专利名称：基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于大型施工设备的检测技术，具体涉及一种用于盾构掘进机施工中对刀具磨损量进行监测的装置。
背景技术：
盾构掘进机是隧道、地铁建设的大型装备。刀盘带动刀具进行掘进，其中地铁施工所用的刀盘直径6. 2-6. 4m,刀盘刀具是掘进的关键部件，也是最易磨损和失效的部件，刀具磨损主要是指刀刃和刀体的磨损。刀具的磨损除了无法掘进外也会危及人身安全。施工中实时监测刀具的磨损程度，已成为国外掘进装备生产商竞相开发的核心技术。目前对刀具检查的有两种一种是在停机状态下施工人员经过压力仓进入刀盘部位，进行检查及实施操作；另一种方法是在刀盘刀具前端开挖竖井或侧井，施工人员进入刀盘前端实施相同作业。后一种方法成本极高，前一种检查方法虽然直观，但风险大。主要表现为(1)停机可能造成因周边土体失稳引发重大事故；( 检查或换刀过程，只有受过专门训练的人员才能承受压力仓内2-5倍大气压力，特别是当施工处于河流、重要建筑物等特殊地段时，因无法适时地判断刀具磨损状态而使得这一问题更为突显。而且上述两种方法均要停机操作，每一次停机都将带来巨大的成本支出。除了停机检查方法外，目前国内外主要采用阈值检测方法或者是对掘进参数进行估算的方法在线预测刀具磨损状态。阈值检测法。该方法主要采用添加剂、液压以及嵌入式传感器等来判断刀具磨损状态。添加剂技术的原理是，在刀具内预装异味添加剂或荧光材料，一旦刀具磨损超过许用尺寸，便释放出异味或荧光进行示警。液压传感器技术是在刀具中通入油压，当刀具磨损超过允许尺寸时造成油路泄露进行示警。阈值检测技术对缺陷是(1)示警信号为开关阈值， 无法实现对磨损量的连续监测；(2)传感器信号大多需要采用有线传输方式，这种方式对布线要求高且难于维护。掘进参数估计法。其基本原理是由理想地质条件下掘进参数(推力、扭矩、掘进速度、功率等)的经验曲线或由半经验公式得到估算值，将实际掘进参数值与估算值进行比对来估计刀具的整体磨损状态。但所得估算值反映的是刀具总体磨损量的均值，其可靠程度受到两方面因素的影响一是经验曲线或经验公式适应于特定单一地质条件，缺乏普适性。综上所述，针对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行的行业需求，研究开发刀盘刀具磨损状态安全监测技术，已成为掘进装备工程中急待解决的问题。本发明的提出可对上述难题得到满意的解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种判断挖掘刀具磨损状态的传感器。基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，具有电阻排、电阻排基座、刀具、橡胶垫、锁母、刀盘、信号放大器、发射天线、土压舱、接收天线、盾构主机舱以及信号接收装置，其结构组成为由电阻排、电阻排基座和电阻引线插头构成电阻排式刀具磨损传感器，电阻排式传感器镶嵌于盾构机的刀具内。电阻排与刀具接触的部位填充环氧树脂，以保证电阻排与刀具的绝缘。电阻排基座与刀具接触的部位设有橡胶垫，橡胶垫亦具有密封作用，电阻排基座用锁母与刀具固定为一体。刀盘上设有信号放大器，在刀盘背面与信号放大器的相对应的位置设有发射天线，在土压舱内壁与发射天线相对位置设有接收天线，盾构主机舱设有信号接收装置。电阻排式刀具磨损传感器的技术方案是电阻排由二列或二列以上平行排列的单电阻构成，电阻排以印刷电路方式加工在绝缘衬底上。电阻排外表面涂有环氧树脂绝缘，绝缘衬底与电阻引线插头、电阻排基座三者固定为一体。电阻排上的各个单电阻并联连接，各单电阻之间等间距分布。接收天线设有三支，呈120°分布。电阻排式刀具磨损传感器的工作原理是安装在绝缘衬底上的电阻排作为传感器主体，因为该电阻排被安装于挖掘刀具的内部，电阻排(传感器)顶端与刀具的刀刃平齐。 当刀具被磨损时绝缘衬底以及单电阻自身也被同时磨损乃至断裂，从而导致传感器自身输出的总电阻发生变化。事先设计出每个电阻的阻值，设计总电阻与刀具磨损量之间为线性关系，测量出此总电阻的变化即可得到刀具的磨损量。总电阻的变化通过电阻排基座上的电阻引线插头输出，因为刀盘是旋转的，置于刀盘上的挖掘刀具也随之转动，所以测量信号通过无线发射的方式传输。总电阻阻值信号通过电阻引线插头接至(刀盘轮辐内)密闭空间中的信号放大器，经过放大的信号传给刀盘背侧的发射天线，然后由土压舱内的接收天线接收。盾构主机舱(非转动)是盾构机工作人员的操作室，盾构主机舱内设有的信号接收装置实时接收、记录接收天线所传送(刀具磨损量)电阻信号，该信号由计算机进行分析和控制。本发明的特点及有益效果是，可以实时预测挖掘刀具的磨损状态，有效减小或避免因刀具事故停机所造成的巨大经济损失和人身伤亡等危险事故的发生。由于可以及时掌握施工中刀盘、刀具的运行情况，可有效保障保证掘进的可靠性。同时也延长了盾构机的安使用寿命。
图1为电阻排式刀具磨损传感器的结构图。图2为电阻排式刀具磨损传感器置于挖掘刀具内的结构图。图3为刀具磨损信号传递所涉及到的盾构机部分结构原理图。图4为天线在刀盘上的布置示意图。
