一种压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置及其应用方法与流程

本发明涉及泥水平衡盾构刀盘刀具磨损检测设备技术领域，具体涉及一种压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置及其应用方法。

背景技术

泥水平衡盾构作为一种机械化施工装备广泛应用在隧道修建中，具有施工速度快、机械化程度高，而且尤其适用于富水环境、地表变形控制要求严格的场合。泥水盾构由于刀盘刀具在泥水压力环境下，对其检查比较困难，需要安装一些刀盘刀具磨损检测装置。目前，普遍应用的是油压式磨损检测装置，常用的油压式磨损检测装置每一路检测都需要带液压管路，由于管路布置的限制可实现的测点数目有限，而且为了简化管路布置，通常若干路测点共用一个蓄能器，在蓄能器压力下降时，只能确认该组若干测点中至少一个测点达到磨损报警的水平，具体发生磨损的测点位置在哪还需要进一步排查，在泥水盾构施工中应用很不方便。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置及其应用方法，具有管路简单、无油液污染、对磨损位置能够定点检测的优点，可以大量布置在刀盘刀具上。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置，包括密闭腔体、连接管路和信号传输处理机构，所述密闭腔体固定安装在待测部位；

所述连接管路包括上管路、下管路、四通接头和二通接头，所述密闭腔体的下部通过管道接头与上管路顶端相连通；所述四通接头一侧的上部接口和下部接口分别连接上管路和下管路，另一侧的上部接口和下部接口分别连接有压力传感器和温度传感器；所述二通接头一端连接下管路，另一端连接有止回阀；所述止回阀的上端接口与外部气源对应连接；

所述信号传输处理机构包括信号调理器、无线发射模块、信号接收模块和上位机，所述压力传感器和温度传感器分别通过屏蔽线与所述信号调理器电连接，所述信号调理器与所述无线发射模块对应电连接，所述信号接收模块与所述无线发射模块相匹配，用于接收无线发射模块发出的信号，所述信号接收模块与上位机对应连接。

优选的，所述密闭腔体为内部中空的矩形或圆柱形，但不限于这两种形状，且在其底面的下部设有与所述管道接头通过螺纹连接的接口。要求其中部为空腔，内部可通入高压气体，开口处留有螺纹与管道接头配合，除开口处外无气体泄漏通道。

优选的，在所述密闭腔体与管道接头的连接处设有密封垫；必要时为了提高密封性能还可采用密封胶进行进一步密封，但不限于此等密封措施。

优选的，所述二通接头为二通直角接头。在所述密闭腔体与管道接头的连接处还设有密封胶。

优选的，所述密闭腔体的材质与刀盘刀具的待测部位的材质相同。

优选的，所述密闭腔体q345钢，焊接固定在刀盘前面板、后面板或刀具附近。

优选的，所述上管路和下管路均为耐压管路。

优选的，所述上管路和下管路的两端均设有密封接头，通过密封接头与对应的部件相连接，以保证各个接口处的密封。

优选的，所述无线发射模块为zigbee信号发射模块。

在上述技术方案中，密闭腔体设置在刀盘上的待测部位，通过止回阀、连接管路向密闭腔体内通入高压气体，止回阀能够实现保压功能，在高于一定压力下止回阀开启，充入高压气体；充气过程完成，该阀关闭进行保压。当待测部位磨损到一定程度，密闭腔体也随之被磨穿，其内的高压气体泄漏，通过压力传感器检测到压力变化，即可判断待测部位发生磨损失效。由于气体压力受温度影响，采用温度传感器来检测实时温度，与压力传感器检测的数据相结合，来获得修正压力值，检测到的压力和温度数据无线传输到上位机进行处理，来判断确认测点位置是否出现磨损导致泄压的情况，工作人员根据判断结果做出应对措施。

本发明还涉及上述压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置的应用方法，包括下列步骤：

（1）将密闭腔体固定安装在刀盘刀具的待测部位，连接管路和信号传输处理机构对应安装完毕，检查管路、接头的密封性，让装置达到良好的保压效果；

（2）调试该检测装置，使压力传感器和温度传感器的信号采集、传输正常，通过向止回阀内注入一定量的气体，观察上位机接收到的传输数据，确认装置的保压情况；

（3）确认装置的保压情况良好后，通过止回阀向连接管路和密闭腔体内内注入高压空气，压力传感器、温度传感器实时检测到数据经信号调理器进行信号转换，再通过无线发射模块、信号接收模块传输到上位机进行处理；

