用于检测滚刀受力的滚刀刀轴及滚刀组件的制作方法

本发明属于盾构设备技术领域，尤其涉及一种用于检测滚刀受力的滚刀刀轴及滚刀组件。

背景技术：

盾构机是基于全断面开挖法挖掘隧道的机械，主要通过安装在刀盘上的刀箱内的滚刀实现隧道挖掘中的破岩或挖土工作。滚刀是盾构机刀盘上的易损件，在与岩、土体相互作用的过程中会产生磨损，当滚刀磨损到一定的程度，将会影响盾构机的正常工作。因此，在挖掘隧道的过程中，需要时刻监测滚刀刀轴的受力情况，以分析滚刀的工作状态，以及分析滚刀的磨损情况。

由于盾构机在掘进过程中，滚刀的受力状态较为复杂，且滚刀周围一般伴随泥浆、碎石等，工作环境较为恶劣，不利于在滚刀上布置传感器及信号传输设备，因此，目前还没有可行的监测滚刀的受力状态的方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种用于检测滚刀受力的滚刀刀轴及滚刀组件，能够在滚刀刀轴的轴体上开设第一通孔，并在第一通孔内布置第一形变传感器，以检测滚刀在挖掘隧道的过程中的受力情况。

一方面，本发明实施例提供了一种用于检测滚刀受力的滚刀刀轴，包括：

轴体，轴体的两端分别设有用于与滚刀刀座连接的连接部，轴体上沿自身径向开设有第一通孔，第一通孔位于两个连接部之间；

第一形变传感器，第一形变传感器设置于第一通孔内，用于检测第一通孔的第一形变量。

进一步地，轴体上还开设有由轴体外表面向内凹陷并沿轴体的周向延伸形成的环槽。

进一步地，环槽的数量为多个，多个环槽沿轴体的轴向间隔分布；

第一通孔的数量为多个，各环槽上贯通设置有至少一个第一通孔。

进一步地，环槽的数量为两个，两个环槽分别设置于轴体的两端；

第一通孔的数量为两个，各环槽上分别贯通设置有一个第一通孔。

进一步地，还包括：

第一传感器接头，第一传感器接头设置于任一连接部的外壁上，第一形变传感器与第一传感器接头通过第一导线连接。

进一步地，轴体上还设有：

第一安装槽，第一安装槽设置于任一连接部的外壁上，第一安装槽的槽底设有第一安装孔，第一安装孔与第一通孔连通；其中，

第一传感器接头安装于第一安装槽内，并且第一导线穿设于第一安装孔和第一通孔内。

进一步地，第一形变传感器为应变片，第一通孔为长圆孔，应变片沿第一通孔的横截面的长度方向固定设置于第一通孔内。

另一方面，本发明实施例还提供了一种滚刀组件，包括如上所述的用于检测滚刀受力的滚刀刀轴。

进一步地，还包括滚刀刀座，滚刀刀座包括：

支撑主体，支撑主体包括：

定位槽，定位槽沿支撑主体的厚度方向延伸形成，定位槽用于放置滚刀刀轴的连接部；

第二通孔，第二通孔沿厚度方向贯穿支撑主体设置；以及

第二形变传感器，第二形变传感器设置于第二通孔内，用于检测第二通孔的第二形变量。

进一步地，支撑主体还包括：

通槽，通槽沿厚度方向贯穿支撑主体设置，且通槽设置于第二通孔远离定位槽的一侧；

多个凸台，多个凸台沿支撑主体的厚度方向设置于定位槽的内壁上，且每两个相邻的凸台与滚刀刀轴的轴线构成的圆心角为直角；

第二安装槽，第二安装槽设置于支撑主体的外壁上，第二安装槽的槽底设有第二安装孔，第二安装孔与第二通孔连通，第二安装槽内设有第二传感器接头，第二传感器接头与第二形变传感器通过第二导线连接，第二导线穿设于第二安装孔和第二通孔内。

本发明实施例的用于检测滚刀受力的滚刀刀轴及滚刀组件，在滚刀刀轴的轴体上开设了用于安装形变传感器的第一通孔，并在第一通孔内设置第一形变传感器，因此，在挖掘隧道的过程中，一旦滚刀受力，就可以利用第一形变传感器检测到第一通孔的第一形变量，然后根据第一通孔的第一形变量和实验标定结果，就能够得到滚刀的受力情况，从而能够根据滚刀的受力情况分析出滚刀的工作状态，以及分析滚刀的磨损情况，并在滚刀磨损到影响挖掘的程度前，及时更换滚刀，以保证盾构机的正常工作。本发明实施例的用于检测滚刀受力的滚刀刀轴及滚刀组件，设计巧妙、结构简单、成本低，具有广泛应用的价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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是本发明一个实施例提供的轴体的结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的滚刀刀轴的结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的滚刀组件的结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的滚刀组件的俯视图；

