米，线间距约13m，覆土厚度5～30m。设计采用盾构法施工，盾构机采用日本三菱公司生产的土压平衡式复合盾构机。刀盘开挖直径6290mm，开口率为37％。刀盘上可根据不同地层安装刮刀、先行刀、滚刀、鱼尾刀等刀具，其中硬岩段掘进，刀盘上共配备了8把双刃中心滚刀和23把单刃滚刀(如图2所示)。刀盘中心区和正面区滚刀刀间距为90mm，边缘区域滚刀刀间距在12～32mm之间。
隧道主要在II类围岩和III类围岩中穿过(南部和北部隧道)，中部约有300米的全断面IV类、V类围岩。硬岩段岩性以上元古界震旦系的灰、青灰色中等风化混合岩<8Z>和微风化混合岩<9Z>为主，其中<9Z>微风化混合岩，岩石完整而坚硬，天然单轴极限抗压强度fc＝31.50～77.9MPa，平均53.44Mpa。硬岩段隧道线路纵剖面图如图3所示。
2.硬岩段掘进滚刀磨损情况右线始发以来，在土层及岩土交替地层中(主要为<6Z>、<7Z>、<8Z>地层)掘进约700米，累计更换滚刀107把，其中约80％滚刀出现偏磨失效。2005年3月3日右线盾构机过中间风井后即进入<9Z>全断面微风化硬岩。硬岩段采用开舱模式掘进，总推力10000-25000KN，扭矩500-1500KN·m，掘进速度10-30mm/min，刀盘转速3.1rpm。由于混合岩研磨性高，刀具磨损严重。从552环整盘新刀开始二次始发掘进，掘进至666环，共掘进171米，进舱换刀10次，累计更换滚刀36把，平均每把滚刀掘进4.75m，详见表1。
硬岩段刀具失效的主要形式有正常磨损、偏磨、刀圈断裂等，与岩土交替地层相比，偏磨已有所减少，但仍约占30％。
表1右线全断面硬岩段滚刀磨损情况统计表3.滚刀磨损或失效的预报(1)掘进速度检测式的建立预报工作从2005年3月26日第6次换刀后开始。该次换刀7把，换刀数量较多，换刀后掘进第一环(即624环)时可以认为滚刀处于完好状态。故以624环的掘进参数作为基准建立总推力、总扭矩表示的掘进速度检测式如下v=(Tt-159)2(0.00614·Wt+58.6)2---(21)]]>由于刀盘转速在掘进过程保持不变，故上式中不含刀盘转速。掘进过程中的推力曲线如图4所示。根据上式得到的624环掘进速度理论值与实际值对比曲线如图5所示。可见，掘进速度理论值与实际值的变化规律非常吻合。
(2)掘进速度的检测在624环(点序号227-300)的后续掘进过程及时将各环的掘进参数代入式(21)计算出掘进速度的理论值，并将理论值与实际值进行对比(如图6所示)。
从图6可见，当掘进至628环(点序号606-680)时，实际掘进速度明显比检测的掘进速度理论值低，据此可初步判断，掘进至628环时有部分滚刀可能已明显磨损或失效；到637环(点序号1386-1461)时，实际掘进速度与掘进速度理论值又逐渐接近，查看换刀记录(表1)，在637环更换了4把滚刀，刀圈高度已磨损25-35mm，换刀记录与检测速度的变化情况是相吻合的。后续其它各次换刀记录与检测速度的变化情况均是相吻合的(如图6所示)。
(3)滚刀磨损或失效的判断以上根据掘进速度曲线变化情况可粗略判断滚刀磨损情况，由于在滚刀完好情况下，掘进速度也会产生较大的波动，为了消除这种掘进速度的随机波动产生的误判，需运用数理统计的t检验法来对掘进速度检测偏差值进行检验判断。取显著性水平α＝0.01，即当掘进速度检测偏差值比滚刀完好情况下的掘进速度偏差值波动范围s0大时，我们以99％的概率判断滚刀显著磨损。据此分别对各环掘进速度检测偏差值进行检验，部分检验结果如表2所示。可见，从628环开始有滚刀出现显著磨损，637环换刀后掘进速度检测值又恢复正常，故检测结果与实际换刀情况是相吻合的。
表2右线滚刀磨损情况检验结果综合上述检测结果表明，将滚刀台架切削破岩试验模型应用于现场掘进参数的计算的原理是正确的；据此得到的掘进速度理论值和实际值变化趋势是一致的；刀具磨损情况检测结果与实际换刀情况是相吻合的。同时也证明本发明所述隧道掘进机刀具磨损的检测方法是切实可行的。
权利要求
1.一种隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，利用掘进机在掘进过程中的掘进参数预测刀具的磨损状况，其特征在于，包括数据采集过程，即利用数据采集装置采集掘进过程中的各种掘进参数；参数提取过程，即在已经采集获得的掘进参数中选择与刀具磨损相关的参数，包括掘进速度、总推力、刀盘总扭矩、刀盘转速；参数分析过程，即利用相关参数计算得出掘进速度或刀盘总扭矩的理论值，通过分析掘进速度或刀盘总扭矩的理论值与实际值之间的偏差值来判断刀具的磨损状况。
2.根据权利要求1所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述掘进速度理论值由如下关系式确定v=nKt2·(Tt-T0)2(Wt-W0)2]]>公式中v为掘进速度理论值，Wt为总推力，Tt为刀盘总扭矩，n为刀盘转速，W0和T0分别为盾构掘进过程所受的摩擦力和摩擦扭矩。
3.根据权利要求2所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述关系式中Kt由如下关系式确定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N··Cosβi)]]>公式中ri为第i个刀具的旋转半径，βi为第i个刀具法线与掘进机刀盘旋转轴线的夹角，N为刀盘上的刀具数量，D为滚刀直径。
