孫志洪， 李東利， 張家年

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州　450016)

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復(fù)合盾構(gòu)滾刀磨損的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

孫志洪， 李東利， 張家年

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州450016)

摘要：為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中滾刀的磨損和工作情況，建立了一套滾刀磨損的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將滾刀刀圈與傳感器之間的距離變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后得到滾刀刀圈的磨損量。在信號(hào)傳輸中使用無(wú)線結(jié)合有線的方式，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)中繼路由傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。分析了滾刀失效的主要類型、監(jiān)測(cè)及判斷機(jī)制，重點(diǎn)探討了其安裝結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案。結(jié)合某工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，證明該系統(tǒng)能有效地監(jiān)測(cè)滾刀刀圈的磨損量，從而實(shí)現(xiàn)滾刀刀圈磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合盾構(gòu)； 滾刀； 磨損監(jiān)測(cè)； 無(wú)線監(jiān)測(cè)

0引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，盾構(gòu)已成為我國(guó)資源開發(fā)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中必不可少的重要裝備。由于工作環(huán)境惡劣，復(fù)合盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)刀具極易磨損，從而影響到設(shè)備的工作性能。當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，需要更換刀具，否則會(huì)加劇周邊刀具的磨損，進(jìn)而形成惡性循環(huán)[1]。為了保證盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行，需要在掘進(jìn)期間對(duì)滾刀的磨損和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，從而為制定換刀計(jì)劃、節(jié)省換刀時(shí)間、調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和控制策略、確保順利掘進(jìn)施工提供重要的技術(shù)依據(jù)。

目前，刀具磨損監(jiān)測(cè)方法主要有開艙監(jiān)測(cè)法、異味添加劑法、掘進(jìn)參數(shù)分析法和液壓監(jiān)測(cè)法[2-4]。開艙監(jiān)測(cè)法是監(jiān)測(cè)刀具磨損情況最直接、最有效的方法，但帶壓開艙監(jiān)測(cè)通常耗時(shí)較長(zhǎng)，不僅會(huì)影響施工進(jìn)度，而且安全風(fēng)險(xiǎn)較高。異味添加劑法能夠敏感地報(bào)告TBM刀具損壞的信息，但對(duì)于土壓平衡盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)使用效果不佳、適用范圍較小，只能獲取是否磨損到既定程度的是非判斷，而且只能是一次性監(jiān)測(cè)。掘進(jìn)參數(shù)分析法要求司機(jī)在地質(zhì)等環(huán)境條件相當(dāng)?shù)那闆r下憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，主觀性較大，可操作性不強(qiáng)。液壓監(jiān)測(cè)法主要依靠液壓系統(tǒng)的壓力變化完成監(jiān)測(cè)，由于液壓管路數(shù)量有限，只能監(jiān)測(cè)部分刀具信息，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)精度較低。

為了有效地解決刀具磨損監(jiān)測(cè)問(wèn)題，建立了刀具磨損的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用于復(fù)合盾構(gòu)施工的刀具主要有以切削方式工作的刮刀和以擠壓破碎方式工作的滾刀2類[4]，本文主要研究復(fù)合盾構(gòu)滾刀磨損的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1滾刀磨損狀況及原因分析

滾刀以磨損為主的各種失效狀態(tài)都會(huì)使盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)扭矩增大，從而影響掘進(jìn)速度，此時(shí)要檢查滾刀磨損情況，否則會(huì)進(jìn)一步加大對(duì)滾刀的磨損，情節(jié)嚴(yán)重時(shí)將造成軸承、端蓋、刀轂等部件的報(bào)廢和刀盤的磨損。就滾刀磨損因素來(lái)看，磨損量不僅取決于刀具本身的材料和結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)，還與盾構(gòu)的掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、推力等掘進(jìn)參數(shù)息息相關(guān)。根據(jù)滾刀磨損的形態(tài)特征和程度，其磨損狀況可分為以下幾種形式。

1.1正常磨損

滾刀的正常磨損是指刀圈刃口的磨損量超過(guò)規(guī)定值(一般為20 mm)以上的均勻磨損，如圖1(a)所示。其特點(diǎn)是滾刀刀圈周邊各部位的磨損程度基本一致，它是滾刀失效的主要形式[5]。這種磨損主要發(fā)生在地質(zhì)相對(duì)比較單一、均勻的地層中。正常磨損的滾刀除刀圈不能使用外，其他各部分均可正常使用。

