盾構刀具磨損超聲波檢測系統(tǒng)室內試驗研究

王光輝，呂瑞虎

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

隨著盾構制造技術的發(fā)展，盾構適應地層范圍越來越廣。盾構技術不僅在比較均勻、單一的土層中得到了廣泛應用，在各種軟硬交替復合地層中的應用也開始逐步推廣。刀具磨損嚴重是盾構在復合地層中遇到的最大難題之一，因此，刀具磨損檢測技術是盾構施工重要的研究方向之一。

目前，刀具磨損的檢測方法主要有電氣檢測法、液壓檢測法、開艙檢查、異味添加劑、掘進參數分析等。開艙檢查法直接有效，但風險很高，容易引起開挖面坍塌，進而影響隧道周邊建筑物的安全;異味添加劑在土壓平衡盾構和泥水盾構中的應用效果一般［1］。文獻［2－4］主要針對TBM刀具磨損檢測的掘進參數分析法進行了具體分析并介紹了其應用情況，但從應用結果看，經常出現(xiàn)實測速度與預測速度偏差較大的情況，且在更換了刀具后，需要及時更新基準環(huán)，建立新的預測模型，檢測結果的可靠性與及時性不高;文獻［5－6］介紹刀具磨損傳感器檢測方法，但均未論述檢測儀安裝、信號傳輸、續(xù)航能力等問題;文獻［7－8］論述刀具磨損電氣檢測、液壓檢測方法，但目前這2種方法大多屬于極限式檢測方法，尚未實現(xiàn)刀具磨損的連續(xù)實時檢測;文獻［9］論述刀具磨損超聲波式檢測方法，但在復雜惡劣的工況下其無線傳輸方式，可能會使信號失真。

上述研究幾乎涵蓋盾構刀具磨損量檢測的各種方法或技術，基本反映出盾構刀具磨損量檢測領域的發(fā)展現(xiàn)狀。但以上各種方法或技術也存在諸多問題，如適用范圍有限，適用性及檢測精度較差等，故該領域內可進一步探索的空間很大。本文對超聲波檢測技術進行了深入研究，結合國內外相關工程技術資料，設計并研發(fā)出新型盾構刀具磨損超聲波檢測系統(tǒng)，對其原理及結構組成進行簡要介紹，在檢測儀安裝調試的基礎上進行室內試驗后，評價檢測系統(tǒng)的應用效果。

1 盾構刀具磨損檢測原理及標定

1.1 盾構刀具磨損檢測原理

盾構刀具磨損檢測儀屬于脈沖式檢測儀。脈沖式超聲波檢測儀使用脈沖波，其原理為超聲波在工件中的傳播時間與工件厚度成正比。當把時間以不同的方式換算出來后，即可得到厚度。若超聲波在工件中傳播的往返時間為T，則

時間T的測量方法為數碼管指示法。數碼管指示法，是將超聲波在工件中的傳播時間以計數的方式在數碼管上顯示出來。數顯式檢測儀原理如圖1所示。

圖1 數顯式檢測儀原理圖Fig.1 Principle of digital display detection device

在數顯式檢測儀中，同步電路產生觸發(fā)波，有2路輸出，一路觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電路，另一路觸發(fā)發(fā)射電路，使之產生超聲波射入工件，由底部反射后經接收電路放大，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電路使之翻轉。這樣雙穩(wěn)態(tài)電路產生的矩形波的寬度，與工件的厚度成正比。計數脈沖震蕩電路產生一系列計數脈沖，輸入到與門電路，但只有當雙穩(wěn)態(tài)電路輸出的正矩形波輸入到與門電路時，計數脈沖才從與門電路中輸出。每個計數脈沖所代表的距離(厚度)是一定的，根據與門電路輸出地計數脈沖數量，通過計數電路用數碼管顯示出來，直接顯示厚度的數值。由于數顯式檢測儀體積小，精度高，使用方便，應用十分普遍。

