TBM掘進刀具磨損實時監測技術及刀盤振動監測分析

張曉波， 劉泉聲， 張建明

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TBM掘進刀具磨損實時監測技術及刀盤振動監測分析

張曉波1， 2， 劉泉聲1， 2， 張建明3

(1. 武漢大學土木建筑工程學院， 湖北 武漢 430072； 2. 武漢大學巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430072； 3. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

受制于施工環境，TBM(tunnel boring machine)刀具磨損及刀盤振動實時監測問題一直難以解決。基于此，對滾刀和刮刀分別提出了基于電渦流傳感器及電阻格柵的磨損實時監測系統，并通過試驗建立了輸出電壓信號與磨損量之間的關系； 同時，對吉林引松工程直徑為8.03 m的隧道掘進機進行刀盤振動現場監測,并對振動響應進行時域及頻域分析。結果表明： 在一定地質條件下，隨著貫入度的增大，刀盤振動值逐漸變大； 刀盤空轉頻域曲線表現為局部峰值、整體幅值較小的特點，正常掘進時振動幅值明顯較大的幾個頻率范圍與刀盤空轉時幾個波峰對應的頻率范圍相同，在制作刀盤時其固有頻率要盡量避開這幾個頻率范圍，防止產生共振。

TBM； 刀具磨損； 電渦流傳感器； 電阻格柵； 刀盤振動監測； 振動響應分析

0 引言

滾刀及刮刀作為TBM直接與巖石接觸的部件，極易磨損，由于磨損破壞而引起的刀具檢查、刀具更換占施工總時間的30%～40%，刀具更換費用占施工成本的1/3[1-2]。過度磨損會增大刀具及刀盤的溫度及振動而加速刀具破壞[3]，因此有必要進行刀具磨損實時監測，對磨損超限及已經破壞的刀具進行更換。目前監測刀具磨損量的方法主要有： 維爾特公司研發的一種有異味添加劑的滾刀[4]； 王茂[5]設計的一種基于液壓油系統的滾刀磨損監測系統; 張斌等[6]設計研究的一種光柵式滾刀磨損在線監測系統； 海瑞克公司研發的預埋壓力傳感器和預埋線圈的刮刀[4]; 張明富等[7]設計的一種通過超聲波回聲定位監測刮刀磨損量的方法； 侯振德等[8]設計的一種電阻棒，能感知刮刀磨損量的大小。以上使用液壓式傳感器或異味氣體的方法只有當滾刀磨損至破壞失效時才能監測到磨損信號，此時再采取措施顯然有些措手不及，而光柵式滾刀磨損在線監測系統的激光束會受巖渣等的阻擋，使測量結果不準確。海瑞克公司以及文獻[7-8]所設計的方法雖然可以實現對刮刀磨損量的實時監測，但不足之處在于均需對刮刀進行改進，這可能會對刮刀整體結構的強度和穩定性產生影響。為解決這些問題，本文研發了刀具磨損實時監測系統。

刀盤振動會引起螺栓松動、軸承磨損等很多問題，甚至導致刀盤解體[9]，有必要對其進行研究。現階段通過理論研究、數值模擬[10]等難以獲得刀盤振動準確值，且由于工作環境極其惡劣，對于傳感器的選取及數據傳輸有很多難以解決的問題，對刀盤振動現場監測難度很大，少有人涉及。本文對吉林引松工程隧道掘進機進行刀盤振動現場監測，分析振動響應，以期為合理設計刀盤及設置掘進參數提供依據。

1 滾刀磨損實時監測技術

1.1 工作原理

TBM滾刀磨損實時監測系統由磨損感知模塊、數據處理模塊及無線傳輸模塊3部分組成。刀圈磨損量的感知通過電渦流傳感器實現，輸出信號通過處理器運算處理后由無線發射模塊以信號的形式發射，在刀盤的另一端TBM主控室內就可以通過無線接收模塊接收到信號，從而實時獲得磨損信號，實現對刀具磨損的實時監測。

1.2 電渦流傳感器

電渦流傳感器是一種利用金屬材料在交變磁場中的電渦流效應制成的傳感器[11]。將其置于刀座與滾刀之間，焊接于刀座上，能夠非接觸地測量傳感器探頭到滾刀的距離，并轉化為電壓信號。隨著滾刀的磨損，二者之間距離變大，電渦流傳感器的輸出電壓隨之變化。

