復(fù)合盾構(gòu)滾刀磨損的無線實時監(jiān)測系統(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)

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復(fù)合盾構(gòu)滾刀磨損的無線實時監(jiān)測系統(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：為了實時監(jiān)測復(fù)合盾構(gòu)掘進(jìn)過程中滾刀的磨損和工作情況，建立了一套滾刀磨損的無線實時監(jiān)測系統(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，經(jīng)計算處理后得到滾刀刀圈的磨損量。在信號傳輸中使用無線結(jié)合有線的方式，將監(jiān)測數(shù)據(jù)從終端節(jié)點經(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)測及判斷機(jī)制，重點探討了其安裝結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方案。結(jié)合某工程現(xiàn)場實驗，證明該系統(tǒng)能有效地監(jiān)測滾刀刀圈的磨損量，從而實現(xiàn)滾刀刀圈磨損的實時監(jiān)測。

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

0引言

伴隨著我國經(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，盾構(gòu)已成為我國資源開發(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，需要更換刀具，否則會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)期間對滾刀的磨損和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析，從而為制定換刀計劃、節(jié)省換刀時間、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)測方法主要有開艙監(jiān)測法、異味添加劑法、掘進(jìn)參數(shù)分析法和液壓監(jiān)測法[2-4]。開艙監(jiān)測法是監(jiān)測刀具磨損情況最直接、最有效的方法，但帶壓開艙監(jiān)測通常耗時較長，不僅會影響施工進(jìn)度，而且安全風(fēng)險較高。異味添加劑法能夠敏感地報告TBM刀具損壞的信息，但對于土壓平衡盾構(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。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)驗進(jìn)行判斷，主觀性較大，可操作性不強(qiáng)。液壓監(jiān)測法主要依靠液壓系統(tǒng)的壓力變化完成監(jiān)測，由于液壓管路數(shù)量有限，只能監(jiān)測部分刀具信息，無法實時監(jiān)測，且監(jiān)測精度較低。

為了有效地解決刀具磨損監(jiān)測問題，建立了刀具磨損的無線實時監(jiān)測系統(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)滾刀磨損的無線實時監(jiān)測系統(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)都會使盾構(gòu)主驅(qū)動扭矩增大，從而影響掘進(jìn)速度，此時要檢查滾刀磨損情況，否則會進(jìn)一步加大對滾刀的磨損，情節(jié)嚴(yán)重時將造成軸承、端蓋、刀轂等部件的報廢和刀盤的磨損。就滾刀磨損因素來看，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，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，因為滾刀自身的啟動扭矩較高，在刀盤轉(zhuǎn)動的同時，滾刀的軸承未發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而造成滾刀在開挖面上不能滾動，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，不僅會加速滾刀本身的偏磨，還會造成相鄰滾刀過載失效，從而迅速向外部擴(kuò)張，直到整個刀盤上的滾刀全部被磨損。另一種情況是，掘進(jìn)過程中盾構(gòu)操作手在不同的地層中沒有控制掘進(jìn)的各種參數(shù)，在黏土地層中推進(jìn)速度快、刀盤扭矩高，在沒有改良渣土的情況下長時間掘進(jìn)，造成滾刀被泥土包裹不能轉(zhuǎn)動，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，在向前推進(jìn)的過程中，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取出，在推進(jìn)過程中與滾刀之間相互碰撞，導(dǎo)致刀圈局部過載，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)生斷裂或脫落會造成刀圈在軸線方向上左右擺動，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)測及判斷

依據(jù)滾刀磨損的類型，將滾刀刀刃磨損的監(jiān)測與滾刀轉(zhuǎn)動信息的監(jiān)測相結(jié)合，可以監(jiān)測滾刀所有的失效狀況。因此，監(jiān)測傳感器節(jié)點的2個重要功能就是監(jiān)測滾刀刀刃的磨損和滾刀的轉(zhuǎn)動。針對上述磨損狀況，該系統(tǒng)的監(jiān)測及判斷機(jī)制如下。

1)正常磨損。通過距離傳感器監(jiān)測感應(yīng)距離判斷。

2)刀圈偏磨。刀盤正常運轉(zhuǎn)時，滾刀轉(zhuǎn)動情況可以通過滾刀轉(zhuǎn)速判斷。

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

4)刀圈移位或脫落。與嚴(yán)重時的正常磨損情況類似。

2.2安裝結(jié)構(gòu)

