盾構機刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)設計與開發(fā)

文/馬強 孟祥波 魏曉龍 郭俊可 林福龍

（中鐵工程裝備集團有限公司 河南省鄭州市 450016）

近年來隨著國內地下空間開發(fā)的快速發(fā)展，大型隧道掘進機（盾構機）得到廣泛應用，其中穿山跨河的硬巖TBM和大直徑泥水盾構項目也陸續(xù)增多，此類設備多用于開挖圍巖完整性較好、巖石硬度較大的地層，因此帶來的一個突出問題就是刀具會快速磨損。

一般來說，盾構刀具尤其是刀具外緣材質為硬質合金，硬質合金具有較高的強度和硬度，耐磨性好[1]，但材料和工藝等決定其造價成本較高，需要盡可能物盡其用；施工過程中換刀或檢查需要開倉或者帶壓進倉，該過程既影響工期又有一定危險性，且代價亦不菲[2]；以上決定施工過程中應盡可能減少換刀頻次。但是盾構刀盤刀具整體設計決定每把刀有自己的軌跡，一旦其中一把刀出現(xiàn)類似崩刃等故障情況，會迅速影響相鄰刀具，減少其使用壽命，進而影響刀盤整體和整個開挖面，最終嚴重影響施工效率和能源利用率帶來一系列問題，因此當?shù)毒叱霈F(xiàn)故障時需及時更換。綜合以上，一方面希望減少換刀頻次，一方面故障時需要及時更換，這就需要對盾構刀具的磨損程度、磨損類型等情況進行實時檢測，從而為是否需要換刀提供判斷依據(jù)。

目前國內外在這方面的應用研究較多，有些已開發(fā)出成套系統(tǒng)，并實驗性應用在一些隧道掘進機上，例如張厚美等[3]通過其他盾構掘進參數(shù)計算推導出刀具磨損狀態(tài)，是一種預測方法；趙紅霞[4]通過電渦流傳感器對刀具磨損直接測量；石振明等[5]通過在盾構機前艙安裝攝像裝置，采集刀具的圖像并與刀具原始三維模型對比測定刀具磨損，這些系統(tǒng)都是為了研究測試某種盾構刀具磨損檢測方法，在盾構機的個別刀具上安裝系統(tǒng)進行磨損檢測，并沒有成套裝備到盾構機并監(jiān)測盾構機所有刀具磨損狀態(tài)以及在軟件中記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)圖表化顯示。國內中鐵裝備公司作為盾構機生產商在該領域進行了大量長期的實踐測試，最終設計開發(fā)出一套能用于實際且性能可靠的刀具磨損檢測及監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)已在中鐵裝備產盾構機上推廣應用。

1 磨損類型與系統(tǒng)框架

一般刮刀磨損檢測較容易，這里特指滾刀的刀具磨損。滾刀磨損速度與地質條件、掘進參數(shù)、渣土改良等情況相關，滾刀刀具常見的磨損和損壞主要有以下幾種類型[6，7]，如圖1：

（1）圓周磨損；

（2）偏磨；

（3）刀圈斷裂；

（4）刀圈斷裂后脫落。

綜合分析以上故障類型，距離傳感器檢測感應刀圈厚度距離、轉速傳感器檢測滾刀轉速、溫度傳感器檢測刀具溫度，將三種傳感

圖1：滾刀磨損類型

器采集到的信息進行綜合對比分析即可判斷大部分滾刀故障。考慮到刀具處于充滿泥水的工作環(huán)境，要確保傳感器采集數(shù)據(jù)的有效性、可靠性，兼顧可快速安裝結構設計的前提下，設計非接觸式檢測方法，同時不影響信號的采集和傳輸。設計還需要考慮高壓沖擊、磨損、潮濕、腐蝕、高溫等不利工況下保證無線發(fā)射信號的強度和電量的使用壽命等問題，需要增加一定的密封和防護。系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

2 軟件系統(tǒng)與預警機制

2.1 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是基于MicrosoftNET Framework架構開發(fā)的針對刀具狀態(tài)檢測硬件的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件，可在Windows 7/Windows 8/Windows 10操作系統(tǒng)上運行。軟件采用典型的三層架構開發(fā)，從上往下依次是界面表示層、業(yè)務邏輯處理層、數(shù)據(jù)庫訪問層，如圖3所示。其中界面表示層采用以DirectX技術為基礎,為2D和3D圖形提供了更好的渲染效果[8]的WPF（Windows Presentation Foundation）技術進行編寫，主要用于人機交互界面的設計；業(yè)務邏輯層采用C#高級編程語言開發(fā)，整個軟件的系統(tǒng)的主要功能和業(yè)務邏輯都在業(yè)務邏輯層處理；數(shù)據(jù)訪問層是數(shù)據(jù)庫的主要控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增、刪、改、查，并將操作結果反饋到業(yè)務邏輯層，考慮到盾構機配置的工控機性能限制和滾刀檢測軟件對數(shù)據(jù)訪問的性能要求，軟件采用輕型關系型數(shù)據(jù)庫SQLite進行數(shù)據(jù)存取操作，SQLite一種開源的、內嵌的關系型數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫功能全、體積很小,不需要擴展的數(shù)據(jù)庫服務,不需要網(wǎng)絡配置和管理[9]。

軟件采用模塊化設計，不同的模塊可實現(xiàn)不同功能的管理和應用。該軟件的核心結構總體上分為：框架界面、數(shù)據(jù)庫訪問、業(yè)務邏輯處理、盾構機PLC數(shù)據(jù)訪問、系統(tǒng)全局設置等,基本功能主要包括實時顯示刀具狀態(tài)信息、實時顯示盾構機狀態(tài)信息、歷史數(shù)據(jù)信息、歷史數(shù)據(jù)曲線信息、參數(shù)設置等。軟件基本功能結構框架如圖4所示。

