復合盾構滾刀磨損的無線實時監測系統

孫志洪， 李東利， 張家年

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州　450016)

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復合盾構滾刀磨損的無線實時監測系統

孫志洪， 李東利， 張家年

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州450016)

摘要：為了實時監測復合盾構掘進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測系統，將滾刀刀圈與傳感器之間的距離變化轉換為電壓信號，經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合有線的方式，將監測數據從終端節點經中繼路由傳輸到上位機監控系統。分析了滾刀失效的主要類型、監測及判斷機制，重點探討了其安裝結構和實現方案。結合某工程現場實驗，證明該系統能有效地監測滾刀刀圈的磨損量，從而實現滾刀刀圈磨損的實時監測。

關鍵詞：復合盾構； 滾刀； 磨損監測； 無線監測

0引言

伴隨著我國經濟的快速發展和基礎設施建設需求的持續增長，盾構已成為我國資源開發及基礎設施建設中必不可少的重要裝備。由于工作環境惡劣，復合盾構在掘進時刀具極易磨損，從而影響到設備的工作性能。當磨損到一定程度時，需要更換刀具，否則會加劇周邊刀具的磨損，進而形成惡性循環[1]。為了保證盾構施工的順利進行，需要在掘進期間對滾刀的磨損和工作狀態進行監測和分析，從而為制定換刀計劃、節省換刀時間、調整掘進參數和控制策略、確保順利掘進施工提供重要的技術依據。

目前，刀具磨損監測方法主要有開艙監測法、異味添加劑法、掘進參數分析法和液壓監測法[2-4]。開艙監測法是監測刀具磨損情況最直接、最有效的方法，但帶壓開艙監測通常耗時較長，不僅會影響施工進度，而且安全風險較高。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和泥水盾構使用效果不佳、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測。掘進參數分析法要求司機在地質等環境條件相當的情況下憑經驗進行判斷，主觀性較大，可操作性不強。液壓監測法主要依靠液壓系統的壓力變化完成監測，由于液壓管路數量有限，只能監測部分刀具信息，無法實時監測，且監測精度較低。

為了有效地解決刀具磨損監測問題，建立了刀具磨損的無線實時監測系統。用于復合盾構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]，本文主要研究復合盾構滾刀磨損的無線實時監測系統。

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都會使盾構主驅動扭矩增大，從而影響掘進速度，此時要檢查滾刀磨損情況，否則會進一步加大對滾刀的磨損，情節嚴重時將造成軸承、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構形狀設計，還與盾構的掘進速度、刀盤轉速、推力等掘進參數息息相關。根據滾刀磨損的形態特征和程度，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]。這種磨損主要發生在地質相對比較單一、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，在刀盤轉動的同時，滾刀的軸承未發生轉動，從而造成滾刀在開挖面上不能滾動，使刀圈呈現單邊受力磨損的狀態[6]。如果發現不及時，不僅會加速滾刀本身的偏磨，還會造成相鄰滾刀過載失效，從而迅速向外部擴張，直到整個刀盤上的滾刀全部被磨損。另一種情況是，掘進過程中盾構操作手在不同的地層中沒有控制掘進的各種參數，在黏土地層中推進速度快、刀盤扭矩高，在沒有改良渣土的情況下長時間掘進，造成滾刀被泥土包裹不能轉動，從而使滾刀產生偏磨[7]。

1.3刀圈崩裂

刀圈崩裂最容易發生在上軟下硬的復合地層中，當地層突然變硬時，在向前推進的過程中，滾刀存在非常高的推力載荷和瞬間載荷，加上刀圈材質硬而脆的特性，從而導致滾刀刀圈的崩裂[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，在推進過程中與滾刀之間相互碰撞，導致刀圈局部過載，從而使刀圈應力集中發生斷裂。

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生平移的擋圈發生了斷裂或脫落，如圖1(d)所示。擋圈一旦發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量差(如擋圈焊接不牢或滾刀在刀箱中安裝不牢)，另外掘進參數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系統方案

2.1滾刀磨損類型監測及判斷

依據滾刀磨損的類型，將滾刀刀刃磨損的監測與滾刀轉動信息的監測相結合，可以監測滾刀所有的失效狀況。因此，監測傳感器節點的2個重要功能就是監測滾刀刀刃的磨損和滾刀的轉動。針對上述磨損狀況，該系統的監測及判斷機制如下。

1)正常磨損。通過距離傳感器監測感應距離判斷。

2)刀圈偏磨。刀盤正常運轉時，滾刀轉動情況可以通過滾刀轉速判斷。

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。與嚴重時的正常磨損情況類似。

2.2安裝結構

滾刀磨損監測裝置的安裝結構設計需要考慮滾刀刀箱空間尺寸限制、出渣流暢、防護強度及安裝方便等因素，結構方案的設計有外置集中式、外置分體式和內置一體式3種。由于外置集中式結構和外置分體式結構存在結構尺寸過大、影響出渣和滾刀拆裝不便等缺陷，因此，在不斷的優化設計過程中，內置于刀箱壁板的內置一體式結構方案優勢突顯。內置一體式結構設計不僅解決了由于尺寸過大和安裝位置受限所導致的出渣問題，而且大大提高了監測裝置的防護性和使用壽命。滾刀磨損監測節點的安裝結構如圖2所示。

