盾构机土仓内发电充电储能装置与方法与流程

本发明涉及盾构机设备领域，尤其是涉及一种盾构机土仓内发电充电储能装置与方法。

背景技术：

1、不论是土压平衡盾构机还是泥水平衡盾构机，其掘进都是依靠安装在刀盘上的刀具对岩土体进行挖掘而实现的，该过程必然会对刀具产生磨损，当其磨损量过大时就会导致掘进参数恶化、盾体卡死、刀盘损伤等一系列严重的连锁反应。因此对刀具的实时磨损监测就显得尤为重要，但当前仍然缺乏有效的可持续性实时监测手段，存在诸多不一的难点，例如采用光学法进行刀具磨损实时监测时，其供电问题尚无较好的解决办法。电滑环供电方式需对盾构机进行改造，不仅导致成本较高，其稳定性也较差，出现故障时无法维修。蓄电池供电方式只能维持有限时间的监测所需电量，不能实现长期供电，除非提高蓄电池容量，但这又将增大蓄电池尺寸，不利于现场布置。

2、目前，专利cn112798262b公开了“一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置”，能够准确地实时获知盾构机刀头的磨损量，但其存在监测装置供能的问题，需要另外布设与盾构机相连通的供能电线，线路布置难度大，且稳定性差，故而提出一种盾构机土仓内发电充电储能装置与方法解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种盾构机土仓内发电充电储能装置与方法，为解决采用光学法进行刀具磨损实时监测时的供电问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：盾构机土仓内发电充电储能装置，包括盾构机刀盘，所述盾构机刀盘背面的空腔中设置有发电充电储能装置，发电充电储能装置包括密封盒，以及内置于密封盒中用于自发电的发电组件、用于存储电能的充电储能组件，和用于监测信号发射及传输的电器组件，发电组件、充电储能组件与电器组件之间电连接。

3、优选方案中，所述发电组件包括固设在密封盒底板上的底座、依次安装在底座上的直流发电机和减速机、垂直设置在减速机转动轴末端的固定杆、设置在固定杆底端的配重块，以及与底座对称设置在直流发电机和减速机顶部的顶座，其中直流发电机和减速机传动连接，直流发电机和减速机的摆放方向与盾构机刀盘的旋转中心轴平行，顶座的顶部与密封盒的顶板贴合。

4、优选方案中，所述底座与顶座均采为钢块结构，整体呈四棱台结构，两者的相对面均设有放置直流发电机和减速机的凹槽。

5、优选方案中，所述充电储能组件包括设置在密封盒底板上的电压调节器、电路控制器，以及锂电池，其中，电压调节器分别与直流发电机和电路控制器电连接，用于将直流电压调整至既定值，保持电压稳定，电路控制器还与锂电池电连接，用于根据锂电池的储存电量大小自动控制充电的开关，锂电池与电器组件电连接，用于给电器组件提供电源。

6、优选方案中，所述电器组件包括设置在密封盒底板上的光源装置和信号传输装置，光源装置与信号传输装置均与锂电池电连接，其中，光源装置用于提供刀具磨损检测的光源，信号传输装置用于传递检测数据。

7、优选方案中，所述密封盒由底板以及围绕底板向上延伸的侧板组成，密封盒的顶部固设有钢化玻璃，钢化玻璃将密封盒顶部的敞口封闭。

8、优选方案中，所述密封盒顶部的箱壁上设置有安装框，安装框外部尺寸略小于密封盒的外部尺寸，钢化玻璃的尺寸与安装框相同，安装框的外部套装有用于固定钢化玻璃的锁定框，其中，锁定框的四边上均设置有穿孔，安装框的四边上均设置有与穿孔相对应的螺纹孔，螺纹孔中螺纹连接有贯穿穿孔的固定螺栓。