图5是图4中的a-a剖视图；

图6是本发明一个实施例提供的滚刀刀座的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种用于检测滚刀受力的滚刀刀轴及滚刀组件。

本发明实施例提供的滚刀刀轴，包括轴体和形变传感器，轴体的两端分别设有用于与滚刀刀座连接的连接部，轴体上沿自身径向开设有第一通孔，第一通孔位于两个连接部之间，用于安装第一形变传感器。第一形变传感器设置于第一通孔内，用于检测第一通孔的第一形变量。

在本发明实施例中，由于在滚刀刀轴的轴体上开设了用于安装第一形变传感器的第一通孔，并在第一通孔内设置第一形变传感器，因此，在挖掘隧道的过程中，一旦滚刀受力，就可以利用第一形变传感器检测到第一通孔的第一形变量，然后根据第一通孔的第一形变量和实验标定结果，就能够得到滚刀的受力情况，从而能够根据滚刀的受力情况分析出滚刀的工作状态，以及分析滚刀的磨损情况，并在滚刀磨损到影响挖掘的程度前，及时更换滚刀，以保证盾构机的正常工作。

图1示出了本发明一个实施例提供的轴体的结构示意图。图2示出了本发明一个实施例提供的滚刀刀轴的结构示意图。

下面将根据图1-2对本发明一个实施例提供的用于检测滚刀受力的滚刀刀轴进行详细说明。

如图1所示，轴体1的两端分别设有用于与滚刀刀座连接的连接部11，轴体1上沿自身径向开设有第一通孔12，第一通孔12位于两个连接部11之间，用于安装第一形变传感器2，以及适当降低轴体1的刚度，使得在挖掘隧道的过程中，滚刀受力时轴体1的形变更加明显，从而使第一形变传感器2能够更加精确地采集到第一通孔12的第一形变量，从而提高对滚刀的受力情况检测的准确性。

在本发明实施例中，第一通孔12的数量可以为多个，多个第一通孔12可以沿轴体1的轴向成直线分布。

在本发明一个实施例中，第一通孔12的数量可以为两个，两个第一通孔12分别靠近两个连接部11设置于轴体1的两端，且两个第一通孔12相对应的开口的连线与轴体1的轴线平行，此时，能够分别通过第一形变传感器2检测轴体1两端的受力情况。

在本发明另一实施例中，第一通孔12的数量可以为3个，其中两个第一通孔12分别靠近两个连接部11设置于轴体1的两端，一个第一通孔12设置于轴体1的中部，且三个第一通孔12相对应的开口的连线与轴体1的轴线平行，此时，能够分别通过第一形变传感器2检测轴体1两端和中部的受力情况。

在本发明又一实施例中，第一通孔12可以分为多组，每组包括多个第一通孔12，每组内的第一通孔12相交设置。例如，每组分别包括两个第一通孔12，两个第一通孔12相互垂直设置，并且两个第一通孔12的中点相交。再例如，每组分别包括三个第一通孔12，每两个相邻的第一通孔12之间的夹角为60°，并且三个第一通孔12的中点相交。其中，多组第一通孔12可以沿轴体1的轴线均匀分布；多组第一通孔12也可以分为两部分，每部分分别靠近轴体1的一端分布；多组第一通孔12也可以分为三部分，其中的两部分分别靠近轴体1的两端分布，另一部分分布于轴体1的中部。

在本发明实施例中，第一形变传感器2设置于第一通孔12内，用于检测第一通孔12的形变量。与第一通孔12对应地，第一形变传感器2的数量也可以为多个，各个第一通孔12中至少设置一个形变传感器。

在本发明一个实施例中，各个第一通孔12中可以分别设置一个第一形变传感器2，如图2所示，第一形变传感器2可以设置于第一通孔12的任一端。在本发明另一个实施例中，各个第一通孔12中可以分别设置两个第一形变传感器2，两个第一形变传感器2可以分别设置于第一通孔12内的两端。在本发明又一个实施例中，各个第一通孔12中可以分别设置三个第一形变传感器2，其中两个第一形变传感器2可以分别设置于第一通孔12内的两端，另一个第一形变传感器2可以分别设置于第一通孔12内的中部。

