刮刀及撕裂刀磨損實時監測系統

卓興建， 路亞緹

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州　450016)

0　引言

刀具維護是盾構應用過程中的重要環節。目前，盾構操作司機無法在掘進過程中觀察刀具磨損情況，對刀盤、刀具進行檢查時必須停機，且進行人工檢修前施工作業人員需要大量的準備時間，這在很大程度上影響了掘進速度[1]。此外，在檢修過程中，由于刀盤、刀具處于未支護區域，因此會對檢修人員造成一定的安全風險[2]。因此，刀具可視化管理問題一直是盾構行業研究的關鍵課題。

現有監測刀具磨損的主要方法包括： 1)基于液壓油式的刀具磨損系統[3]，其故障率較低，維護簡單，缺點是不能實時監測磨損情況，只有刀具磨損到失效時才有信號輸出； 2)基于超聲波定位的監測系統[4]，其也可實時監測刀具磨損量，但對通訊要求較高，如何把信號很好地從發射端傳輸至接收端是其技術難點，且對防護要求較高，供電時間有限。

本文論述的盾構刀盤磨損實時監測系統可以使盾構司機綜合盾構掘進環數及掘進里程合理地判斷是否需要更換刀具，為優化盾構施工提供了可靠的基礎數據和技術支撐。

該系統能夠降低人力消耗和作業風險，增加刀盤刀具的使用壽命，實現刀具磨損量的可視化管理，輔助盾構司機判斷是否需要更換刀具，提高盾構的工作效率，對新一代的智能、高效、安全及人性化盾構研發具有重要意義[5]。

盾構刀具磨損實時監測系統采用電阻變化原理測量刀具磨損量，經信號采集并轉換為串口信號，傳輸至滑環，再至接收端，最后由PLC模塊直接采集并顯示至上位機。

此套系統可監測6路刮刀和撕裂刀的實時磨損量，監測精度為2 mm，監測范圍為0～40 mm，可在刮刀及撕裂刀磨損量達到一定值時預警。

1　系統總體設計

刀具磨損實時監測系統由傳感器子系統、控制與數據傳輸子系統和標準信號輸出3部分組成。傳感器子系統包括傳感器和放大器，通過刀梁內的防護，可以保證傳感器不損壞且通訊信號良好。傳輸子系統通過滑環來實現。輸出系統由接收模塊輸出的6路標準電流信號輸入到上位機，以實時顯示刀具磨損量。刮刀磨損監測系統如圖1所示。

圖1　刮刀磨損監測系統

該系統的傳感器采用電阻變化原理測量刀具磨損量，電路板外側填充環氧樹脂膠進行絕緣。以電滑環為中間橋梁，接收儀器采用220 V供電。接收儀器一方面將220 V電壓轉換成24 V電源，供電給放大器和傳感器；另一方面通過電滑環接收放大器發送的傳感器電信號。放大器以300 ms的頻率發送傳感器的磨損量信號，接收器接收485的串行信號并進行轉化，輸出4～20 mA信號。此信號可由PLC的AI模塊直接接收，并做相應的程序處理。磨損量傳輸至上位機，供盾構司機參考判斷。刮刀及撕裂刀磨損實時監測系統的工作流程如圖2所示。

2　系統基本組成

2.1　復雜工況下的通訊系統

電滑環可實現刀盤傳感器的供電及通訊數據的傳輸，是實現2個相對轉動機構數據信號傳輸的精密輸電裝置，特別適合應用于無限制連續旋轉且需要從旋轉位置到固定位置傳送數據的場所。

圖2　刮刀及撕裂刀磨損實時監測系統的工作流程

基于中鐵裝備土壓平衡盾構的結構，設計時把電滑環安裝于回轉中心后側，電滑環的轉子跟刀盤同步。在回轉中心面上開一個直達土艙的M20通孔，滑環內側圓轉子部分出線端經回轉中心和土艙接入刀盤刀梁內放大器，轉子線中間用航空插頭進行連接，便于刀盤的安裝與拆卸；滑環外側定子部分出線端接入盾體接收儀器內。電滑環結構如圖3所示。電滑環的參數如表1所示。