由于電渦流傳感器對測量金屬體的表面積有一定要求，且本身也可能存在一定的測量誤差，故在應用前需要對其進行輸出電壓與磨損量的標定，如圖1所示。采用直徑為30 mm、量程為40 mm的電渦流傳感器和43.18 cm(17英寸)滾刀刀圈，得到磨損量與輸出電壓之間的關系，如圖2所示。

從圖2可以看出，磨損量與輸出電壓之間為一一對應的關系，因而在應用時可以通過獲取的電壓值直接轉化為磨損量值，從而實現對滾刀刀圈磨損量的實時感知。

圖1 磨損量與電壓關系的標定

圖2 磨損量與傳感器輸出電壓的關系

1.3 數據處理模塊

電渦流傳感器輸出電壓最大值為10 V，超過了處理器ADC模塊的參考電壓3.3 V，需要進行衰減；同時，在對電壓信號進行采樣時可能會受到TBM工作的影響而摻雜高頻噪音，需要進行低通濾波。調理電路主要分為濾波部分和電壓衰減部分，二者通過OPA2234元件實現兩級運放，最終頻率高于20.2 Hz的噪音信號被濾除，電壓值衰減為0.68～2.77 V，能夠進行A/D轉換。

數據處理采用STC80C51單片機[12]，處理速度快，抗干擾能力強，包含ADC模塊，雙串口，帶4路PWM，有良好的加密性。單片機功能模塊及應用系統如圖3所示。

滾刀磨損實時監測系統中，單片機通過引腳與電渦流傳感器相連，讀取傳感器輸出電壓值，由內置的A/D轉換模塊將模擬電壓信號轉換為數字信號，并在單片機內部編程進行數據處理； 然后根據電渦流傳感器的標定曲線將所測電壓值轉換為刀圈實際磨損量； 最后通過外聯的無線信號發射模塊將數據發送出去。

1.4 無線信號收發模塊

選用Zigbee無線信號收發裝置[13]，它是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通訊技術。設備體積小，方便安裝，適用于TBM刀盤狹小的工作環境；設備功率低，電源可長期使用，避免頻繁進出刀盤更換電源；設備傳輸信號穩定，受TBM工作等噪音的影響較小，傳輸距離遠，可以滿足實際使用要求。

Zigbee無線信號發射模塊位于刀盤背面(具體位置可現場選擇，以距離近、安全、不影響TBM工作為基本要求)，它將單片機處理后所得的磨損量數據傳送出去，被接收模塊接收后，以圖表等形式顯示于電腦終端，便于操作。

2 刮刀磨損實時監測技術

2.1 工作原理

自主完成刮刀磨損實時監測系統的研制。該系統也由磨損感知模塊、數據處理模塊及無線傳輸模塊3部分組成。工作原理為： 電阻格柵貼合于刮刀表面，隨刮刀的磨損而磨損，電阻格柵阻值的變化引起閉合電路中定值電阻兩端的電壓變化；單片機處理器捕捉定值電阻兩端的電壓，并將模擬電壓信號處理為數字信號之后通過無線發射裝置發出；無線接收裝置接收數字信號，處理器依據電壓信號與磨損值之間的對應關系將電壓信號轉換為磨損量，顯示在電腦終端，如圖4所示。

圖4 刮刀磨損實時監測系統原理圖

2.2 電阻格柵

相比阻值較小的鎳鎘電阻絲，選用阻值范圍更大并且尺寸較小的碳膜電阻。由于刮刀磨損量超過2 cm就會嚴重影響掘進機的掘進效率，需及時換刀，故用13根碳膜電阻等間距并聯而成、有效磨損測量距離為2 cm的電阻格柵，并用固化后的環氧樹脂透明AB膠作為外層保護劑，如圖5所示，其靈敏度為1.4 mm。

在現場應用之前，需事先對定值電阻兩端電壓值(回路電壓)與磨損量的定量關系通過磨損試驗進行標定。磨損回路中，電阻格柵和定值電阻串聯相接，電源電壓為3.2 V，定值電阻阻值為500 Ω，碳膜電阻阻值為2 kΩ。利用電磨機對電阻格柵均勻打磨，試驗結果如圖6所示，磨損量與輸出電壓之間呈現出一一對應的關系。

圖5 電阻格柵

圖6 電阻格柵磨損量與回路電壓關系

Fig. 6 Relationship between wear amount of resistance grid and voltage

2.3 單片機處理系統

刮刀磨損實時監測系統采用與TBM滾刀磨損實時監測系統同一型號的STC80C51單片機，二者功能模塊及應用系統均相同，不同的是，單片機通過引腳與定值電阻相連，讀取其兩端電壓值。