需要说明的是，当在第一通孔12内设置两个以上的第一形变传感器2时，每个第一通孔12的形变量可以为第一通孔12内的第一形变传感器2采集到的形变量的平均值，以降低第一形变传感器2的检测误差。

在本发明一个实施例中，第一形变传感器2可以为应变片。此时，如图2所示，第一通孔12可以为长圆孔，应变片可以沿长圆孔的长度方向设置于第一通孔12内，具体地，应变片可以沿第一通孔12的横截面的长度方向固定设置于第一通孔12内，从而增加应变片的受力面积。在此实施例中，应变片可以被黏贴在柔性承载体上，柔性承载体可以通过黏贴方式被固定于第一通孔12的内壁。

为了进一步降低滚刀刀座的刚度，增加第一通孔12受力后的形变量，提高第一形变传感器2的检测结果的准确性，本发明实施例中，轴体1上还开设有由轴体1外表面向内凹陷并沿轴体1的周向延伸形成的环槽13。

在本发明实施例中，环槽的数量可以为多个，多个环槽沿轴体的轴向间隔分布，第一通孔的数量可以为多个，各环槽上可以贯通设置有至少一个第一通孔。

在本发明一个实施例中，第一通孔12和环槽13的数量分别为多个，第一通孔12一一对应地穿过环槽13。以图1所示的实施例为例，第一通孔12和环槽13的数量分别为两个，两个环槽13分别设置于轴体1的两端，各环槽13上分别贯通设置有一个第一通孔12，使每对第一通孔12和环槽13分别靠近轴体1的一端设置。

在本发明另一个实施例中，第一通孔12和环槽13的数量分别为多个，第一通孔12中的一部分一一对应地穿过环槽13，穿过环槽13的第一通孔12和未穿过环槽13的第一通孔12沿轴体1的轴向交替设置。例如，第一通孔12的数量为三个，环槽13的数量为两个，三个第一通孔12中的两个分别穿过一个环槽13，每对第一通孔12和环槽13分别靠近轴体1的一端设置，未穿过环槽13的第一通孔12可以设置于轴体1的中部。

在本发明又一个实施例中，第一通孔12和环槽13的数量分别为多个，且第一通孔12分为多组，多组第一通孔12分别穿过环槽13的部分或全部，每组中的第一通孔12穿过同一环槽13。例如，第一通孔12的数量为四个，环槽13的数量为两个，四个第一通孔12中的每两个分为一组，每组第一通孔12分别穿过一个环槽13。再例如，第一通孔12的数量为四个，环槽13的数量为三个，四个第一通孔12中的每两个分为一组，两组第一通孔12分别穿过三个环槽13中靠近轴体1两端的两个。

在本发明又一个实施例中，第一通孔12和环槽13的数量分别为多个，第一通孔12一一对应地穿过部分环槽13，穿设有第一通孔12的环槽13和未穿设有第一通孔12的环槽13沿轴体1的轴向交替设置。例如，第一通孔12的数量为两个，环槽13的数量为三个，两个第一通孔12分别穿过三个环槽13中的两个，每对第一通孔12和环槽13分别靠近轴体1的一端设置，未穿设第一通孔12的环槽13可以设置于轴体1的中部。

由此可见，在本发明实施例中，对第一通孔12和环槽13的数量和排列方式不做具体限定，只要是能够在满足滚刀刀轴的刚度要求的前提下，能够尽量合适地降低轴体1的刚度，增大第一通孔12的形变量即可。

在本发明实施例中，滚刀刀轴还包括第一传感器接头3，第一传感器接头3设置于轴体1的任一连接部11的外壁上。具体地，第一传感器接头3设置于轴体1的任一连接部11的不与滚刀刀座接触的侧壁上。

第一形变传感器2与第一传感器接头3通过第一导线连接，第一传感器接头3通过信号线与监控主机连接，用于将第一形变传感器2检测到的第一形变量传递给监控主机进行受力分析。

为了防止第一传感器接头3影响滚刀的正常工作，本发明实施例中，轴体1上还设有第一安装槽14，第一安装槽14设置于任一连接部11的外壁上。具体地，第一安装槽14设置于轴体1的任一连接部11的不与滚刀刀座接触的侧壁上。第一安装槽14的槽底设有第一安装孔15，第一安装孔15与第一通孔12连通。其中，第一传感器接头3安装于第一安装槽14内，并且第一导线穿设于第一安装孔15和第一通孔12内。

