一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法，包括用于支撑刀轴的C形块，所述C形块的内侧设有正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件相连接；所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件均与刀轴相配合，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过密封隔离模块与信号采集模块电连接；所述信号采集模块与信号接收模块通信连接，且信号接收模块与上位机电连接。本发明专利技术可以实时监测滚刀受力情况，进而预判当前地质条件，以有效指导盾构施工中掘进参数的选择，避免或减少刀具的损坏；同时还可以第一时间发现损坏的刀具、及时换刀，提高掘进效率；还可以根据受力数值为后续地层分析提供数据支撑。

A real-time monitoring system and method for cutter load of shield machine

【技术实现步骤摘要】
一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法
本专利技术属于盾构刀具感知
，具体涉及一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法。
技术介绍
在隧道和地下工程施工中，全断面隧道掘进机具有自动化程度高、安全高效和在超长隧道中连续作业的特点。掘进机在软硬不均地层条件下施工，由于岩土抗压强度的差异，容易造成盾构掘进姿态不稳，而且在掘进过程中，由于滚刀在软硬不均介质中随刀盘不断旋转往返切削于软硬不均地层，会造成刀具受力突然增大的现象，并且随着刀盘转速的增大，滚刀受到的冲击力会呈非线性增加，造成滚刀刀圈断裂、异常磨损等问题。
技术实现思路
针对滚刀在掘进过程中由于受力变化可能会出现刀具磨损或损坏的问题，本专利技术提出了一种盾构机滚刀载荷实时监测系统及方法，可以实时监测滚刀的受力以为施工参数提供指导。为解决以上技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种盾构机滚刀载荷实时监测系统，包括用于支撑刀轴的C形块，所述C形块的内侧设有正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件相连接；所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件均与刀轴相配合，以通过测量刀轴的受力进而测量滚刀的受力状况，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过密封隔离模块与信号采集模块电连接，密封隔离模块对输出线缆起到隔离防护的作用；所述信号采集模块与信号接收模块通信连接，且信号接收模块与上位机电连接。信号采集模块对正向载荷测量组件和切向载荷测量组件测得的数据进行处理，通过信号接收模块将处理后的数据发送给到上位机，上位机再根据滚刀的位置和接收数据实时监测统计滚刀的受力。所述信号采集模块包括控制器I、A/D转换模块、供电模块I、无线发射模块和串口转换模块I，所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆通过A/D转换模块与控制器I的输入端电连接；所述控制器I的输出端分别与供电模块I和串口转换模块I电连接，且控制器I通过无线发射模块与信号接收模块通信连接。控制器I对接收到的正向载荷和切向载荷进行处理、计算，并对正向载荷测量组件和切向载荷测量组件进行控制。所述信号接收模块包括控制器II、供电模块II、无线接收模块和串口转换模块II，所述控制器II通过无线接收模块与信号采集模块通信连接，控制器II的一个输出端与供电模块II电连接，且控制器II通过串口转换模块II与上位机电连接。所述密封隔离模块包括隔离盒，所述隔离盒设置在中心隔板的后方，隔离盒内设有防水组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过防水组件后与信号采集模块相连接。所述防水组件包括相互连通的第一防水接头、第二防水接头和第三防水接头，第一防水接头和第二防水接头均设置在隔离盒内，第三防水接头设置在隔离盒的外侧，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆依次穿过第一防水接头、第二防水接头和第三防水接头后与信号采集模块相连接。所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆上套设有第一液压软管，所述第一液压软管的前部通过第一液压接头与滚刀刀座相连接，第一液压软管的后部穿过中心隔板后通过第三液压接头与第一防水接头相连接。第一液压软管对输出线缆起到防护的作用。所述中心隔板内固定设有承载板，且承载板上设有第二液压接头；所述第一液压软管通过第二液压接头和承载板与第二液压软管的一端相连接；所述第二液压软管的另一端与第三液压接头相连接。所述第一液压软管和第二液压软管的外侧套设有防护结构，所述防护结构与刀梁固定连接。防护结构对第一液压软管和第二液压软管起到防护的作用。一种盾构机滚刀载荷实时监测方法，包括如下步骤：S1，设定刀盘零度位置，由上位机计算滚刀的所在位置角度α，角度α的计算公式为：α＝θ+β；式中，θ表示滚刀相对于刀盘零度位置的角度；β表示刀盘的旋转角度；S2，根据正向载荷测量组件和切向载荷测量组件采集到的正向力和切削阻力，由控制器I分别计算滚刀在相应角度α处的正向力Fn和切削阻力Fr，正向力Fn和切削阻力Fr的计算公式分别为：Fn＝Fn1+Fn2；式中，Fn1和Fn2表示两个C形块的正向载荷测量组件分别检测到的正向力；Fr＝Fr1+Fr2；式中，Fr1和Fr2表示两个C形块的切向载荷测量组件分别检测到的切削阻力；S3，通过控制器I计算滚刀的侧向力Fs，侧向力Fs的计算公式为：式中，R表示滚刀半径；L表示滚刀刀刃中心到正向载荷测量组件或切向载荷测量组件与刀轴接触面中心点之间的距离；S4，上位机根据刀盘零度位置确定上位机中的滚刀受力轨迹趋势图的初始位置，由上位机计算像素点所代表的力的数值，并根据正向力或切削阻力与角度α的对应关系将对应的像素值填充至滚刀受力轨迹趋势图。在步骤S4中，所述填充滚刀受力轨迹趋势图包括如下步骤：S4.1，设定滚刀的最大正向力为Fm，取最大正向力Fm的三等分点S4.2，在上位机中设定像素补偿值第一象限的像素初始值R＝0，G＝0，B＝0；S4.3，上位机根据滚刀的正向力Fn所在的区间，并依据如下公式计算滚刀在转动过程中所对应的像素值，将像素值对应填充至滚刀受力轨迹趋势图中，得到滚刀正向力载荷分布图；若Fn<T，则G＝255，B＝0；若T≤Fn<2T，则R＝255，B＝0；若Fn≥2T，则R＝255，G＝0，B＝0；S4.4，上位机按照步骤S4.1-S4.3的方法计算并绘制滚刀切削阻力载荷分布图；S4.5，上位机按照步骤S4.1-S4.3的方法计算并绘制滚刀侧向力载荷分布图。本专利技术的有益效果：为探索在软硬不均地层条件下滚刀受力情况，同时为了预判掌子面地质情况，本专利技术创新的在滚刀受力的C形块上布置应变片，可直接准确测量出滚刀受力，通过有线传输至信号采集模块，信号采集模块再将数据无线传输至信号接收模块，由上位机结合滚刀位置绘制滚刀受力轨迹趋势图，结合滚刀受力轨迹趋势图可以实时监测滚刀受力情况，进而预判当前地质条件，为盾构施工参数的选择提供有效指导，避免或减少了刀具的损坏；同时还可以第一时间发现损坏的刀具、及时换刀，提高掘进效率；另一方面，还可以根据受力数值为后续地层分析提供数据支撑；还可以根据三向力即正向力、切削阻力和侧向力的数值变化，判断滚刀弦磨或者刀圈的脱落情况。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为C形块的受力示意图。图2为C形块、信号采集模块、信号接收模块和上位机的连接示意图。图3为第一液压软管的走向示意图。图4为滚刀转动轨迹图。图5为C形块与滚刀刀箱的连接示意图。图6为正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆防护示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构机滚刀载荷实时监测系统，包括用于支撑刀轴(7)的C形块(5)，其特征在于，所述C形块(5)的内侧设有正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件相连接；所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件均与刀轴(7)相配合，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过密封隔离模块与信号采集模块电连接；所述信号采集模块与信号接收模块通信连接，且信号接收模块与上位机电连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种盾构机滚刀载荷实时监测系统，包括用于支撑刀轴(7)的C形块(5)，其特征在于，所述C形块(5)的内侧设有正向载荷测量组件和切向载荷测量组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件相连接；所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件均与刀轴(7)相配合，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过密封隔离模块与信号采集模块电连接；所述信号采集模块与信号接收模块通信连接，且信号接收模块与上位机电连接。