1.2 盾構刀具磨損檢測儀的標定

選用幾塊與刀具耐磨塊材質相同而薄厚不同的試塊。首先，完成校正工作，將超聲波換能器置于已知厚度的試塊上按校核鍵直到顯示屏的測量數據與已知厚度值相同時(允許誤差范圍內)，顯示屏上的數值即為所測材料中超聲波波速，分別測其聲速取平均值即為待測工件中超聲波波速;其次，在檢測儀中設定該波速后即可正常檢測。

2 盾構刀具磨損檢測儀安裝及防護技術

超聲波檢測系統(tǒng)主要包括刀具、超聲波換能器、信號線、檢測儀、中心回轉體、電滑環(huán)、電力線、串口調試窗口、電源等，系統(tǒng)總裝及局部構造如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總裝及局部構造圖Fig.2 System assembly and its local details

檢測儀安裝及防護直接關系到工作性能的可靠性與有效性，必須采取嚴密的防水、防振措施，確保設備在盾構掘進過程中免遭剝落下的土屑、巖屑、巖塊的沖擊破壞及掌子面水體侵蝕，故如何將各個獨立單元依次連接組合成一個有機整體，并采取相應的防護技術措施，是確保系統(tǒng)整體工作性能及檢測效果良好的重要步驟。

采用超聲波式實時檢測系統(tǒng)對切刀或刮刀耐磨塊厚度進行實時測量，并通過安裝定制的電滑環(huán)，以有線方式傳輸信號至尾盾控制室，由PC機接收后將其顯示于串口調試窗口內，同時，電源的電力也通過電滑環(huán)輸送至檢測儀，保證系統(tǒng)的持續(xù)正常工作。

2.1 超聲波檢測部分

超聲波檢測部分是該系統(tǒng)的核心設備，可實現(xiàn)工件的厚度測量，主要包括刀具、超聲波換能器、信號線、檢測儀等。超聲波換能器固定并封閉于切刀內，鐵質保護罩內的檢測儀設置于刀盤內部，具體的工藝流程如下。

如圖2和圖3所示，在與刀座緊貼的刀頭面上垂直鏜相連的螺紋孔與光面孔;螺紋孔直徑10 mm，孔深至耐磨塊;光面孔直徑略大于螺紋孔，以預留充足螺紋密封塞安裝空間為宜。

圖3 滾刀巖機作用綜合試驗平臺Fig.3 Comprehensive rock-cutter interaction experiment platform

孔內灌滿耦合劑后，放入換能器，通過擠壓彈簧使其緊貼螺紋孔底面;彈簧長度可根據孔深及換能器長度進行調整;螺紋密封塞鏜有中孔，信號線從換能器的末端引出，穿過彈簧后從螺紋密封塞的中孔穿出;螺紋密封塞涂抹螺紋鎖固劑后壓緊彈簧，旋入螺紋孔，之后用工業(yè)密封劑封閉螺紋密封塞中孔。

新型檢測儀具備RS485通訊方式，通訊距離可達千米，滿足現(xiàn)場對通訊距離的要求，并可以根據串口調試窗口發(fā)出的檢測指令實現(xiàn)實時檢測耐磨塊厚度的功能。

換能器末端的信號線引入刀盤內部，與檢測儀相連。為防止信號衰減影響檢測結果可靠性，信號線長度控制在5 m以內;刀盤內部焊接鐵質保護罩，檢測儀安放其中。

如圖3所示，光面孔孔口水平銑槽，槽寬容下信號線即可，槽長貫通刀頭，指向刀盤內部，從螺紋密封塞中孔穿出的信號線通過槽進入刀盤內部。

2.2 電力及信號傳輸部分

電力及信號傳輸部分主要包括信號線、中心回轉體、電滑環(huán)、電力線等。其中電滑環(huán)是實現(xiàn)2個相對轉動機構的圖像、數據信號及動力傳遞的精密輸電裝置，特別適用于無限制的連續(xù)旋轉，同時又是從固定位置到旋轉位置傳送功率或數據的場所，是本系統(tǒng)中心回轉體內測線與控制室內測線之間傳輸數字信號的主要部件。