圖2　安裝結構

2.3系統結構

滾刀磨損的實時監測系統由終端節點、中繼路由和上位機監控系統組成，系統結構如圖3所示。

圖3　系統結構

終端節點安裝于相應的滾刀刀箱內，中繼路由安裝于土艙隔板上，上位機監控系統設置在盾構的主控制室。終端節點的采樣模塊對滾刀狀態進行監測，獲取相應的信號并傳送給微控單元，經微控單元進行分析處理后的數據以一定的數據格式傳送給無線收發模塊，無線收發模塊對接收的數據包進行調制后發送給中繼路由；中繼路由接收到終端節點的信號后，通過無線收發模塊進行相應的放大解調，并將數字信號以有線通信的方式傳輸到上位機監控系統；上位機監控系統進行相應的處理，將信號轉化為方便操作人員觀測的圖、表等形式，從而實現系統的實時監測功能。當需要切換終端節點的工作模式或工作狀態時，上位機監控系統通過有線通信向中繼路由發送命令，中繼路由通過無線通信將命令下發給終端節點，從而實現系統的實時控制功能。

終端節點隨滾刀和刀盤轉動，其采集的數據從轉動的刀盤傳輸到主控制室，因此，采用無線傳輸方式采集數據無疑是最佳途徑。在具有代表性的滾刀處布置終端節點，每個終端節點具有磨損監測、轉動監測、溫度監測和無線數據發射等功能模塊，這些功能模塊統一由高容量鋰電池供電；每個終端節點具有唯一的身份標識，在布置系統時將各終端節點與滾刀在刀盤上的位置一一對應。各個終端節點按照既定的工作節拍和工作模式將采集的數據經無線發射裝置發射，安裝于土艙隔板上的無線接收裝置將各個終端節點采集的數據進行收集和轉換，以串口通訊方式傳輸至盾構主控制室的上位機監控系統。

3實驗驗證及結果分析

3.1實驗方法

該實時監測系統將磨損監測傳感器安裝于滾刀刀刃處，通過該傳感器監測滾刀刀刃的存余量，并將其與原始數據對比得到滾刀圓周方向的磨損量；同理，將轉動監測傳感器安裝于刀轂處，通過該傳感器監測滾刀圓周方向的轉動位置和速度。磨損監測與轉動數據相結合可以繪制出滾刀的輪廓數據，根據輪廓數據可以判斷滾刀的失效狀況。

終端節點還具有溫度監測功能，可以直接監測滾刀周圍渣土的溫度，溫度監測值的變化規律可以為滾刀偏磨、渣土改良、結泥餅等情況的研判提供重要的參考信息。

在某工程現場進行系統測試，將終端節點安裝于相應的滾刀刀箱內，路由安置于密封艙隔板上，開啟盾構系統使刀盤旋轉。通過數據線將信號傳送至PC上位機，通過上位機監控系統可以實時監測滾刀的磨損和工作狀態。上位機監控系統如圖4所示。PC 上位機采用 LabVIEW 編程，實現了 PC 上位機與中繼路由之間的通信，將接收到的數據以圖片及表格的形式顯示。

圖4　上位機監控系統

3.2實驗結果分析

滾刀磨損和滾刀轉速等信息通過上位機系統的處理，轉換為相應工程單位的數值。以節點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表示節點接收路由的信號強度，前半圈表示滾刀前半圈的輪廓數據。標定數據如表1所示，采樣值表示終端節點采集的數值，位移表示傳感器與滾刀的感應距離，是采樣值轉換后的工程數值(即標定值)。

圖5　工作數據

根據圖6的輪廓數據和表1的標定數據可知，該滾刀前半圈的磨損量從7～32 mm呈現不斷增大的趨勢。如果滾刀和刀盤轉速正常，則認為正常磨損，否則認為刀圈偏磨；如果采樣值出現嚴重的脈動信號，則認為刀圈崩裂；如果采樣值持續一段時間不在標定數據范圍內，則認為刀圈移位或脫落。該系統能夠在盾構滾刀惡劣的工作環境下監測滾刀的磨損情況，其磨損監測精度可達到1 mm；能夠可靠地判斷滾刀的磨損狀態，監測其是否有偏磨、破損、停轉等異?，F象，當監測到異常值達到設定的標準時，系統將發出報警和提示信息，預測其失效程度和狀態。

圖6　輪廓數據

4結論與討論

本文在分析滾刀磨損狀況及原因的基礎上，建立一套滾刀磨損的無線實時監測系統，給出了具體的系統實現方案。通過工程現場實驗，表明該系統的刀具磨損監測結果與實際換刀情況相吻合。

表1　標定數據

由于現場工況的復雜性，該系統在以下方面有待進一步優化： 1)無線通信方面。系統在現場工作時偶爾會出現通信不暢的情況，因此，需要對天線的選擇及其保護方案做進一步優化，確保無線通信的暢通。2)傳感器精度方面。滾刀發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行標定，從而提高測量精度。

該系統的應用將為復合盾構在各種地層，特別是砂卵石、硬巖地質條件下滾刀的磨損情況在線監測、換刀方案的制定等帶來便利，而其應用范圍并不局限于此，對于其他刀具、刀盤面板等關鍵部位的磨損、振動及土艙渣土的溫度等狀態信息，都可以植入該終端節點系統進行監測?？梢越⒌侗P在線綜合監測系統進行實時數據的采集和分析，為科學統籌施工、智能化掘進提供重要手段。

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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

文獻標志碼：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年畢業于鄭州大學，機電工程專業，碩士，高級工程師，現從事隧道施工設備自動化控制系統設計工作。E-mail: goszh@sohu.com。

基金項目：中鐵工程裝備集團科技創新計劃資助項目(裝備研合2012-12)

收稿日期：2014-09-11； 修回日期： 2016-02-23