圖3　電滑環結構(單位： mm)

2.2　復雜工況下傳感器的防護系統

在復雜工況下，為了不影響刀具的強度，需要保證嵌入到刀體內的傳感器牢固可靠，防水等級較高，同時需要滿足測量精度。傳感器的結構設計和傳感器的安裝是滿足上述條件的關鍵。

表1　電滑環參數

傳感器本體尺寸如圖4所示。傳感器前段(直徑4 mm、長48 mm的部分)為磨損敏感區域，后端直徑8 mm的部分為器件電路區。工作時，敏感區隨刀刃一同被磨損。

圖4　傳感器尺寸 (單位： mm)

傳感器及連線尺寸和外形如圖5所示。每個傳感器尾部出線(4芯屏蔽線)長度為200～250 mm，并連接至防水插頭，構成傳感器的整體結構。圖5中，線ab左側部分(包括防水插頭的一半)為傳感器的整體結構，右側部分(包括防水插頭的另一半)位于刀盤刀梁內部。右側的線纜部分從刮刀及撕裂刀處經液壓防護管至刀梁內放大器。

圖5　傳感器及連線尺寸和外形

刮刀及撕裂刀的開孔尺寸會影響傳感器的測量準確度。根據圖6和圖7所示的位置，先在刮刀和撕裂刀上打孔以安裝傳感器。通孔有傾斜角度，確定通孔傾角的原則是： 孔軸線與刀刃側表面平行，孔軸線與刀刃側面的距離越小越好。在敏感區域通孔直徑為5 mm，比傳感器大1 mm，對應傳感器尾座部分的直徑為9～10 mm，各段長度與傳感器一致。特別需要注意的是，傳感器前側區域直徑不能超出敏感區域直徑1 mm，否則會引起測量誤差。刮刀和撕裂刀開孔位置及尺寸分別如圖6和圖7所示，選擇刀具前段2個刀刃之間的中央部位作為傳感器的安裝位置。若刀具前段孔的直徑大于5 mm，則會增大傳感器的測量誤差，故應先嵌入鋼柱堵上該孔，再重新按尺寸打孔。

撕裂刀通過螺栓固定連接在刀盤底座上，而傳感器底部設計為插頭形式，并將插頭部分置于安裝底座孔內，之后緊固螺栓，完成撕裂刀(含刀具磨損檢測)的安裝。撕裂刀傳感器的灌膠安裝如圖8所示。刮刀傳感器的灌膠安裝如圖9所示。刮刀的安裝結構(螺栓固定)和對傳感器裸露線的防護設計如圖10所示。

圖6　刮刀開孔位置及尺寸 (單位： mm)

圖8　撕裂刀傳感器的灌膠安裝

圖9　刮刀傳感器的灌膠安裝

(a) 刮刀安裝(b) 刮刀防護設計

圖10刮刀安裝及防護設計圖示

Fig. 10Installation method and protection design of scraper cutters

2.3　傳感器的安裝工藝

采用WL-036型環氧樹脂(環氧樹脂本體和固化劑)固定傳感器。將環氧樹脂本體質量與固化劑質量按1∶1混合攪拌2～4 min，然后靜置3～5 min，待大氣泡溢出。將攪拌后的膠液沿孔壁緩慢倒入孔內(防止空氣堵在小孔中形成氣孔)，攪拌和靜置時間不超過10 min，否則膠液將開始固化，流動性將變差。倒入孔內的膠液離端口約15 mm時，將傳感器緩慢插入，膠液將覆蓋傳感器的頂端并與孔的上平面平齊。