電力及信號傳輸部分涉及中心回轉體的改造，具體指在中心回轉體末端安裝電滑環(huán)，以解決轉動部分與固定部分電力與信號的傳輸問題。

從檢測儀引出的2路電力線及4路信號線從通孔內穿出后與滑環(huán)轉子上的轉子引線連接;從控制室內串口調試窗口引出的信號線及從電源引出的電力線分別與滑環(huán)定子上的定子引線對應連接，由此實現(xiàn)轉動部分與固定部分電力與信號的傳輸。

2.3 結果顯示及電力供應部分

結果顯示及電力供應部分主要包括信號線、電力線、串口調試窗口、電源等。

串口調試窗口是一種通用數據處理軟件，安裝于PC機，可發(fā)送檢測指令、取消檢測指令、設置檢測頻率、實時顯示檢測結果;電源可將施工現(xiàn)場220 V交流電轉化為3 V直流電，為檢測儀持續(xù)的正常工作提供電力;PC機及電源均放置在主控室內，如圖2所示。

3 盾構刀具磨損檢測儀室內試驗研究

3.1 試驗目的

1)檢驗模擬工況下刀具磨損檢測儀系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2)測試模擬工況下刀具磨損檢測儀檢測結果的準確性。

3.2 試驗準備

利用滾刀巖機作用綜合試驗臺，通過將刀具磨損新型檢測儀中的超聲波換能器安裝并密封于刀體內，開展切刀或刮刀在模擬工況下磨損量的實時檢測試驗，研究刀具磨損新型檢測儀的穩(wěn)定性與準確性。

3.2.1 測試檢測儀、設備

刀具磨損檢測儀、滾刀巖機作用綜合試驗臺(見圖3)、攝像機、溫度計。

3.2.2 試驗準備

3.2.2.1 滾刀巖機作用綜合試驗平臺

受滾刀巖機作用綜合試驗臺巖箱的限制，巖樣選用完整、無明顯裂隙的石灰?guī)r，巖塊呈梯形，上下底寬為55 cm和17 cm，高59 cm，厚度為15 cm，共10塊，具體形狀如圖4所示。

巖樣下部用混凝土(高10 cm)墊平，混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶石子 =0.38∶1∶1.11∶2.7。養(yǎng)護 1 周后在混凝土上鉆孔，用膨脹螺栓來固定角鋼，用角鋼將巖塊牢固地固定在巖箱上。每2塊巖樣為一組，通過在角鋼(尺寸40 mm×3 mm)上打孔，用膨脹螺栓(M16，長10 cm)將其固定在下部混凝土上。通過角鋼將巖樣固定好后，在2組巖樣間隙處填充一層碎石(粒徑4～6 cm)，然后再澆灌混凝土，搗實，使其充分填實。養(yǎng)護4周后，開始試驗。

圖4 巖箱及巖樣示意圖Fig.4 Schematic diagram of rock sample and rock box

3.2.2.2 試驗刀具

盾構刀具磨損檢測試驗中采用的刀具高28 cm，寬15 cm，厚5 cm(見圖5)。刀具兩側的刀軸用于將其固定于巖機作用綜合試驗臺的刀槽內。

圖5 試驗刀具Fig.5 Cutter for experiment

3.2.2.3 檢測儀的安裝

超聲波檢測儀具有RS485通訊方式，傳輸距離可達千米，能滿足盾構刀具磨損檢測技術對傳輸距離的要求。

刀體上部銑有直徑16 mm，深約23 cm的孔洞以便安裝、固定超聲波換能器(見圖6)?？锥吹酌嬷恋扼w下表面距離約5 cm("實測"5.23 cm≈刀具高度－孔洞深(二者均由游標卡尺測得)，研磨后的檢測對象厚度也由此法反算得出，由于存在量測誤差，所謂"實測"存在一定的誤差;檢測儀量測讀數為5.28 cm，檢測儀精度為0.1 mm，滿足量測精度要求)，這段距離內的刀體為超聲波檢測儀的檢測對象。

