本发明专利技术公开了一种盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统，监测系统包括滚刀应力检测传感器、滚刀应力检测传感器供电模组和滚刀应力信号发射盒，所述滚刀应力检测传感器包括两组嵌装在盾构机滚刀压块上的应变片，所述应变片与同样固定在盾构机滚刀压块上的滚刀应力检测传感器供电模组电连接，同时通过安装在滚刀端盖上的滚刀应力信号发射盒向工控机传送滚刀电压数据。本发明专利技术采用对滚刀压块电压信号运用二元一次线性拟合方法得到滚刀垂直力、滚动力解耦公式的计算方式得到滚刀载荷的检测结果，计算过程简单，结果精准可靠，可适用于封闭、恶劣、处理数据设备条件有限的施工环境。处理数据设备条件有限的施工环境。处理数据设备条件有限的施工环境。
【技术实现步骤摘要】
盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统
[0001]本专利技术涉及一种盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统，属于盾构设备监测技术。
技术介绍
[0002]盘形滚刀作为一种挖掘坚硬岩石的刀具，常应用于盾构机和TBM等大型掘进设备上，滚刀的工作性能直接影响着隧道掘进机的掘削效果和施工速度。
[0003]由此，国内外很多学者针对上述问题，研发了各具特色的TBM滚刀载荷测量方法。王少华等在“TBM掘进中滚刀受力实时监测方法研究”中提出，分别在左右两个垫块上各安装两个传感器，两个传感器分别测量垫块在法向方向和侧向方向的载荷；孙振川等在“一种盘形滚刀测力结构”通过在刀座两侧板设置传感器安装槽，测力传感器一端通过螺栓与刀座连接，另外一端通过螺栓卡块组件与刀轴相连，实现滚刀所受垂直力的测量；陈超等在“在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置”中提出了一种通过在压块上粘贴四个应变片的方式实现测量单个滚刀所受垂直力和滚动力的方法；陈永龙在“单刀盘形滚刀破岩时的受力测试”选择刀轴作为传感元件，将其近似看作一根双向弯曲梁，在其上粘贴电阻应变片来测量滚刀受力；Entacher等在固定滚刀的螺栓中埋入应变片，通过测量这些螺栓预紧力在滚刀受力时的变化情况来计算滚刀破岩力。
[0004]以上的滚刀受力检测的检测方式存在如下问题：
[0005](1)应变片安装在刀轴上，需要在刀轴上开槽，开槽不仅影响滚刀刀轴的受力强度，而且滚刀更换过程中对刀轴的影响较大；(2)将应变片埋入螺栓，虽然预测效果不错，但是在实际的工程运用中将应变片埋入螺栓的操作复杂，阻碍了该方法的推广；(3)无论是安装在刀轴还是刀座上的传感器，都只能分别检测单一方向的受力载荷，在需要对滚刀进行多方位监测的时候，需要布置更多数量的传感器，结构线路复杂，成本高。
技术实现思路
[0006]本专利技术解决的技术问题是：针对现有盾构机盘形滚刀的受力监测方式存在的上述问题，提供一种新的盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统。
[0007]本专利技术采用如下技术方案实现：
[0008]盾构机滚刀载荷监测方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一、通过软件对盾构机滚刀模拟加载，采用两组应变片检测盾构机滚刀受力，数值模拟得到盾构机滚刀在垂直力和滚动力载荷条件下的应变数据；
[0010]步骤二、处理步骤一的应变数据得到两组传感器的应变和及应变差数据，然后对上述数据进行线性拟合，以应变和、应变差为自变量，以垂直力Fv、弯矩M为因变量建立二元一次线性方程如式(1)，
[0011][0012]计算式(1)中的K和B，其中，K为标定系数矩阵，代表载荷与应变的数值关系，数值
为载荷
‑
应变线性回归函数的斜率，B为载荷
‑
应变线性回归函数常数项矩阵，ε为应变矩阵，ε
11
、ε
12
分别为应变和值、应变差值；
[0013]步骤三、建立电压
‑
应变线性回归函数；
[0014]步骤四、在盾构机滚刀实时载荷监测中，根据步骤三所得电压和应变的函数关系，用电压和、电压差表示式(1)中的应变数据，用滚动力Fr表示弯矩M，通过式(2)由电压解耦计算得到盾构机在相应工况下的垂直力Fv和滚动力Fr，
[0015][0016]其中，H为系数矩阵，代表载荷与传感器电压的数值关系，数值为载荷
‑
电压线性回归函数的斜率，b为载荷
‑
电压线性回归函数常数项矩阵，U为应变片电压矩阵，U
11
、U
12
分别为电压和值、电压差值，A1、A2分别为电压
‑
应变线性回归函数的斜率，C1、C2分别为电压
‑
应变线性回归函数常数项。
[0017]在本专利技术的盾构机滚刀载荷监测方法中，进一步的，所述步骤二中，运用MATLB中的cftool功能处理分析传感器的应变和及应变差与垂直力、弯矩之间的函数关系，得到式(1)，将滚刀模拟加载所得的应变数据和已知载荷条件作为式(1)的输入输出，运用线性拟合的方式求得K和B。
