[发明专利]基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置

说明书

技术领域

本发明属于大型施工设备的检测技术，具体涉及一种用于盾构掘进机施工中对刀具磨损量进行监测的装置。

技术背景

盾构掘进机是隧道、地铁建设的大型装备。刀盘带动刀具进行掘进，其中地铁施工所用的刀盘直径6.2-6.4m，刀盘刀具是掘进的关键部件，也是最易磨损和失效的部件，刀具磨损主要是指刀刃和刀体的磨损。刀具的磨损除了无法掘进外也会危及人身安全。施工中实时监测刀具的磨损程度，已成为国外掘进装备生产商竞相开发的核心技术。

目前对刀具检查的有两种：一种是在停机状态下施工人员经过压力仓进入刀盘部位，进行检查及实施操作；另一种方法是在刀盘刀具前端开挖竖井或侧井，施工人员进入刀盘前端实施相同作业。后一种方法成本极高，前一种检查方法虽然直观，但风险大。主要表现为：(1)停机可能造成因周边土体失稳引发重大事故；(2)检查或换刀过程，只有受过专门训练的人员才能承受压力仓内2-5倍大气压力，特别是当施工处于河流、重要建筑物等特殊地段时，因无法适时地判断刀具磨损状态而使得这一问题更为突显。而且上述两种方法均要停机操作，每一次停机都将带来巨大的成本支出。

除了停机检查方法外，目前国内外主要采用阈值检测方法或者是对掘进参数进行估算的方法在线预测刀具磨损状态。

阈值检测法。该方法主要采用添加剂、液压以及嵌入式传感器等来判断刀具磨损状态。添加剂技术的原理是，在刀具内预装异味添加剂或荧光材料，一旦刀具磨损超过许用尺寸，便释放出异味或荧光进行示警。液压传感器技术是在刀具中通入油压，当刀具磨损超过允许尺寸时造成油路泄露进行示警。阈值检测技术对缺陷是：(1)示警信号为开关阈值，无法实现对磨损量的连续监测；(2)传感器信号大多需要采用有线传输方式，这种方式对布线要求高且难于维护。

掘进参数估计法。其基本原理是由理想地质条件下掘进参数(推力、扭矩、掘进速度、功率等)的经验曲线或由半经验公式得到估算值，将实际掘进参数值与估算值进行比对来估计刀具的整体磨损状态。但所得估算值反映的是刀具总体磨损量的均值，其可靠程度受到两方面因素的影响：一是经验曲线或经验公式适应于特定单一地质条件，缺乏普适性。

综上所述，针对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行的行业需求，研究开发刀盘刀具磨损状态安全监测技术，已成为掘进装备工程中急待解决的问题。本发明的提出可对上述难题得到满意的解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种判断挖掘刀具磨损状态的传感器。

基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，具有电阻排、电阻排基座、刀具、橡胶垫、锁母、刀盘、信号放大器、发射天线、土压舱、接收天线、盾构主机舱以及信号接收装置，其结构组成为：由电阻排、电阻排基座和电阻引线插头构成电阻排式刀具磨损传感器，电阻排式传感器镶嵌于盾构机的刀具内。电阻排与刀具接触的部位填充环氧树脂，以保证电阻排与刀具的绝缘。电阻排基座与刀具接触的部位设有橡胶垫，橡胶垫亦具有密封作用，电阻排基座用锁母与刀具固定为一体。刀盘上设有信号放大器，在刀盘背面与信号放大器的相对应的位置设有发射天线，在土压舱内壁与发射天线相对位置设有接收天线，盾构主机舱设有信号接收装置。电阻排式刀具磨损传感器的技术方案是：电阻排由二列或二列以上平行排列的单电阻构成，电阻排以印刷电路方式加工在绝缘衬底上。电阻排外表面涂有环氧树脂绝缘，绝缘衬底与电阻引线插头、电阻排基座三者固定为一体。电阻排上的各个单电阻并联连接，各单电阻之间等间距分布。接收天线设有三支，呈120°分布。

电阻排式刀具磨损传感器的工作原理是：安装在绝缘衬底上的电阻排作为传感器主体，因为该电阻排被安装于挖掘刀具的内部，电阻排(传感器)顶端与刀具的刀刃平齐。当刀具被磨损时绝缘衬底以及单电阻自身也被同时磨损乃至断裂，从而导致传感器自身输出的总电阻发生变化。事先设计出每个电阻的阻值，设计总电阻与刀具磨损量之间为线性关系，测量出此总电阻的变化即可得到刀具的磨损量。总电阻的变化通过电阻排基座上的电阻引线插头输出，因为刀盘是旋转的，置于刀盘上的挖掘刀具也随之转动，所以测量信号通过无线发射的方式传输。总电阻阻值信号通过电阻引线插头接至(刀盘轮辐内)密闭空间中的信号放大器，经过放大的信号传给刀盘背侧的发射天线，然后由土压舱内的接收天线接收。盾构主机舱(非转动)是盾构机工作人员的操作室，盾构主机舱内设有的信号接收装置实时接收、记录接收天线所传送(刀具磨损量)电阻信号，该信号由计算机进行分析和控制。