圖6 試驗刀具內安裝超聲波換能器的孔洞及螺帽Fig.6 Hole and nut to install ultrasonic transducer

將少量超聲波耦合劑放入孔洞內后再放入超聲波換能器，數據線上的2個彈簧壓緊換能器，之后將螺帽擰緊，再灌入適量耦合劑，實現(xiàn)換能器的固定與耦合。超聲波換能器的安裝、固定及連接見圖7。

將換能器數據線接頭安插在超聲波檢測儀上，當聽到"滴滴"聲響時，表示系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，可進行常規(guī)檢測。

超聲波檢測儀通過15 m的數據線與電滑環(huán)的某一端連接，電滑環(huán)的另一端通過30 m數據線連接到中繼站，檢測信號則通過30 m數據線傳至中繼站。中繼站的另外2個端口分別與普通220 V交流電源和電腦連接，可實現(xiàn)電力與檢測信號的傳輸。超聲波檢測系統(tǒng)結構組成如圖8所示。

3.3 試驗過程

試驗刀具向下移動與巖石接觸，預加1 000 N垂直力，標記此時試驗刀具的耐磨塊厚度，作為磨損檢測試驗的厚度初值，并記錄檢測儀此時的讀數及環(huán)境溫度。

圖7 超聲波換能器的安裝、固定及連接Fig.7 Installing，fixing and connecting of ultrasonic transducer

圖8 超聲波檢測系統(tǒng)結構組成圖Fig.8 Structure diagram of ultrasonic detection system

使巖箱以1 r/min轉動，當轉速穩(wěn)定后再逐步加載垂直力;加載垂直力時宜均勻緩慢地加壓(5 mm/s)，試驗截圖如圖9所示。觀察記錄檢測儀每隔一段時間的讀數，讀數顯示于控制軟件界面內，見圖10(圖中厚度值51.91 mm為待測工件厚度的量測值)。

當刀間巖石出現(xiàn)明顯脫落或肉眼觀測到刀具磨損量較大時停止試驗。

每日試驗停止后，測量并記錄試驗刀具耐磨塊的實際厚度及溫度值。

3.4 試驗數據分析

室內試驗持續(xù)時間為12 d，每天研磨7 h左右。試驗數據記錄見表1。根據試驗數據繪制控制軟件讀數歷時曲線圖及刀具磨損量歷時曲線圖，見圖11－13。

圖9 刀具研磨巖樣Fig.9 Cutter grinding rock sample

圖10 控制軟件界面Fig.10 Control software interface

表1 試驗數據記錄表Table 1 Experiment data mm

圖11 控制軟件讀數(當日均值)與實測值歷時曲線圖Fig.11 Readings of control software Vs.measured values

圖12 控制軟件讀數26日歷時曲線圖(2013年)Fig.12 Variation of readings of control software on December 26，2013

圖13 刀具磨損量26日歷時曲線圖(2013年)Fig.13 Variation of wearing of cutter on December 26，2013

結合上述圖表對數據進行分析，結論如下:

1)刀具當日磨損量為0.51～1.31 mm，日均磨損量為1.03 mm，當日時間段內數據出現(xiàn)小幅波動現(xiàn)象，但總體變化趨勢一致。

2)整體來講，控制軟件讀數和刀具磨損量均與時間呈線性相關。

3)12日的累計磨損量為12.31 mm，實測磨損量為12 mm，控制軟件讀數與換算的磨損量與實際測量結果基本吻合。

但試驗過程中測試結果受試驗刀具溫度變化的影響較明顯。

當刀具研磨巖樣時間較長時，與巖樣接觸的刀具端部的溫度升高，超聲波換能器發(fā)出的超聲波在金屬體中的波速減小。文獻［10－11］表明，溫度由20℃升至100℃，波速減小約1.1%。