[0018]在本专利技术的盾构机滚刀载荷监测方法中，进一步的，所述步骤三中，通过压力设备对盾构机滚刀进行载荷试验，得到垂直力和滚动力载荷条件下的传感器电压数据，然后将所得电压数据和步骤一中相应载荷下所得的应变数据进行线性拟合，得到应变片的电压
‑
应变线性回归函数。
[0019]在本专利技术的盾构机滚刀载荷监测方法中，进一步的，所述步骤四中，滚刀的滚动力Fr和弯矩M之间的替换关系为：Fr＝M/2R，其中R为滚刀半径。
[0020]本专利技术还公开了一种盾构机滚刀载荷监测系统，包括滚刀应力检测传感器、滚刀应力检测传感器供电模组和滚刀应力信号发射盒，所述滚刀应力检测传感器包括两组嵌装在盾构机滚刀压块上的应变片，所述应变片按照本专利技术的监测方法采集盾构机滚刀在相应工况下的电压数据，所述应变片与同样固定在盾构机滚刀压块上的滚刀应力检测传感器供电模组电连接，同时通过安装在滚刀端盖上的滚刀应力信号发射盒向工控机传送电压数据。
[0021]在本专利技术的盾构机滚刀载荷监测系统中，进一步的，所述应变片粘贴在滚刀压块的中间梁上，并通过电控盒与滚刀应力检测传感器供电模组电连接，通过接头座与滚刀应力信号发射盒通信连接。
[0022]在本专利技术的盾构机滚刀载荷监测系统中，进一步的，盾构机上每组滚刀上的滚刀应力信号发射盒对应一组滚刀应变信号接收盒，所述工控机通过多通道信号扩展模组与所有滚刀应变信号接收盒通信连接。
[0023]本专利技术的上述技术方案具有如下有益效果：
[0024](1)本专利技术的滚刀载荷监测系统中传感器布置位置与以往相比有所创新，将滚刀应力检测传感器的应变片设置在滚刀压块的的中间梁上，传感器安装、更换更便利，传感器对滚刀工作性能影响较小，不会消减滚刀结构的受力强度，滚刀应力检测传感器的电控盒和接头座均固定在滚刀压块上，滚刀更换过程中对传感器的影响也较小一方面延长了传感
器的使用寿命。
[0025](2)本专利技术的滚刀载荷监测系统和方法中，通过在滚刀压块中间梁位置安装两个应变片的方式，使用传感元件数量少，通过单个滚刀应力检测传感器实现滚刀垂直力、滚动力测量，提高了传感器的利用率。
[0026](3)本专利技术的滚刀载荷监测方法运用二元一次线性拟合方式得到滚刀垂直力、滚动力解耦公式，方法简单，解耦公式在实际工程使用方便，无需借助复杂的预测平台，甚至能在电压数据已知的情况下人工计算滚刀垂直力、滚动力，适用于传感器信号无线传输或有线传输到数据处理平台有困难的情况下使用。
[0027](4)本专利技术的滚刀载荷监测系统和方法同样适用于齿刀正向力和切向力监测，齿刀与滚刀的受力类似，将本专利技术按照相似的方式设置在盾构机齿刀上，进行如上操作，也可实现对齿刀正向力和切向力的实时监测。
[0028]综上所述，本专利技术提出了一种对盾构机滚刀同时实现垂直力、滚动力测量的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.盾构机滚刀载荷监测方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、通过软件对盾构机滚刀模拟加载，采用两组应变片检测盾构机滚刀受力，数值模拟得到盾构机滚刀在垂直力和滚动力载荷条件下的应变数据；步骤二、处理步骤一的应变数据得到两组传感器的应变和及应变差数据，然后对上述数据进行线性拟合，以应变和、应变差为自变量，以垂直力Fv、弯矩M为因变量建立二元一次线性方程如式(1)，计算式(1)中的K和B，其中，K为标定系数矩阵，代表载荷与应变的数值关系，数值为载荷
‑
应变线性回归函数的斜率，B为载荷
‑
应变线性回归函数常数项矩阵，ε为应变矩阵，ε
11
、ε
12
分别为应变和值、应变差值；步骤三、建立电压
‑
应变线性回归函数；步骤四、在盾构机滚刀实时载荷监测中，根据步骤三所得电压和应变的函数关系，用电压和、电压差表示式(1)中的应变数据，用滚动力Fr表示弯矩M，通过式(2)由电压解耦计算得到盾构机在相应工况下的垂直力Fv和滚动力Fr，其中，H为系数矩阵，代表载荷与传感器电压的数值关系，数值为载荷
‑
电压线性回归函数的斜率，b为载荷
‑
电压线性回归函数常数项矩阵，U为应变片电压矩阵，U
11
、U
12
分别为电压和值、电压差值，A1、A2分别为电压
‑
应变线性回归函数的斜率，C1、C2分别为电压
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应变线性回归函数常数项。2.根据权利要求1所述的盾构机滚刀载荷监...
【专利技术属性】
技术研发人员：兰浩，李波，杨云，邓荣，宋志坤，
申请(专利权)人：湖南浩拓机电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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