9、优选方案中，所述钢化玻璃的四边上设置有相连贯的契合槽，锁定框的内壁上设置有相连贯的空心契合橡胶圈，锁定框上设有安装空心契合橡胶圈的凹槽，空心契合橡胶圈的四边上均设置有与内部相连通的注胶管，空心契合橡胶圈的四边上均设置有绕圈体成梅花形布置的出桨孔，锁定框上设置有供注胶管穿出的通孔。

10、优选方案中，所述钢化玻璃的安装方法具体为：

11、s1、将空心契合橡胶圈安装在锁定框的内壁面的凹槽中，并使注胶管从锁定框的通孔中穿出；

12、s2、将钢化玻璃安装至锁定框中，并使空心契合橡胶圈卡入钢化玻璃的契合槽中；

13、s3、将安装好钢化玻璃的锁定框套装至安装框的外部，然后将固定螺栓穿过穿孔拧入螺纹孔中，实现对钢化玻璃的夹持固定；

14、s4、通过注胶管往空心契合橡胶圈中注入玻璃胶，玻璃胶通过出桨孔流入契合槽，对钢化玻璃进行加固和密封，注胶完毕后等待其凝固即可。

15、该方法包括：

16、s1、在盾构机下井组装前，将固定安装密封盒中的各组件元器件进行组装连接；

17、s2、在盾构机下井组装时，将安装密封盒固定在盾构机刀盘背面的空腔中，使钢化玻璃的初始朝向为上，并将密封盒中的电器组件与刀具磨损检测的光纤光栅传感器相连接；

18、s3、在盾构机运转时，盾构机刀盘转动，带动安装密封盒做圆周运动，发电组件中的固定杆在配重块的重力作用下始终保持竖直向下的状态，从而对减速机的转动轴产生扭力，使其转动，进而带动直流发电机产生感应电动势，以直流电压的形式输出，实现持续性自动发电；

19、s4、当直流发电机开始发电后，充电储能组件中的电压调节器和电路控制器对直流发电机输出的直流电压进行调节后储存至锂电池中，同时具备过充电保护与过放电保护的功能，实现自动充电储能；

20、s5、锂电池给电器组件供电。

21、本发明提供了一种盾构机土仓内发电充电储能装置与方法，具备以下有益效果：

22、1、发电组件及充电储能组件结构简单，尺寸较小，且集中设置在固定于刀盘辐条或面板背部空腔处的密封盒中，既不受土仓环境影响，也不干涉刀盘及刀具的正常工作；

23、2、充分利用了盾构机刀盘自身结构和功能特点，只需依靠盾构掘进过程中刀盘的转动就能自动产生源源不断的电能，而不必提供额外的动力，解决了其它方法不能进行长期有效供电的难题；

24、3、具备过充电保护与过放电保护的功能，延长了锂电池的使用寿命，同时通过设置钢化玻璃顶盖，减少金属结构对电磁波信号的屏蔽作用，而且采用注胶的方式固定钢化玻璃，便于其安装，并确保了密封性，同时避免了钢化玻璃的边角受到磕碰出现损坏。

技术特征：

1.盾构机土仓内发电充电储能装置，包括盾构机刀盘（1），其特征是：所述盾构机刀盘（1）背面的空腔中设置有发电充电储能装置（2），发电充电储能装置（2）包括密封盒（21），以及内置于密封盒（21）中用于自发电的发电组件（3）、用于存储电能的充电储能组件（4），和用于监测信号发射及传输的电器组件（5），发电组件（3）、充电储能组件（4）与电器组件（5）之间电连接。

2.根据权利要求1所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述发电组件（3）包括固设在密封盒（21）底板上的底座（31）、依次安装在底座（31）上的直流发电机（32）和减速机（33）、垂直设置在减速机（33）转动轴末端的固定杆（34）、设置在固定杆（34）底端的配重块（35），以及与底座（31）对称设置在直流发电机（32）和减速机（33）顶部的顶座（36），其中直流发电机（32）和减速机（33）传动连接，直流发电机（32）和减速机（33）的摆放方向与盾构机刀盘（1）的旋转中心轴平行，顶座（36）的顶部与密封盒（21）的顶板贴合。