1.2刀圈偏磨

刀圈偏磨主要表現(xiàn)為滾刀刀圈周邊各部位的磨損程度不一致，如圖1(b)所示。這種情況一般發(fā)生在較軟的泥層或巖層中，因?yàn)闈L刀自身的啟動(dòng)扭矩較高，在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，滾刀的軸承未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而造成滾刀在開挖面上不能滾動(dòng)，使刀圈呈現(xiàn)單邊受力磨損的狀態(tài)[6]。如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，不僅會(huì)加速滾刀本身的偏磨，還會(huì)造成相鄰滾刀過(guò)載失效，從而迅速向外部擴(kuò)張，直到整個(gè)刀盤上的滾刀全部被磨損。另一種情況是，掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)操作手在不同的地層中沒(méi)有控制掘進(jìn)的各種參數(shù)，在黏土地層中推進(jìn)速度快、刀盤扭矩高，在沒(méi)有改良渣土的情況下長(zhǎng)時(shí)間掘進(jìn)，造成滾刀被泥土包裹不能轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使?jié)L刀產(chǎn)生偏磨[7]。

1.3刀圈崩裂

刀圈崩裂最容易發(fā)生在上軟下硬的復(fù)合地層中，當(dāng)?shù)貙油蝗蛔冇矔r(shí)，在向前推進(jìn)的過(guò)程中，滾刀存在非常高的推力載荷和瞬間載荷，加上刀圈材質(zhì)硬而脆的特性，從而導(dǎo)致滾刀刀圈的崩裂[8-9]，如圖1(c)所示。另一種情況是，斷裂的刀圈或更換滾刀的工具未及時(shí)取出，在推進(jìn)過(guò)程中與滾刀之間相互碰撞，導(dǎo)致刀圈局部過(guò)載，從而使刀圈應(yīng)力集中發(fā)生斷裂。

1.4刀圈移位或脫落

刀圈移位或脫落主要是指用于阻止刀圈沿軸線方向發(fā)生平移的擋圈發(fā)生了斷裂或脫落，如圖1(d)所示。擋圈一旦發(fā)生斷裂或脫落會(huì)造成刀圈在軸線方向上左右擺動(dòng)，從而加劇刀圈和軸承的磨損破壞及撞擊破壞[10]。其主要原因是刀圈裝配的質(zhì)量差(如擋圈焊接不牢或滾刀在刀箱中安裝不牢)，另外掘進(jìn)參數(shù)不合理也會(huì)造成刀圈移位或脫落。

(a) 正常磨損

(b) 刀圈偏磨

(c) 刀圈崩裂

(d) 刀圈移位或脫落

2系統(tǒng)方案

2.1滾刀磨損類型監(jiān)測(cè)及判斷

依據(jù)滾刀磨損的類型，將滾刀刀刃磨損的監(jiān)測(cè)與滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)信息的監(jiān)測(cè)相結(jié)合，可以監(jiān)測(cè)滾刀所有的失效狀況。因此，監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的2個(gè)重要功能就是監(jiān)測(cè)滾刀刀刃的磨損和滾刀的轉(zhuǎn)動(dòng)。針對(duì)上述磨損狀況，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及判斷機(jī)制如下。

1)正常磨損。通過(guò)距離傳感器監(jiān)測(cè)感應(yīng)距離判斷。

2)刀圈偏磨。刀盤正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)情況可以通過(guò)滾刀轉(zhuǎn)速判斷。

3)刀圈崩裂。小的崩裂無(wú)法判斷，但隨著崩裂情況的加重，工作時(shí)距離傳感器會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)信號(hào)，同時(shí)考慮有可能是刀圈偏磨。

4)刀圈移位或脫落。與嚴(yán)重時(shí)的正常磨損情況類似。

2.2安裝結(jié)構(gòu)