滾刀磨損監(jiān)測裝置的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計過程中，內(nèi)置于刀箱壁板的內(nèi)置一體式結(jié)構(gòu)方案優(yōu)勢突顯。內(nèi)置一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅解決了由于尺寸過大和安裝位置受限所導(dǎo)致的出渣問題，而且大大提高了監(jiān)測裝置的防護(hù)性和使用壽命。滾刀磨損監(jiān)測節(jié)點的安裝結(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)

滾刀磨損的實時監(jiān)測系統(tǒng)由終端節(jié)點、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)點的采樣模塊對滾刀狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，獲取相應(yīng)的信號并傳送給微控單元，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)格式傳送給無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊對接收的數(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)點的信號后，通過無線收發(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，將信號轉(zhuǎn)化為方便操作人員觀測的圖、表等形式，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)測功能。當(dāng)需要切換終端節(jié)點的工作模式或工作狀態(tài)時，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過有線通信向中繼路由發(fā)送命令，中繼路由通過無線通信將命令下發(fā)給終端節(jié)點，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的實時控制功能。

終端節(jié)點隨滾刀和刀盤轉(zhuǎn)動，其采集的數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)動的刀盤傳輸?shù)街骺刂剖?，因此，采用無線傳輸方式采集數(shù)據(jù)無疑是最佳途徑。在具有代表性的滾刀處布置終端節(jié)點，每個終端節(jié)點具有磨損監(jiān)測、轉(zhuǎn)動監(jiān)測、溫度監(jiān)測和無線數(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；每個終端節(jié)點具有唯一的身份標(biāo)識，在布置系統(tǒng)時將各終端節(jié)點與滾刀在刀盤上的位置一一對應(yīng)。各個終端節(jié)點按照既定的工作節(jié)拍和工作模式將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)無線發(fā)射裝置發(fā)射，安裝于土艙隔板上的無線接收裝置將各個終端節(jié)點采集的數(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實驗驗證及結(jié)果分析

3.1實驗方法

該實時監(jiān)測系統(tǒng)將磨損監(jiān)測傳感器安裝于滾刀刀刃處，通過該傳感器監(jiān)測滾刀刀刃的存余量，并將其與原始數(shù)據(jù)對比得到滾刀圓周方向的磨損量；同理，將轉(zhuǎn)動監(jiān)測傳感器安裝于刀轂處，通過該傳感器監(jiān)測滾刀圓周方向的轉(zhuǎn)動位置和速度。磨損監(jiān)測與轉(zhuǎn)動數(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)點還具有溫度監(jiān)測功能，可以直接監(jiān)測滾刀周圍渣土的溫度，溫度監(jiān)測值的變化規(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)場進(jìn)行系統(tǒng)測試，將終端節(jié)點安裝于相應(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)。通過數(shù)據(jù)線將信號傳送至PC上位機(jī)，通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測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實驗結(jié)果分析

滾刀磨損和滾刀轉(zhuǎn)速等信息通過上位機(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)點接收路由的信號強(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。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)重的脈動信號，則認(rèn)為刀圈崩裂；如果采樣值持續(xù)一段時間不在標(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)測滾刀的磨損情況，其磨損監(jiān)測精度可達(dá)到1 mm；能夠可靠地判斷滾刀的磨損狀態(tài)，監(jiān)測其是否有偏磨、破損、停轉(zhuǎn)等異常現(xiàn)象，當(dāng)監(jiān)測到異常值達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)將發(fā)出報警和提示信息，預(yù)測其失效程度和狀態(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線實時監(jiān)測系統(tǒng)，給出了具體的系統(tǒng)實現(xiàn)方案。通過工程現(xiàn)場實驗，表明該系統(tǒng)的刀具磨損監(jiān)測結(jié)果與實際換刀情況相吻合。

表1　標(biāo)定數(shù)據(jù)

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

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、換刀方案的制定等帶來便利，而其應(yīng)用范圍并不局限于此，對于其他刀具、刀盤面板等關(guān)鍵部位的磨損、振動及土艙渣土的溫度等狀態(tài)信息，都可以植入該終端節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測?？梢越⒌侗P在線綜合監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時數(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：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)04-0485-05

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

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

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

收稿日期：2014-09-11； 修回日期： 2016-02-23