3.根据权利要求2所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述底座（31）与顶座（36）均采为钢块结构，整体呈四棱台结构，两者的相对面均设有放置直流发电机（32）和减速机（33）的凹槽。

4.根据权利要求2所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述充电储能组件（4）包括设置在密封盒（21）底板上的电压调节器（41）、电路控制器（42），以及锂电池（43），其中，电压调节器（41）分别与直流发电机（32）和电路控制器（42）电连接，用于将直流电压调整至既定值，保持电压稳定，电路控制器（42）还与锂电池（43）电连接，用于根据锂电池（43）的储存电量大小自动控制充电的开关，锂电池（43）与电器组件（5）电连接，用于给电器组件（5）提供电源。

5.根据权利要求4所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述电器组件（5）包括设置在密封盒（21）底板上的光源装置（51）和信号传输装置（52），光源装置（51）与信号传输装置（52）均与锂电池（43）电连接，其中，光源装置（51）用于提供刀具磨损检测的光源，信号传输装置（52）用于传递检测数据。

6.根据权利要求1或4所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述密封盒（21）由底板以及围绕底板向上延伸的侧板组成，密封盒（21）的顶部固设有钢化玻璃（213），钢化玻璃（213）将密封盒（21）顶部的敞口封闭。

7.根据权利要求6所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述密封盒（21）顶部的箱壁上设置有安装框（212），安装框（212）外部尺寸略小于密封盒（21）的外部尺寸，钢化玻璃（213）的尺寸与安装框（212）相同，安装框（212）的外部套装有用于固定钢化玻璃（213）的锁定框（214），其中，锁定框（214）的四边上均设置有穿孔（216），安装框（212）的四边上均设置有与穿孔（216）相对应的螺纹孔（215），螺纹孔（215）中螺纹连接有贯穿穿孔（216）的固定螺栓（217）。

8.根据权利要求7所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述钢化玻璃（213）的四边上设置有相连贯的契合槽（2131），锁定框（214）的内壁上设置有相连贯的空心契合橡胶圈（218），锁定框（214）上设有安装空心契合橡胶圈（218）的凹槽，空心契合橡胶圈（218）的四边上均设置有与内部相连通的注胶管（2181），空心契合橡胶圈（218）的四边上均设置有绕圈体成梅花形布置的出桨孔（2182），锁定框（214）上设置有供注胶管（2181）穿出的通孔（219）。

9.根据权利要求8所述盾构机土仓内发电充电储能装置，其特征是：所述钢化玻璃（213）的安装方法具体为：

10.根据权利要求2-5任一项所述盾构机土仓内发电充电储能方法，其特征是：该方法包括：

技术总结
本发明提供盾构机土仓内发电充电储能装置，包括盾构机刀盘，所述盾构机刀盘背面的空腔中设置有发电充电储能装置，发电充电储能装置包括密封盒，以及内置于密封盒中用于自发电的发电组件、用于存储电能的充电储能组件，和用于监测信号发射及传输的电器组件，发电组件、充电储能组件与电器组件之间电连接。发电组件及充电储能组件结构简单，尺寸较小，且集中设置在固定于刀盘辐条或面板背部空腔处的密封盒中，既不受土仓环境影响，也不干涉刀盘及刀具的正常工作；充分利用了盾构机刀盘自身结构和功能特点，只需依靠盾构掘进过程中刀盘的转动就能自动产生源源不断的电能，而不必提供额外的动力，解决了其它方法不能进行长期有效供电的难题。

技术研发人员：陈少林,孙恒,杨钊,黎继雄,李贤贵,罗利平,黄新淼,杨云,张红伟,李杰华
受保护的技术使用者：中交二航局（成都）建设工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13