一种滚刀磨损量检测方法及智能滚刀与流程

本发明涉及滚刀磨损量检测，特别涉及一种滚刀磨损量检测方法及智能滚刀。

背景技术：

1、全断面硬岩隧道掘进机（tbm）中的滚刀作为tbm主要破岩工具，其相关运行参数已成为tbm亟需解决的技术难题。刀具转速作为其最重要的运行参数之一，不仅能反映刀具运行状态是否异常，还能侧面反映出掘进面地质变化情况。随着刀具的旋转切削破岩，刀圈磨损越大，对应刀具转速越大，因此通过可借助刀具转速进行滚刀磨损量监测。

2、现有技术中，通常依靠磁场检测传感器进行刀具转速测量，即在相对刀盘为静止状态的刀筒适当位置安装磁场检测传感器，在相对刀盘为转动状态的刀圈或刀轴上安装若干磁铁，根据磁铁所产生的的磁场变化周期计算刀具转速，且通常在刀圈上布置若干磁铁，并在滚刀正下方设置磁铁检测传感器，例如公开号为cn108181484a的中国发明专利申请、名称为“一种常压刀盘滚刀转速和温度测量装置及磨损量测量方法”所示。

3、还有通过设置实现特定功能的检测台，对滚刀磨损进行实时监测，例如公告号为cn217156334u的中国实用新型专利、名称为“一种盾构机磨损检测装置”，通过设置一个装有摄像头和led光源且可沿所述工作平台左右移动的检测台，实现对滚刀刀圈进行360度不同方位的检测。但是该检测台的成本较高，对技术精度要求较高，且在泥水盾构环境下较易损坏。

4、或者通过在滚刀刀圈侧面设置磁性体，实现滚刀磨损测量，例如公告号为cn217465667u的中国实用新型专利、名称为“一种tbm滚刀磨损量检测装置”，通过在磁性体远离滚刀刀圈的一端设置拉力传感器，通过拉力传感器测出磁吸力的大小，从而反映滚刀的磨损量。该测量方法新颖，但是滚刀更多是在刀圈的纵向进行磨损，而不是在侧面，此时磁力与磨损量之间并非呈线性关系，且所呈关系随刀圈磨损发生变化。

5、滚刀磨损后其刀圈界面不同，呈现不同磨损形态特征，通常需要施工人员进仓进行刀具检查，并对异常磨损刀具进行更换，若不及时更换磨损刀具，在刀具磨损剧烈的条件下持续进行tbm掘进作业，会导致刀具破岩效率降低、tbm掘进速率低下，当刀盘上出现大面积的刀具失效时还会导致刀盘的分裂解体等重大工程事故。因此。tbm掘进过程中滚刀磨损在线监测的方法的研究、改进对盾构掘进事业有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对上述背景技术中的问题，提供一种能够自动检测滚刀磨损量的方案，以获得滚刀磨损量，确认异常磨损刀具并及时更换，保证tbm掘进作业的可靠进行。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种滚刀磨损量检测方法，包括如下步骤：

3、s1，通过布置在智能滚刀上的传感器获取刀盘实际转速并进行除零处理；

4、s2，通过布置在智能滚刀上的传感器获取滚刀实际转速并进行异常值剔除；

5、s3，依据刀盘实际转速与滚刀安装位置计算滚刀理论转速最小值；

6、s4，计算滚刀实际转速与理论转速最小值的差作为转速差；

7、s5，依据转速差与磨损量的关系，确定滚刀磨损量。

8、进一步地，s1中通过三轴磁场传感器或加速度传感器获取刀盘实际转速。

9、进一步地，s2中通过磁铁检测传感器感知磁场的变化规律，获取滚刀的实际转速，磁铁在磁铁检测传感器所在位置所产生的磁场强度呈周期变化，使得磁铁检测传感器的输出电流呈周期性变化，滚刀的刀圈转动一圈的时间对应磁铁检测传感器输出电流曲线 n个周期的时间，滚刀转速的计算公式如下：

10、；

11、其中， r为滚刀刀圈直径， t表示一个磁铁检测传感器输出电流一个周期的时间。

12、进一步地，s2中通过箱型图剔除异常值法，落在第三个四分位数之上或低于第一个四分位数的四分位数距的1.5倍以上，即在下式范围内的为正常值：

13、；

14、其中， h表示正常值， q1表示样本中所有数值由小到大排列在第25%的数值， q2表示样本中所有数值由小到大排列在第75%的数值。

15、进一步地，s3中通过刀盘转速计算滚刀转速理论最小值：

16、预设时间内按照刀盘转速计算滚刀走过的第一路径长度s1：

17、；

18、其中， r为滚刀安装半径， v2为刀盘转速；

19、预设时间内按照滚刀转速计算滚刀走过的第二路径长度s2：

20、；

21、其中， r为滚刀刀圈直径， v1为滚刀转速；

22、当滚刀磨损量为零时，存在以下条件：

23、s1=s2；

24、以 m为步长计算刀盘转速均值代替 v2， m的取值根据刀盘实际转速的变化情况而定，步长时间 m内的滚刀转速理论最小值计算公式为：

25、。

26、进一步地，s3中通过时间匹配函数，自动定位所需时间点前后各 m/2的数据，并计算刀盘转速均值。

27、进一步地，s4中转速差的计算公式为：

28、;

29、其中，为转速差。

30、进一步地，s5中利用滚刀磨损量与转速差的对应关系确定滚刀磨损量的公式为：

31、;

32、。

33、进一步地，通过滚刀磨损量的公式制作转速磨损量曲线图，利用滚刀磨损量与转速差的对应关系比对确定磨损量。

34、本发明还提供了一种智能滚刀，采用如前所述的一种滚刀磨损量检测方法，包括刀轴、刀毂和刀圈，所述刀毂上沿周向均匀设置有多个磁铁，所述刀轴上设置有磁铁检测传感器，所述磁铁与所述磁铁检测传感器配合进行所述刀圈转速的实时测量，所述刀轴的中心轴孔槽内设置有加速度传感器，所述加速度传感器用于实进行刀盘转速的实时测量。

35、本发明的上述方案有如下的有益效果：

36、本发明提供的滚刀磨损量检测方法及智能滚刀，通过磁场检测传感器、加速度传感器等获取刀盘上对应位置滚刀的转速以及刀盘自身的转速，以此计算滚刀实际转速与理论转速最小值的差作为转速差，依据转速差与磨损量的关系确定滚刀磨损量，因而通过对应的转速监测就能实时在线监测各个滚刀的磨损量，无需施工人员进仓检查刀具磨损情况，确保磨损量超过阈值时对滚刀进行及时更换，保证了刀盘的破岩效率、tbm掘进速率，对t盾构掘进事业有重要意义；

37、本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。