澆筑前，先用酒精棉球清除安裝孔內的油漬，以確保環氧樹脂與刀具材料的黏結強度。澆筑時，下面的小孔用膠帶紙封住，并用強磁鐵片吸住小孔，防止膠液外流。當澆筑完成2/3時，將傳感器插入孔內至孔底，待靜置24 h之后，傳感器澆筑完成。澆筑過程中及澆筑后傳感器狀態示意圖如圖11所示。

2.4　CPU選型及IO模塊確定

CPU的選型是數據資源控制傳輸的關鍵，需考慮通訊接口、程序塊數據限制以及是否有PROFINET主從接口等。鑒于以上幾個方面并參考文獻[6-9]，本項目選用BECKHOFF的BK9103作為主控制器。該CPU可連接多個通訊模塊，且占用空間較小，可節省寶貴的空間，提供最高效率和最大靈活性，完全滿足項目需要。

(a) 澆筑過程中傳感器狀態(b) 澆筑后傳感器狀態

圖11澆筑過程及澆筑后傳感器狀態示意圖

Fig. 11Sketches of sensor during and after casting

IO模塊的確定取決于需要幾個輸入點(數字量及模擬量)和輸出點。DI是數字量輸入模塊，選型時根據輸入的點數和按鈕(開關)的距離等進行綜合考慮；DO是數字量輸出模塊，主要控制外部設備；AI是模擬量輸入模塊，由傳感器的點數、傳感器輸出的信號(電流或電壓)決定；AO是模擬量輸出模塊，一般分為電壓和電流2種，常見的電流為4～20 mA，電壓為 0～10 V。本項目選用IO模塊倍福KL3458，該模塊有8路輸入點(4～20 mA )。

3　系統工作原理

3.1　磨損傳感器測量原理

電阻排式刀具磨損傳感器的工作原理是將電阻排作為傳感器內部電路板的主體，對其采取并行連接；然后，根據事先設計的測量精度以及總的電阻值和磨損量之間的線性關系，得出設計的每個電阻的阻值[10]。根據總電阻的變化與磨損量之間的線性關系，可以得出總阻值的變化，進而計算出刀具的磨損量。以此原理設計出如2.3節所述的安裝方式，實現刀具磨損與傳感器的同步磨損。然后，根據傳感器總阻值變化量計算出刀具磨損量。傳感器總阻值變化量

ΔR=(R×X)/L=KL×X。

(1)

式中：R為傳感器總電阻；X為磨損量； 傳感器的磨損范圍為0～L；KL為單位長度的電阻，當導線材質分布均勻時為常數。

傳感器的靈敏度

S=dR/dX。

(2)

3.2　滑環供電通訊傳輸原理

因刀盤和刀具與盾體呈相對運動狀態，故設計了電滑環的通訊連接，使傳感器線的輸出端可直接與盾體的接收端連接[11]。

電滑環可以解決刀盤360°無限制旋轉的供電和通訊問題，能更好地傳輸動力和信號，供電和傳輸信號在滑環內集中，完全能避免動力與信號間、信號與信號間的干擾問題，且能防止外界對滑環內部的電磁干擾。電滑環轉子出線處設計一個M20的防水接頭，防止前方涌水進入盾體，電滑環防護等級設計為IP67。電滑環內部電刷采用貴金屬合金材料，因刷束由多根刷絲組成，能夠確保與金屬環的多點接觸，進而提高導電效率，且因多根刷絲自身的彈性減少了接觸壓力。這些特性保證了滑環的穩定性及耐久性。如果中途滑環出現信號傳輸異常，可在滑環轉子出線處連接一個航空插頭，快速拆卸并維修電滑環。

電滑環由定子、轉子、電刷組件和固定支架等部分組成。電滑環定子線和轉子線連接部分采用灌膠處理，防護等級可達到IP67。為保證電刷與電滑環的導電環充分接觸，導電環被設計成V形環。另外，電刷絲是靠彈性壓力與V形環槽的滑動接觸來傳遞信號及導通電流的。