滾刀磨損監(jiān)測(cè)裝置的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮滾刀刀箱空間尺寸限制、出渣流暢、防護(hù)強(qiáng)度及安裝方便等因素，結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)有外置集中式、外置分體式和內(nèi)置一體式3種。由于外置集中式結(jié)構(gòu)和外置分體式結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大、影響出渣和滾刀拆裝不便等缺陷，因此，在不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，內(nèi)置于刀箱壁板的內(nèi)置一體式結(jié)構(gòu)方案優(yōu)勢(shì)突顯。內(nèi)置一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅解決了由于尺寸過(guò)大和安裝位置受限所導(dǎo)致的出渣問(wèn)題，而且大大提高了監(jiān)測(cè)裝置的防護(hù)性和使用壽命。滾刀磨損監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　安裝結(jié)構(gòu)

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

滾刀磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、中繼路由和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

終端節(jié)點(diǎn)安裝于相應(yīng)的滾刀刀箱內(nèi)，中繼路由安裝于土艙隔板上，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在盾構(gòu)的主控制室。終端節(jié)點(diǎn)的采樣模塊對(duì)滾刀狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取相應(yīng)的信號(hào)并傳送給微控單元，經(jīng)微控單元進(jìn)行分析處理后的數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式傳送給無(wú)線收發(fā)模塊，無(wú)線收發(fā)模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送給中繼路由；中繼路由接收到終端節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行相應(yīng)的放大解調(diào)，并將數(shù)字信號(hào)以有線通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為方便操作人員觀測(cè)的圖、表等形式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)需要切換終端節(jié)點(diǎn)的工作模式或工作狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)有線通信向中繼路由發(fā)送命令，中繼路由通過(guò)無(wú)線通信將命令下發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能。

終端節(jié)點(diǎn)隨滾刀和刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，其采集的數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)動(dòng)的刀盤傳輸?shù)街骺刂剖遥虼?，采用無(wú)線傳輸方式采集數(shù)據(jù)無(wú)疑是最佳途徑。在具有代表性的滾刀處布置終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)具有磨損監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射等功能模塊，這些功能模塊統(tǒng)一由高容量鋰電池供電；每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)具有唯一的身份標(biāo)識(shí)，在布置系統(tǒng)時(shí)將各終端節(jié)點(diǎn)與滾刀在刀盤上的位置一一對(duì)應(yīng)。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)按照既定的工作節(jié)拍和工作模式將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線發(fā)射裝置發(fā)射，安裝于土艙隔板上的無(wú)線接收裝置將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和轉(zhuǎn)換，以串口通訊方式傳輸至盾構(gòu)主控制室的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)方法

該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將磨損監(jiān)測(cè)傳感器安裝于滾刀刀刃處，通過(guò)該傳感器監(jiān)測(cè)滾刀刀刃的存余量，并將其與原始數(shù)據(jù)對(duì)比得到滾刀圓周方向的磨損量；同理，將轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器安裝于刀轂處，通過(guò)該傳感器監(jiān)測(cè)滾刀圓周方向的轉(zhuǎn)動(dòng)位置和速度。磨損監(jiān)測(cè)與轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)相結(jié)合可以繪制出滾刀的輪廓數(shù)據(jù)，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)可以判斷滾刀的失效狀況。

終端節(jié)點(diǎn)還具有溫度監(jiān)測(cè)功能，可以直接監(jiān)測(cè)滾刀周圍渣土的溫度，溫度監(jiān)測(cè)值的變化規(guī)律可以為滾刀偏磨、渣土改良、結(jié)泥餅等情況的研判提供重要的參考信息。

在某工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，將終端節(jié)點(diǎn)安裝于相應(yīng)的滾刀刀箱內(nèi)，路由安置于密封艙隔板上，開啟盾構(gòu)系統(tǒng)使刀盤旋轉(zhuǎn)。通過(guò)數(shù)據(jù)線將信號(hào)傳送至PC上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾刀的磨損和工作狀態(tài)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示。PC 上位機(jī)采用 LabVIEW 編程，實(shí)現(xiàn)了 PC 上位機(jī)與中繼路由之間的通信，將接收到的數(shù)據(jù)以圖片及表格的形式顯示。

圖4　上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

滾刀磨損和滾刀轉(zhuǎn)速等信息通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)的處理，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)工程單位的數(shù)值。以節(jié)點(diǎn)E0為例，如圖5和圖6所示，采樣max和采樣min分別表示采樣值的最大值和最小值，磨損max和磨損min分別表示磨損值的最大值和最小值，RSSI表示節(jié)點(diǎn)接收路由的信號(hào)強(qiáng)度，前半圈表示滾刀前半圈的輪廓數(shù)據(jù)。標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示，采樣值表示終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)值，位移表示傳感器與滾刀的感應(yīng)距離，是采樣值轉(zhuǎn)換后的工程數(shù)值(即標(biāo)定值)。