在界面顯示功能中主要由以下模塊組成：主測量模塊、歷史信息檢索模塊、系統(tǒng)設置模塊。主測量模塊主要包括滾刀磨損、溫度、轉速、刀盤轉速、刀盤推力、刀盤角度、掘進環(huán)號等信息的采集顯示；歷史信息檢索模塊主要包括各參數(shù)歷史數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)曲線的查看；系統(tǒng)設置主要包括數(shù)據(jù)采集周期設置、初始化標定、報警閾值設置、系統(tǒng)信息設置等。如圖5所示。

2.2 預警機制

總體而言軟件系統(tǒng)是以刀具狀態(tài)檢測硬件系統(tǒng)如刀具磨損傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器、無線發(fā)射器、室內采集單元等為依托，利用計算機編程語言、數(shù)據(jù)庫等服務于盾構機刀具狀態(tài)信息檢測、刀具維護與更換的專業(yè)軟件。數(shù)據(jù)有兩個來源，一個來自于安裝于滾刀上的傳感器，主要包括滾刀的轉速、溫度、磨損等狀態(tài)信息，另一個來源于盾構機PLC系統(tǒng)，用于獲取盾構機的推進模式、刀盤轉速、推進力、掘進環(huán)號、刀盤角度等值。軟件將采集到的信息實時顯示在界面上，供現(xiàn)場施工人員及時對刀具當前狀態(tài)做出預判，指導換刀作業(yè)。

采集到的數(shù)據(jù)如磨損、轉速、溫度等刀具狀態(tài)信息會以刀具編號為索引按時間順序存入數(shù)據(jù)庫中，當需要查看刀具歷史數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)曲線時，可以隨時讀取并顯示在界面上。眾所周知，無論是常規(guī)盾構還是大直徑泥水或TBM等，刀盤上均布置幾十到近百把滾刀，每一次檢查刀具磨損情況需一把一把刀挨個檢查，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)頻率約為每分鐘一次，一天大約一千條甚至上萬條記錄，每條記錄均包括特定刀的磨損、轉速、溫度以及相應輔助的盾構掘進參數(shù)包括刀的位置、刀盤轉速、扭矩、擠壓等信息，數(shù)據(jù)量巨大，即使是調取曲線圖快速查詢也是相當大且重復繁瑣的工作量，有一定的施工經(jīng)驗者人工分析一遍需五六個小時。

數(shù)據(jù)預警主要指閾值判斷，其邏輯原理圖如圖6。閾值判斷主要通過設置特定閾值，當參數(shù)滿足閾值變化時即可判斷為某種故障，比如當滾刀出現(xiàn)偏磨、斷裂或回退現(xiàn)象時，測得的磨損值會出現(xiàn)大幅度的突變或者脈沖性突變，故可以通過比較當前磨損測量值與突變臨界閾值以及前一個測量周期內突變值數(shù)量來綜合判斷滾刀是否出現(xiàn)偏磨、斷裂或回退可能，以指導現(xiàn)場施工人員及時檢查和更換刀具。

圖2：滾刀檢測系統(tǒng)框架

圖3：軟件系統(tǒng)框架

圖4：軟件基本功能

但是現(xiàn)場人員往往很難通過已知的現(xiàn)有信息來準確判斷刀具的具體狀態(tài)，比如刀具是否產生偏磨、崩刃、回退、滾刀轉速和溫度是否異常等等，全斷面掘進機刀具智能診斷系統(tǒng)提出了一套綜合的滾刀狀態(tài)智能診斷方法。通過采集刀具轉動過程中的信號，軟件自動選取若干組數(shù)據(jù)曲線作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡訓練集，建立判斷刀具磨損程度大小的故障診斷模型，為判斷刀具實時加工工件的磨損程度提供新的途徑。

圖5：軟件主測量界面

圖6：閾值判斷邏輯圖

實際使用過程中閾值判斷占用系統(tǒng)資源較少可以實時判斷，智能識別占有系統(tǒng)資源較多，可長時間停機或一環(huán)結束拼管片等空閑時間進行計算，并將結果生成報告，兩種方法的分析結果結合起來可互為輔證。

3 總結與展望

本文從系統(tǒng)整體框架以及數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)形象化展示及分析、數(shù)據(jù)預警機制等軟件方面重點論述了刀具磨損檢測及監(jiān)控系統(tǒng)的設計，并成功推廣應用于中鐵裝備產盾構機上。以中鐵306號大泥水盾構為例，系統(tǒng)應用后得到如下結論于展望：

（1）施工方在盾構機掘進過程中掌握著刀具狀態(tài)，為統(tǒng)籌換刀方案提供了科學依據(jù)。

（2）對采集的數(shù)據(jù)進行本地存儲，并根據(jù)閾值判斷預警機制對數(shù)據(jù)實時處理，然后通過界面刀具軌跡圖、刀具分布圖、刀具輪廓圖、數(shù)據(jù)曲線圖等多種圖示功能，清晰直觀的為施工人員提示刀具磨損狀態(tài)報警信息。

（3）系統(tǒng)從刀具磨損狀態(tài)數(shù)據(jù)機盾構機掘進數(shù)據(jù)中自動選取若干組相關數(shù)據(jù)曲線作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡訓練集，建立判斷刀具磨損程度大小的故障診斷模型，可進一步開發(fā)智能化刀具磨損報警，為盾構機智能化節(jié)約化施工提供新的思路。