（4）刀盘待测部位被磨损到一定程度时，密闭腔体也会被磨损，当密闭腔体被磨穿时，腔体内的高压气体会泄露，压力传感器检测到的压力数据产生剧烈变化，数据信号被传输到上位机，上位机处理后发出报警信号，工程技术人员即可得知被检测部位部位发生磨损，继而采取应对措施。

本发明的有益效果在于：

1.本发明针对现有的油压式磨损检测装置的不足，在盾构刀盘的待测位置安装密闭腔体，通过连接管路向密闭腔体内通入高压气体，采用止回阀实现保压功能，采用压力传感器和温度传感器实时检测管路内的气压和温度数据，压力传感器对腔内气体的压力进行测量，由于气体压力受温度影响，因此采用温度传感器获取温度信号来修正压力值；同时借助信号调理其及无线传输将测得的数据传至上位机处理，当待测部位磨损到一定程度，密闭腔体也随之磨损，腔体损坏后其内的高压气体产生泄露，压力传感器检测到腔体气压就会发生急剧变化，据此判断该检测点发生磨穿。

2.本发明通过压力检测来判断检测部位是否出现磨损导致泄压的情况，既能简化管路的布置，提高测点布置的数量，而且能够直接确定磨损的具体位置，这是泥水盾构施工中迫切需要的。同时该装置具有与其他检测装置共用信号调理器及无线发射、接收模块等潜力，能够极大的降低成本，尤其适用在泥水平衡盾构施工中。

3.本发明使用气体压力检测的方式替代了液压油检测方式，减少了污染，同时采用压力传感器、温度传感器并借助无线技术实现信号的传递，摒弃了采用油路来传递信号的缺陷，简化了油路，改变了由于油路布置限制不能定点实现磨损探测的缺陷。装置中使用的信号调理器、无线信号发射、接收模块均可以与现有设备中的模块共用，能够极大节约成本。

附图说明

图1是本发明压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置的结构示意图；

图2是密闭腔体安装在刀盘前面板上的示意图；

图3是检测装置正常运行时的压力曲线；

图4正常运行时和磨损失效时的压力曲线示意图；

其中1为密闭腔体，2为密封垫，3为管道接头，4为上管路，5为四通接头，6为压力传感器，7为温度传感器，8为二通接头，9为止回阀；10为信号调理器，11为无线发射模块，12为信号接收模块，13为上位机，14为下管路，15为刀盘。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：一种压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置，参见图1-图2，包括密闭腔体1、连接管路和信号传输处理机构，密闭腔体1固定安装在刀盘15的待测部位。

连接管路包括上管路4、下管路14、四通接头5和二通接头8，密闭腔体1的下部通过管道接头3与上管路4顶端相连通；四通接头5一侧的上部接口和下部接口分别连接上管路4的下端和下管路14的上端，另一侧的上部接口和下部接口分别连接有压力传感器6和温度传感器7；二通接头8一端连接下管路14的末端，另一端连接有止回阀9；止回阀9的上端接口与外部气源对应连接。其中，上管路4和下管路14均为耐压管路，在上管路和下管路的两端均设有密封接头，通过密封接头与对应的部件相连接，保证各个接口处的密封。

信号传输处理机构包括信号调理器10、无线发射模块11、信号接收模块12和上位机13，压力传感器6和温度传感器7分别通过屏蔽线与信号调理器10电连接，信号调理器10与无线发射模块11对应电连接，信号接收模块12与无线发射模块11相匹配，用于接收无线发射模块11发出的信号，信号接收模块12与上位机13对应连接。信号调理器10用于将压力传感器和温度传感器检测的信号转换成标准信号并进行a/d转换，信号调理器10中可内置可拆卸充电电池，能够为压力传感器6，温度传感器7、信号调理器10，无线发射模块11供电。无线发射模块11为zigbee信号发射模块，将压力传感器6和温度传感器7检测到的信号转换为数字信号进行发射，信号接收模块12能接收zigbee信号，同时信号接收模块12预留有线通信接口，将信号通过有线的方式传输至上位机13进行处理。