4　系統試驗結果

該套刮刀磨損監測系統在2017年應用于北京新機場線地鐵項目(磁各莊站—1號風井區間)。該項目全長43 km，其中，高架和地面線長18.2 km，U型槽和地下線長24.8 km，共設3座車站，全部為地下站，分別為新機場北航站樓站、磁各莊站、草橋站。其中，磁各莊站—1號風井區間的地層為第四紀沖洪積層，以卵石、圓礫、砂土等粗粒土為主，其次為黏性土和粉土等細粒土。

系統的監測周期為2個月，采樣頻率為300 ms。掘進至115環時，刀具磨損監測點4和監測點6出現異常情況。監測點4出現40 mm磨損量，且出洞后從該監測點得到的電流是20 mA，總電阻是無窮大。經驗證可知監測點4出現了斷線的情況。經拆開天窗(如圖12所示)檢查發現，在刀盤內布置的傳感器線出現斷線，與驗證相符。監測點6通過萬用表量得的電流是0 mA，2線和3線之間的電阻只有1.7 Ω，判定為短路。

4.1　測量數據結果

上位機采集的刀具磨損量數據結果見表2，出洞后經過手動測量得出以下數據： 1)1路電流值為7.0 mA，2路為7.3 mA， 3路為6.1 mA， 4路為20 mA， 5路為6.5 mA， 6路未顯示讀數(無窮大)。2)電阻值見表3。

圖12　刀盤天窗位置

注： 監測磨損量為出洞后放大器和接收儀器供電通訊連接后測得的結果值； 實際磨損量為人工測得的磨損值。

表3　出洞后的電阻值

由測量結果可知4路和6路傳感器損壞，其他傳感器正常。

4.2　傳感器損壞的判定與分析

1) 測量過程： 用萬用表電阻檔測量傳感器2號(橙色)及3號(藍色)之間的電阻值(兩端代表傳感器電路板的總阻值)。

2) 測量標準： 信號輸出端1線和2線之間電阻范圍為2～3 Ω，3線和4線之間電阻范圍為2～3 Ω，2線和3線電阻范圍為10～50 Ω。

根據其他完好的傳感器讀數，通過電流值與磨損量的線性關系進行計算，得出1、2、3、5路的磨損量分別為7.50、8.25、5.25、6.25 mm。與實際磨損量(見表2)進行對比，誤差約為2 mm。由此可知此套系統測量準確，且可同時測量刮刀及撕裂刀的磨損量。

5　結論與討論

該系統傳感器精度較高，通用性較強，適用于土壓平衡盾構和泥水平衡盾構。用于泥水盾構時，需將采集儀器放置于泥水艙隔板后側與刀盤剛性連接處，可有效降低故障率。

此系統還需加強防護以避免震動導致航空插頭松動或導線斷裂，同時需要避免進水導致線路短路。工業性應用中發現刀盤劇烈震動會影響信號，造成航空插頭松動或導線斷裂，導致采集數據為40 mm。此外，由于環氧樹脂膠適用于5 ℃以上環境，而刀盤刀具在掘進過程中溫度為60～80 ℃，所以采用環氧樹脂膠固定傳感器不會影響傳感器及信號傳輸。此系統現場試驗周期僅2個月，且刮刀及撕裂刀磨損量很小，很難驗證系統長期的穩定性和耐久性。在后期工業性試驗中需加強防護，并不斷進行系統優化，延長試驗周期以驗證電滑環的耐久性以及在高溫、高壓、劇烈震動等惡劣條件下環氧樹脂的穩定性。

此套系統是針對中鐵裝備盾構特點而設計的刮刀及撕裂刀磨損監測裝置。該系統可測量刮刀及撕裂刀的磨損量，避免人工進艙檢查刀具磨損，降低了人力消耗和作業風險，延長了刀盤刀具的使用壽命，實現了刮刀磨損量的可視化管理，人性化地輔助盾構司機判斷是否更換刀具，為優化盾構施工提供了可靠的基礎數據和技術支撐，對新一代的智能、高效、安全及人性化的盾構開發和研究具有重要意義。