2.4 無線數據傳輸模塊

掘進機工作環境惡劣，利用有線方式傳遞信號難度很大，因此，選用NRF24L01無線收發器作為無線數據傳輸模塊[14]。它具有良好的兼容性和擴展性，幾乎可以連接到所有類型的單片機芯片，完成數據無線傳送工作；設備傳輸速率快、體積小、工作電壓低，可由單片機的電源提供電源供給而無需自帶電源。

NRF24L01無線發射裝置位于刀盤背后的防水盒內，將電壓信號轉換成的數字信號發出，被無線接收裝置接收后，由處理器再轉換為磨損量，最終顯示在電腦終端。

3 TBM刀盤振動監測分析

3.1 TBM刀盤振動監測系統

該系統包括無線加速度傳感器、無線網關和數據采集處理軟件。

三軸加速度傳感器型號為A302EX。它是基于壓電效應原理，通過測量輸出電壓來實現對3個相互垂直方向上加速度的測量。能將數據通過內部自帶的無線信號發射裝置發出，避免了布線困難的問題，體積小，能滿足刀盤振動的現場監測。

無線網關型號為BS951，由無線數據收發節點控制、協議轉換、標準ModBus協議通信等模塊組成，能同時接收數十個無線加速度傳感器發射的信號，以實現對刀盤不同位置處振動情況的監測。

數據采集處理軟件為BeeData，安裝該軟件的電腦終端與無線網關有線連接，可以對無線網關接收的刀盤振動數據信號進行顯示、存儲及分析。

3.2 刀盤振動現場監測

由于刀盤背部空間的限制，不能同時安裝多個傳感器，僅在距離主軸約2 m的位置處安裝了加速度傳感器。整個監測系統的安裝如圖7所示。需要注意的是，傳感器會受到巖渣的劇烈沖擊，所以特制了保護殼，如圖8所示。為防止電磁屏蔽，保證信號的有效傳輸，在保護殼上切割出很多不規則的圓孔。

圖7 監測系統安裝示意圖

監測位置在小河沿豎井段小里程端，樁號為66 345～66 349，巖性主要為石炭系中下統磨盤山組灰巖(主要為黑色、白色相間)，Ⅳ級圍巖，巖溶較為發育，多裂隙，多填充。可能受前方破碎帶的影響(樁號66 200.0左右，影響范圍100～200 m)，掘進有突水，出渣偶見泥漿。

圖8 振動傳感器保護殼

3.3 振動監測數據分析

3.3.1 刀盤振動加速度數據時域分析

現場共監測到TBM 2個掘進循環段的加速度時域信號。第1掘進段為正常掘進情況，如圖9(a)所示，第2掘進段正常掘進不久后便遭遇突水現象，被迫停止掘進，如圖9 (b)所示。刀盤振動主要表現為垂直于刀盤方向的軸向振動[10]，故只分析該方向上的振動情況。

(a) 第1掘進段

(b) 第2掘進段

由圖9可以看出： 在2個掘進循環段中，TBM未掘進時刀盤振動值趨于零，隨著滾刀貫入度逐漸增加至穩定值，TBM刀盤振動值也逐漸增加至最大，當一個循環結束時，滾刀貫入度變為零，刀盤振動值迅速減小再次趨于零；刀盤振動過程中加速度始終圍繞零值上下浮動，偶有跳躍，但總體偏差不大； 滾刀貫入度達到穩定值后，根據掘進時間長短對2個掘進循環段按比例分別取40個和14個有效極值點定量分析； 對于第1掘進段，振動最大值達33 m/s2，平均值為28 m/s2； 對于第2掘進段，因突水只正常掘進了很短一段時間就被迫停機，振動最大值僅為24 m/s2，平均值為20.6 m/s2。

根據上述分析可以得出： 滾刀貫入度是刀盤振動大小的一個主要影響因素，貫入度越大，TBM刀盤振動越強烈； 當振動過于強烈時，可以適當減小滾刀貫入度，減緩掘進速率，以保證刀盤穩定健康運行。