對于固定檢測對象而言，超聲波傳播距離不隨溫度改變，均為S(S為待測厚度值的2倍)。

常溫20℃時，設波速為V0，則傳播時間

溫度為100℃時，波速

此時傳播時間

將式(3)帶入式(4)可得

而超聲波檢測儀內設定的波速仍為原波速T0，故測試結果，即量測厚度值的2倍S1可由式(6)求解。

將式(5)帶入式(6)得

將量測結果的修正系數β定義為100℃時量測結果與20℃量測結果之比。則

事實也揭示出當日測試結果出現(xiàn)波動，一般將偏大，上述證明這種誤差在試驗周期內對檢測結果的影響不大。實際工況下刀具溫度高達數百度，今后對此尚須進行更加深入的研究。目前可行的應對策略為在停機間隙或在盾構工作狀態(tài)下對刀盤添加泡沫潤滑劑使刀具降溫后檢測刀具磨損量，以盡量減少溫度變化對檢測結果的影響。

3.5 試驗小結

1)探頭屬于精密易損配件，安裝時須小心用力，切忌硬拉硬拽，避免屏蔽測線的斷裂。

2)探頭與測線連接的部位容易滲入液體，影響探測結果。應在探頭與測線連接部位涂抹一層密封膠，并纏繞絕緣膠帶，最好在測線全長范圍內滿布絕緣膠帶，如此既可防水，又可增加測線的抗拉性。

3)實現(xiàn)探頭和待測工件之間良好的耦合是刀具磨損檢測的前提和基礎。探頭裝入刀具前，應將適量耦合劑放入孔內，放入探頭后應反復提拔并壓緊探頭，以排除探頭表面和待測工件表面之間的空氣。

4)將探頭裝入刀具后，應將其后測線暫時妥善地固定于刀具表面，以防刀具安裝過程中碰壞測線，待刀具安裝完畢后再將測線末端的插頭插入檢測儀。

5)試驗過程中，尤其是當刀具研磨巖樣，切入巖樣深度較大時，應特別注意刀具研磨軌跡周邊的石塊碰撞測線，如發(fā)現(xiàn)隱患應及時排除。

6)測試結果受待測工件溫度變化的影響較明顯。隨著刀具研磨巖樣時間的延長，與巖樣接觸的刀具端部溫度升高，工件內超聲波波速將減?。?0－11］，其在工件中傳播的時間會延長，但檢測儀內設定的波速仍為常溫下的原波速，所以測試結果，即量測的厚度值將偏大。

7)不需檢測刀具磨損量時，拔出電源即可，實用方便。

4 存在的主要問題

1)針對檢測儀與線路的防護問題提出了解決方案與措施，并經過了室內試驗驗證，但施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，不可預判的復雜因素很多，現(xiàn)場應用時應結合實際情況對上述方案與措施進行適當的優(yōu)化或改進。

2)相對于本檢測系統(tǒng)而言，試驗平臺存在一定的局限性，實際工況中電滑環(huán)與中心回轉體之間的耦合性能未得到有效驗證。

5 結論與討論

1)超聲波檢測儀在振動且具有一定溫度的掘進環(huán)境中可實時檢測磨損量，具有較好的實用性、精確度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2)在盾構停止掘進或正常工作狀態(tài)下，超聲波檢測系統(tǒng)均可精確地檢測刀具磨損量。正常工作狀態(tài)下，隨著刀具不斷地研磨巖石，其磨損量不斷增加，控制軟件便可通過設置檢測周期，實時或周期性地檢測磨損量。當檢測周期為0時，控制軟件可實時顯示檢測數據;用戶也可根據需要設置檢測周期，間隔顯示檢測數據;停機狀態(tài)下，無需人員進入土艙內即可快捷地檢測磨損量，既可排除安全隱患亦可節(jié)約成本。

3)在不斷升溫條件下檢測結果與實測值的偏離程度會更加明顯，但具體規(guī)律尚未明確，故實際工況下溫度對檢測精度的影響如何將是進一步研究的重點。

4)該檢測系統(tǒng)應用于現(xiàn)場時應在保證電滑環(huán)與中心回轉體各自性能的前提下，將相互之間的干擾降到最低。要實現(xiàn)兩者之間的良好耦合，建議將其設計、制造、加工、安裝工藝等作為關鍵技術問題展開攻關。

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