具体实施例方式以下结合附图并通过具体实施例对本发明的结构作进一步的说明。需要说明的是，本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，其结构是由电阻排1、电阻排基座2和电阻引线插头3构成电阻排式刀具磨损传感器(图1)。电阻排式传感器镶嵌于盾构机的刀具4内，电阻排与刀具接触的部位填充环氧树脂，电阻排基座2与刀具接触的部位设有橡胶垫5，电阻排基座2通过锁母6与刀具固定为一体(图幻。刀盘7上设有信号放大器8，在刀盘背面与信号放大器的相对应的位置设有发射天线9，在土压舱10内壁与发射天线相对位置设有接收天线11。盾构主机舱12设有信号接收装置13(图3)。电阻排1由二列或二列以上平行排列的单电阻构成，电阻排以印刷电路方式加工在绝缘衬底14上，电阻排外表面涂有环氧树脂绝缘。绝缘衬底14与电阻引线插头3、电阻排基座2三者固定为一体。电阻排1上的各个单电阻并联连接，各单电阻之间等间距分布。接收天线9设有三支，每支间隔120° (图4)。总电阻的输出端可以是两根导线也可以是低接触电阻的活动插头，通过低接触电阻的活动插头与二次仪表连接，这样既方便连接又可减小干扰。传感器下端的电阻排基座，其作用是将传感器安装于刀具内部时起定位作用(如图2)。本实施例的绝缘衬底为印刷电路板。在印刷电路板上设计二列平行排列的单电阻，电阻的外形尺寸为0. 3X0. 25mm，传感器的分辨率可以做到0. 3mm。每个单电阻之间的间距为0. 6mm。传感器的初始总电阻是2Ω，每磨断一个电阻总阻值增0. 5Ω，测量出总电阻值即可得知磨断了几个电阻。刀具的磨损程度等于被磨断的单电阻数量乘以电阻间的间距。传感器安装于刀具的安装孔中，通过下部的基座圆柱与安装孔的内端面实现定位，二者之间垫有密封垫，防止地下水流入。传感器和安装孔之间的空隙中注满环氧树脂， 起到辅助的固定传感器和密封的作用。刀具下端的锁母起到实质紧固传感器的作用。由于盾构机工作在地下，主机舱、刀盘、刀具被岩土介质和地下水包围，因此信号放大器设置于密闭空间中的(轮辐内的)刀盘上。发射天线安装于刀盘的背侧并用高强度工程塑料盒保护，接收天线安装于盾构机主机舱的前表面。为了克服岩土介质和水对无线电波屏蔽作用， 接收天线安装了三支，天线也用高强度工程塑料盒保护。测量信号通过无线发射的方式，完成电阻排磨损量的测量和信号传输。
权利要求
1.基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，具有电阻排、电阻排基座、刀具、 橡胶垫、锁母、刀盘、信号放大器、发射天线、土压舱、接收天线、盾构主机舱以及信号接收装置，其特征是由电阻排(1)、电阻排基座(2)和电阻引线插头(3)构成电阻排式刀具磨损传感器，电阻排式传感器镶嵌于盾构机的刀具内，电阻排与刀具接触的部位填充环氧树脂，电阻排基座(2)与刀具接触的部位设有橡胶垫(5)，电阻排基座(2)通过锁母(6)与刀具固定为一体，刀盘(7)上设有信号放大器(8)，在刀盘背面与信号放大器的相对应的位置设有发射天线(9)，在土压舱(10)内壁与发射天线相对位置设有接收天线(11)，盾构主机舱(12)设有信号接收装置(13)。
2.按照权利要求1所述的基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，其特征是所述电阻排⑴由二列或二列以上平行排列的单电阻构成，电阻排以印刷电路方式加工在绝缘衬底(14)上，电阻排外表面涂有环氧树脂绝缘，绝缘衬底(14)与所述电阻引线插头 (3)、电阻排基座(2)三者固定为一体。
3.按照权利要求1或2所述的基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，其特征是所述电阻排(1)上的各个单电阻并联连接，各单电阻之间等间距分布。
4.按照权利要求1所述的基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，其特征是所述接收天线(9)设有三支，每支间隔120°。
全文摘要
本发明公开了一种基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，其结构组成是由电阻排、电阻排基座和电阻引线插头构成电阻排式刀具磨损传感器，传感器镶嵌于盾构机的刀具内。电阻排与刀具接触的部位填充环氧树脂，以保证电阻排与刀具的绝缘。电阻排基座与刀具接触的部位设有橡胶垫，橡胶垫亦具有密封作用，电阻排基座用锁母与刀具固定为一体。刀盘上设有三个信号放大器，在刀盘背面与信号放大器的相对应的位置设有三支发射天线，在土压舱内壁与发射天线相对位置设有接收天线，盾构主机舱设有信号接收装置。本发明可在线预测挖掘刀具的磨损状态，有效减小或避免因刀具事故停机所造成的巨大经济损失和人身伤亡等危险事故的发生。
文档编号G01B7/00GK102288099SQ20111019086
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者亢一澜, 侯振德, 岳澄, 王燕群, 蔡宗熙 申请人:天津大学