在本发明一个实施例中，如图1所示，第一安装孔15为设置于第一安装槽14的槽底中心的沿轴体1的轴向设置的与第一通孔12连通的孔。第一安装孔15可以为通孔，也可以为盲孔，只要是能够连通第一安装槽14和各个第一通孔12即可。

在本发明实施例中，第一传感器接头3安装于第一安装槽15内，第一导线穿设于第一安装孔15和第一通孔12内，可以对第一传感器接头3和第一导线起到保护作用，同时，第一传感器接头3和第一导线也不会影响到滚刀刀轴的装配。

在本发明实施例中，可以将滚刀刀座、滚刀刀轴与滚刀装配完成，然后对滚刀施加不同大小和方向的力，同时测量这些力对应的各第一形变传感器2检测到的第一形变量，以获得第一形变量与力的映射关系数据，并将这些映射关系数据作为标定数据。在盾构机掘进时，可以实时获取各个第一形变传感器2的第一形变量，然后结合标定数据计算出滚刀的受力情况。

图3示出了本发明一个实施例提供的滚刀组件的结构示意图。图4示出了本发明一个实施例提供的滚刀组件的俯视图。图5示出了图4中的a-a剖视图。

下面将根据图3-5对本发明实施例提供的滚刀组件进行详细说明。

如图3-5所示，本发明实施例还提供了一种滚刀组件，包括滚刀刀箱、限位机构、用于检测滚刀受力的滚刀刀轴51、滚刀52和本发明实施例提供的滚刀刀座。

其中，滚刀刀箱为由两个安装座41和两个连接板42拼接构成的箱体，两个安装座41分别对称设置，两个连接板42分别对称设置，两个安装座41的两端各通过一个连接板42连接。

每个安装座41的内壁上各设有一个滚刀刀座43，两个滚刀刀座43相对于滚刀刀箱的中线对称设置，滚刀刀座43的定位槽用于放置滚刀刀轴51的连接部。

滚刀刀轴51两端的连接部分别设置于滚刀刀座43的定位槽内，滚刀刀轴51的中部套设有轴承53，滚刀刀轴51通过轴承53与滚刀52连接，使滚刀52能够在滚刀刀轴51上自由旋转。

滚刀52包括刀刃54和刀刃54两侧的刀毂55，两侧的刀毂55分别向外伸出轴承53。在刀毂55形成的圆环内分别设有端盖44，刀毂55和端盖44通过密封结构45进行密封。

限位机构包括卡块46、拉紧螺栓47和拉紧块48。其中，卡块46用于与滚刀刀轴51的定位槽的开口配合，对滚刀刀轴51的连接部进行限位。拉紧块48固定设置于安装座41的底部。卡块46上沿竖直方向开设有第一连接孔，拉紧块48上沿竖直方向开设有第二连接孔，第一连接孔和第二连接孔同轴设置，卡块46远离拉紧块48的一端设有容纳槽。拉紧螺栓47的螺杆依次穿过第一连接孔和第二连接孔，且拉紧螺栓47的头部卡设于容纳槽内，拉紧螺栓47的螺杆伸出第二连接孔远离卡块46的一端，并且可以通过螺母与螺杆的螺纹配合，调节卡块46对滚刀刀轴51的连接部的拉紧力。

由于本发明实施例滚刀组件采用了本发明实施例提供的用于检测滚刀受力的滚刀刀轴，在滚刀刀轴的轴体上开设了用于安装第一形变传感器的第一通孔，并在第一通孔内设置第一形变传感器，因此，在挖掘隧道的过程中，一旦滚刀受力，就可以利用第一形变传感器检测到第一通孔的第一形变量，然后根据第一通孔的第一形变量和实验标定结果，就能够得到滚刀的受力情况，从而能够根据滚刀的受力情况分析出滚刀的工作状态，以及分析滚刀的磨损情况，并在滚刀磨损到影响挖掘的程度前，及时更换滚刀，以保证盾构机的正常工作。

图6是示出了本发明一个实施例提供的滚刀刀座的结构示意图。

在本发明一个实施例中，如图6所示，滚刀刀座包括支撑主体6和第二形变传感器7，支撑主体6包括定位槽61和第二通孔62。其中，定位槽61沿支撑主体的厚度方向延伸形成，定位槽61用于放置滚刀刀轴51的连接部。第二通孔62沿厚度方向贯穿支撑主体6设置。第二形变传感器7设置于第二通孔62内，用于检测第二通孔62的第二形变量。