圖5　工作數(shù)據(jù)

根據(jù)圖6的輪廓數(shù)據(jù)和表1的標(biāo)定數(shù)據(jù)可知，該滾刀前半圈的磨損量從7～32 mm呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。如果滾刀和刀盤轉(zhuǎn)速正常，則認(rèn)為正常磨損，否則認(rèn)為刀圈偏磨；如果采樣值出現(xiàn)嚴(yán)重的脈動(dòng)信號(hào)，則認(rèn)為刀圈崩裂；如果采樣值持續(xù)一段時(shí)間不在標(biāo)定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，則認(rèn)為刀圈移位或脫落。該系統(tǒng)能夠在盾構(gòu)滾刀惡劣的工作環(huán)境下監(jiān)測(cè)滾刀的磨損情況，其磨損監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到1 mm；能夠可靠地判斷滾刀的磨損狀態(tài)，監(jiān)測(cè)其是否有偏磨、破損、停轉(zhuǎn)等異?，F(xiàn)象，當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常值達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警和提示信息，預(yù)測(cè)其失效程度和狀態(tài)。

圖6　輪廓數(shù)據(jù)

4結(jié)論與討論

本文在分析滾刀磨損狀況及原因的基礎(chǔ)上，建立一套滾刀磨損的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，表明該系統(tǒng)的刀具磨損監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際換刀情況相吻合。

表1　標(biāo)定數(shù)據(jù)

由于現(xiàn)場(chǎng)工況的復(fù)雜性，該系統(tǒng)在以下方面有待進(jìn)一步優(yōu)化： 1)無(wú)線通信方面。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)通信不暢的情況，因此，需要對(duì)天線的選擇及其保護(hù)方案做進(jìn)一步優(yōu)化，確保無(wú)線通信的暢通。2)傳感器精度方面。滾刀發(fā)生磨損時(shí)不僅刀刃與傳感器之間的距離會(huì)增大，而且刃寬也會(huì)增大，從而影響傳感器的輸出；因此，需要制作不同的滾刀模型對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，從而提高測(cè)量精度。

該系統(tǒng)的應(yīng)用將為復(fù)合盾構(gòu)在各種地層，特別是砂卵石、硬巖地質(zhì)條件下滾刀的磨損情況在線監(jiān)測(cè)、換刀方案的制定等帶來(lái)便利，而其應(yīng)用范圍并不局限于此，對(duì)于其他刀具、刀盤面板等關(guān)鍵部位的磨損、振動(dòng)及土艙渣土的溫度等狀態(tài)信息，都可以植入該終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？梢越⒌侗P在線綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和分析，為科學(xué)統(tǒng)籌施工、智能化掘進(jìn)提供重要手段。

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Wireless Real-time Disc Cutter Wear Monitoring System for Composite Shield Machine

SUN Zhihong, LI Dongli, ZHANG Jianian

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Abstract:A wireless real-time disc cutter wear monitoring system for composite shield machine is established, so as to control the state of disc cutter and guide the construction. The distance variation between disc cutter ring and sensor is turned into electrical signal, according to which the disc cutter wear can be calculated. The wire monitoring method and wireless monitoring method are adopted so as to transfer the monitoring data to upper computer. The main type of disc cutter failure, monitoring and estimation mechanism are analyzed; and then the installation structure and practical method of the monitoring system are emphatically discussed. The construction practice shows that the above-mentioned monitoring system is feasible and can achieve good effect.

Keywords:composite shield machine; disc cutter; wear monitoring; wireless monitoring system

中圖分類號(hào)：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0485-05

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.018

第一作者簡(jiǎn)介：孫志洪(1975—)，男，河南洛陽(yáng)人，2008年畢業(yè)于鄭州大學(xué)，機(jī)電工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道施工設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。E-mail: goszh@sohu.com。

基金項(xiàng)目：中鐵工程裝備集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(裝備研合2012-12)

收稿日期：2014-09-11； 修回日期： 2016-02-23