3.3.2 刀盤振動加速度數據頻域分析

對刀盤振動信號進行FFT(快速傅里葉變換)頻域分析[15]。刀盤空轉未切割巖石時的頻域圖及2個掘進段正常掘進時的頻域圖如圖10所示。

(a) 刀盤空轉

(b) 第1掘進段

(c) 第2掘進段

Fig. 10 Vibration spectra of cutterhead when it idling or normally boring

刀盤空轉時，滾刀未切割巖石，TBM電機、液壓系統等工作時引起刀盤在0～1、40～50、80～90、120～130、150～170、200～220 Hz內呈現一個個波峰，但振動值整體來看比較小，對TBM掘進時的刀盤振動影響不大。

TBM穩定掘進時，2個監測時間段內刀盤振動頻譜整體趨勢類似，刀盤振動幅值在各頻率范圍內均有分布，這可能與巖溶較為發育、多裂隙、多填充的圍巖條件有關。穩定掘進過程中刀盤振動比較復雜，但在0～1、160～170、200～210、220～230 Hz內振動幅值明顯變大，與TBM空轉時的頻域圖對比可以發現，這幾個頻域段與空轉時幾個波峰對應的頻域段相重合，可能與電機、液壓系統主要振動頻率在這幾個頻域段有關。因此，制作刀盤時應盡量避免其固有頻率在這幾個頻域段內，防止產生共振。另外，第2掘進段120～130 Hz內也存在一個峰值，而在第1掘進段此峰值不明顯，可能受第2掘進段掘進時間比較短的影響，TBM刀盤振動頻譜還沒有完全穩定成形，這種情況可能會隨著掘進時間的增加而消失。

4 結論與討論

針對TBM刀具磨損實時監測難題，對滾刀和刮刀分別研制了基于電渦流傳感器及電阻格柵的磨損實時監測系統。試驗結果表明，磨損量與輸出電壓之間呈現出一一對應的關系，配合無線傳輸模塊能夠實現刀具磨損的實時監測。但試驗的室內環境與復雜的現場工況差別很大，后續工作有必要在施工現場對該系統進行優化設計，使之能夠滿足現場監測要求。

利用三軸加速度傳感器對刀盤振動現場監測，結果表明TBM在多裂隙Ⅳ級灰巖中掘進時，刀盤振動最大值達33 m/s2，平均值為28 m/s2。滾刀貫入度是刀盤振動大小的一個主要影響因素，貫入度越大，刀盤振動越強烈。正常掘進時幾個頻率范圍內的振動幅值明顯較大，這幾個范圍與刀盤空轉時某幾個波峰對應的頻率范圍相同，為防止產生共振，制作刀盤時其固有頻率要盡量避開這幾個頻率范圍。

目前，刀具磨損與刀盤振動實時監測系統是相互獨立的，把二者整合為一個系統將能有效提高TBM掘進的智能化程度，為主控室實時提供掘進機狀態信息，以保證掘進機能安全高效地掘進。

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Real-time Monitoring Technology for Wear of Cutters and Monitoring andAnalysis of Cutterhead Vibration of TBM

ZHANG Xiaobo1, 2, LIU Quansheng1, 2, ZHANG Jianming3

(1.SchoolofCivilEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,Hubei,China; 2.KeyLaboratoryofSafetyforGeotechnicalandStructuralEngineeringofHubeiProvince,WuhanUniversity,Wuhan430072,Hubei,China; 3.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The real-time monitoring of cutter wear and cutterhead vibration of TBM (tunnel boring machine) are difficult due to the limit of construction environment. As a result, the real-time monitoring systems for wear of hob cutter and scrape cutter of TBM based on eddy-current sensor and resistance grid are proposed; and then the relationship between the output voltage signals and the wear amount is established by test. Meanwhile, the field monitoring of cutterhead vibration of a TBM with diameter of 8.03 m used in Songhua River Water Diversion Project in Jilin province is carried out; and the vibration response is analyzed. The results show that: 1) The vibration value increases with the penetration increases under certain geological conditions. 2) The frequency-domain curve shows the characteristics of local peaks and small overall amplitudes when the cutterhead is idling. Several frequency ranges with larger amplitudes when TBM normally boring are equal to peaks when TBM idling. As a result, the above-mentioned ranges should be avoided when manufacturing.

TBM; cutter wear; eddy-current sensor; resistance grid; cutterhead vibration monitoring; vibration response analysis

2016-08-26;

2017-01-04

國家重點基礎研究發展計劃“973”項目(2015CB058102， 2014CB046904)

張曉波(1991—)，男，河南鄭州人，武漢大學巖土工程專業在讀碩士，研究方向為TBM掘進智能化。E-mail： zxbwhu@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.019

U 455.3

A

1672-741X(2017)03-0380-06