在本发明实施例中，由于在滚刀刀座的支撑主体6上开设了用于安装第二形变传感器7的第二通孔62，并在第二通孔62内设置第二形变传感器7，在挖掘隧道的过程中，利用第二形变传感器7检测到第二通孔62的第二形变量，然后根据第二通孔62的第二形变量和实验标定结果，得到滚刀的受力情况。因此，本发明实施例除了能利用第一形变传感器检测到的第一通孔的第一形变量确定滚刀的受力情况，还能够利用第二形变传感器7检测到第二通孔62的第二形变量确定滚刀的受力情况，提高检测滚刀的受力情况的准确性，也能够在滚刀刀座或滚刀刀轴任一个检测受力情况的功能出现故障时，保证对滚刀的受力情况的正常监测，从而保证盾构机的正常工作。

在本发明一个实施例中，支撑主体6可以由至少一个水平支撑部和至少一个竖直支撑部构成，定位槽61由水平支撑部和竖直支撑部围成。第二通孔62的数量可以为多个，多个第二通孔62可以沿定位槽61的周向分布。

具体地，如图6所示，支撑主体6可以由两个水平支撑部和一个竖直支撑部构成，定位槽61为矩形槽，竖直支撑部和位于滚刀刀轴的连接部下方的水平支撑部上分别均匀设置有两个第二通孔62，设置于竖直支撑部上的第二通孔62内安装的第二形变传感器7可以采集滚刀水平方向的受力情况，设置于水平支撑部上的第二通孔62内安装的第二形变传感器7可以采集滚刀竖直方向的受力情况。

在本发明实施例中，第二形变传感器7设置于第二通孔62内，用于检测第二通孔62的第二形变量。与第二通孔62对应地，第二形变传感器7的数量也可以为多个，各个第二通孔62中至少设置一个第二形变传感器7。

在本发明一个实施例中，第二形变传感器7也可以为应变片。如图6所示，第二通孔62也可以为长圆孔，应变片可以沿长圆孔的长度方向设置于第二通孔62内，具体地，应变片可以沿第二通孔62的横截面的长度方向固定设置于第二通孔62内，从而增加应变片的受力面积。在此实施例中，应变片可以被黏贴在柔性承载体上，柔性承载体可以通过黏贴方式被固定于第二通孔62的内壁。

在本发明实施例中，支撑主体还包括通槽63、多个凸台64和第二安装槽65。

在本发明实施例中，通槽63能够进一步降低支撑主体6的刚度。通槽63的数量可以为多个，多个通槽63沿厚度方向贯穿支撑主体6设置，且通槽63设置于第二通孔62远离定位槽61的一侧。在本发明实施例中，对通槽63的大小、数量及排列方式不做限定，只要是能够在满足滚刀刀座的刚度要求的前提下，能够尽量合适地降低支撑主体6的刚度，增大第二通孔62的形变量即可。

在本发明实施例中，多个凸台沿支撑主体的厚度方向设置于定位槽的内壁上，且每两个相邻的凸台与滚刀刀轴的轴线构成的圆心角为直角。如图6所示，支撑主体6上可以设有两个凸台64，其中一个凸台64设置于定位槽61竖直的内壁的中部，用于接受滚刀刀轴传递的水平方向的力，另一个凸台64设置于定位槽61的水平的下侧内壁的中部，用于接受滚刀刀轴传递的竖直方向的力。由于在定位槽61内设有凸台64，因此，能够将定位槽61整个内壁受力改变为凸台64受力，使得支撑主体6更加精确地接受滚刀刀轴传递的力，从而提高对滚刀受到的水平方向和竖直方向的力的计算能力。

为了防止第二传感器接头8影响滚刀的正常工作，本发明实施例中，第二安装槽65设置于支撑主体6的外壁上，且设置于定位槽61的下方，第二安装槽65的槽底设有第二安装孔，第二安装孔与第二通孔62连通，第二安装槽65内设有第二传感器接头8，第二传感器接头8与第二形变传感器7通过第二导线连接，第二导线穿设于第二安装孔和第二通孔62内。第二传感器接头8通过信号线与监控主机连接，用于将第二形变传感器7检测到的第二形变量传递给监控主机进行受力分析。

在本发明实施例中，也可以将滚刀刀座、滚刀刀轴与滚刀装配完成，然后对滚刀施加不同大小和方向的力，同时测量这些力对应的各第二形变传感器7检测到的第二形变量，以获得第二形变量与力的映射关系数据，并将这些映射关系数据作为标定数据。在盾构机掘进时，可以实时获取各个第一形变传感器的第一形变量和第二形变传感器7的第二形变量，然后结合标定数据计算出滚刀的受力情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。