4.根据权利要求1所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述参数分析过程中，当掘进机掘进一定距离Lx后的掘进速度检测偏差值比滚刀完好时的掘进速度偏差值大δ时，即可判断为滚刀显著磨损，其中，δ是掘进速度检测偏差值的临界值。
5.根据权利要求4所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，临界值δ采用滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的正常波动范围表示，其值等于掘进速度检测偏差值的方差s0，即δ＝s0。
6.根据权利要求4所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述掘进速度检测偏差值通过以下步骤确定a.掘进机掘进Lx米后，采集nx条掘进参数记录(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....nx)，计算得出nx个掘进速度检测偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvnx)；b.以上述nx个掘进速度检测偏差值作为样本，计算其样本均值和样本方差，分别记为(Δvx，sx)。
7.根据权利要求4所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述滚刀完好时的掘进速度偏差值通过以下步骤确定a.在滚刀完好情况下，掘进机掘进L0米，采集n0条掘进参数记录(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....n0)，计算得出n0个掘进速度检测偏差值(Δv1，Δv2，Δv3...Δvn0)；b.以上述n0个掘进速度检测偏差值作为样本，计算其样本均值和样本方差，分别记为(Δv0，s0)。
8.根据权利要求4至7中任一权利要求所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，若Δv0-Δvx>δ+tα(n0+nx-2)sw·1/n0+1/nx,]]>即认为刀具显著磨损或失效，其中，ta(n0+nx-2)为自由度为(n0+nx-2)，α显著性水平的t分布值。
9.根据权利要求8所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述关系式中的统计量sw由如下公式确定sw2=(n0-1)·s02+(nx-1)·sx2n0+nx-2]]>公式中n0为滚刀完好情况下掘进L0米后采集到的掘进参数样本容量，nx为掘进Lx米后采集到的掘进参数样本容量，s0为滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的均值和方差，sx为掘进Lx米后掘进速度检测偏差值的均值和方差。
10.根据权利要求1所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述刀盘总扭矩理论值由如下关系式确定Tt=T0+Kt·Wt·vn-Kt·W0·vn]]>公式中Tt为刀盘总扭矩理论值，Wt为总推力，v为掘进速度，n为刀盘转速，W0和T0分别为掘进机掘进过程所受的摩擦力和摩擦扭矩。
11.根据权利要求10所述隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，其特征在于，所述关系式中Kt由如下关系式确定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N··Cosβi)]]>公式中ri为第i个刀具的旋转半径，βi为第i个刀具法线与掘进机刀盘旋转轴线的夹角，N为刀盘上的刀具数量，D为滚刀直径。
全文摘要
本发明公开了一种隧道掘进机掘进过程中刀具磨损的检测方法，利用掘进机在掘进过程中的掘进参数预测刀具的磨损状况，包括数据采集过程，即利用掘进机上配备的数据采集装置采集掘进过程中的各种掘进参数；参数提取过程，即在已经采集获得的掘进参数中选择与刀具磨损相关的参数，包括掘进速度、总推力、刀盘总扭矩、刀盘转速；参数分析过程，即利用相关参数计算得出掘进速度或刀盘总扭矩的理论值，通过分析掘进速度或刀盘总扭矩的理论值与实际值之间的偏差值来判断刀具的磨损状况。本发明可以实现在施工过程中及时地检测刀具的磨损状况，尽早更换磨损或失效的刀具，避免导致刀圈超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至刀盘严重磨损等事故的发生。
文档编号G06F19/00GK1818640SQ20061003401
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月3日 优先权日2006年3月3日
发明者张厚美 申请人:广州市盾建地下工程有限公司