其中，密闭腔体1为内部中空的矩形或圆柱形，且在其底面的下部设有与管道接头3通过螺纹连接的接口。也可采用其他形状的密闭腔体，要求其中部为空腔，内部可通入高压气体，开口处留有螺纹与管道接头配合，除开口处外无气体泄漏通道。在密闭腔体1与管道接头2的连接处设有密封垫，还可使用密封胶实现进一步密封，保证连接部位不发生其体泄露。

密闭腔体1的材质与刀盘刀具的待测部位的材质相同，使密闭腔体与待测部位磨损效果保持一致，保证检测结果的准确性。如刀盘的材质为q345钢，则密闭腔体也采用q345钢制成，焊接固定在刀盘前面板、后面板或刀具附近待测位置，如图2所示。

实施例1中的压力式盾构刀盘刀具磨损检测装置的应用方法，包括下列步骤：

（1）将密闭腔体1固定安装在刀盘15的待测部位，连接管路和信号传输处理机构对应安装完毕，检查管路、接头的密封性，让装置达到良好的保压效果。

（2）调试该检测装置，使压力传感器和温度传感器的信号采集、传输正常，通过向止回阀内注入一定量的气体，观察上位机接收到的传输数据，确认装置的保压情况。如果保压效果不好，仔细检查管路、接头的密封性，做好密封措施，让装置达到良好的保压效果。

（3）确认装置的保压情况良好后，通过止回阀向连接管路和密闭腔体内内注入高压空气，压力传感器、温度传感器实时检测到数据经信号调理器进行信号转换，再通过无线发射模块、信号接收模块传输到上位机进行处理；

由于气体压力与温度相关，根据理想气体状态方程pv=nrt进行换算，保持体积v不变，温度为t1℃，压强p1的气体，转换为20℃下气体压强为，例如通过换算要求气体在20℃时压力为2.5mpa（可根据实际情况设定，在此以2.5mpa为例）。

（4）刀盘待测部位被磨损到一定程度时，密闭腔体也会被磨损，当密闭腔体被磨穿时，腔体内的高压气体会泄露，压力传感器检测到的压力数据产生剧烈变化，数据信号被传输到上位机，上位机处理后发出报警信号，工程技术人员即可得知被检测部位部位发生磨损，继而采取应对措施。

该检测装置正常工作后，根据压力传感器、温度传感器检测的数值，实时换算成20℃下的压力数值，正常工作时上位机界面显示的压力-时间曲线为图2。当压力时间梯度（压力变化量/时间间隔）＞阈值，可判断出该测点出现磨穿现象，上位机产生报警，图3中曲线后半段压力急剧下降，压力时间梯度＞阈值判断该测点出现磨损失效，上位机发出报警信号，工程技术人员采取应对措施。

如果运行较长时间后，未产生阈值报警，但气体压力有一定下降，属于正常的少量气体泄漏现象，可通过止回阀进行补气操作；使用过程中需要定期更换信号调理器中的电池。

本发明的具体工作方式为：将密闭腔体固定设置在刀盘刀具的待测部位，通过止回阀与外部气源连接，向腔体内通入高压气体，止回阀能够实现保压功能，在高于一定压力下止回阀开启，充入高压气体；充气过程完成，该阀关闭进行保压。压力传感器与温度传感器实时监测腔体内的气压和温度，将采集的压力、温度信号通过屏蔽线传输至信号调理器，经a/d转换后传输到无线发射模块发射出去，信号经中心锥外的信号接收模块接收，并将接收到的数字信号传输至盾构主控室内的上位机进行运算处理，对刀盘刀具磨损状态进行监测、判断。当刀盘发生磨损到一定程度，待测部位的密闭腔体被磨穿，其内的气体泄露，压力传感器检测到腔体内的压力发生急剧变化，上位机处理收到的信号判断出待测部位被磨穿，发出警告信号，工作人员作出对应处理。本发明具有结构紧凑，使用方便的优点，能够直接对探测位置的磨损情况进行判断，摈弃了传统油压式磨损检测装置复杂的油路系统以及发生泄压后只能确定至某一组测点存在腔体发生泄漏出现磨损失效，不能快速确定具体磨损点的缺陷问题。同时，该装置能够与盾构上使用的旋转检测装置等元器件实现集成，共用信号调理器、无线发射模块、信号接收模块，可以极大降低设备成本。

在以上实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件，所涉及的连接方式、控制方式如无特别说明，均为常规连接方式、控制方式。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。