2.根据权利要求1所述的盾构机滚刀载荷实时监测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括控制器I、A/D转换模块、供电模块I、无线发射模块和串口转换模块I，所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆通过A/D转换模块与控制器I的输入端电连接；所述控制器I的输出端分别与供电模块I和串口转换模块I电连接，且控制器I通过无线发射模块与信号接收模块通信连接。


3.根据权利要求2所述的盾构机滚刀载荷实时监测系统，其特征在于，所述信号接收模块包括控制器II、供电模块II、无线接收模块和串口转换模块II，所述控制器II通过无线接收模块与信号采集模块通信连接，控制器II的一个输出端与供电模块II电连接，且控制器II通过串口转换模块II与上位机电连接。


4.根据权利要求1-3任一项所述的盾构机滚刀载荷实时监测系统，其特征在于，所述密封隔离模块包括隔离盒(8)，所述隔离盒(8)设置在中心隔板(11)的后方，隔离盒(8)内设有防水组件，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆穿过防水组件后与信号采集模块相连接。


5.根据权利要求4所述的盾构机滚刀载荷实时监测系统，其特征在于，所述防水组件包括相互连通的第一防水接头(8-1)、第二防水接头(8-2)和第三防水接头(8-3)，第一防水接头(8-1)和第二防水接头(8-2)均设置在隔离盒(8)内，第三防水接头(8-3)设置在隔离盒(8)的外侧，且正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆依次穿过第一防水接头(8-1)、第二防水接头(8-2)和第三防水接头(8-3)后与信号采集模块相连接。


6.根据权利要求1或5所述的盾构机滚刀载荷实时监测系统，其特征在于，所述正向载荷测量组件和切向载荷测量组件的输出线缆上套设有第一液压软管(4-1)，所述第一液压软管(4-1)的前部通过第一液压接头(3-1)与滚刀刀座(2)相连接，第一液压软管(4-1)的后部穿过中心隔板(11)后通过第三液压接头(3-3)与第一防水接头(8-1)相连接。


7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭顺辉，魏晓龙，林福龙，贾连辉，路亚缇，郭俊可，黄震，张华刚，于金达，孟祥波，李光，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41