一种TBM滚刀受力监测的电阻应变式力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种TBM滚刀受力监测的电阻应变式力传感器，该传感器的底部和侧部设计为支座形式，形成剪切梁结构。传感器内应变计的安装位置设计成盲孔，形成局部工字梁结构。应变计为双剪切电阻应变计，采用惠斯通全桥电路。该传感器显著提高了测量位置的应力水平以及测量灵敏度，同时不影响施工换刀。同时不影响施工换刀。同时不影响施工换刀。

【技术实现步骤摘要】
一种TBM滚刀受力监测的电阻应变式力传感器


[0001]本专利技术涉及全断面硬岩掘进机行业中的设备检测技术，尤其是涉及一种TBM滚刀受力监测的电阻应变式力传感器。

技术介绍

[0002]全断面硬岩掘进机是依靠刀盘旋转破岩推进，使隧道全断面一次成型的大型工程机械。TBM滚刀安装在刀盘前端，盘形滚刀与开挖面岩石相互接触，通过推压和旋转对岩石进行多点局部加载。TBM滚刀在切割岩石的过程中承受连续动态载荷，所受滚刀力分为正向力、滚动力和侧向力。当隧道施工遇到超硬岩及节理化岩体时，刀盘会遭受大推力及冲击荷载，导致刀盘局部滚刀受载过高，容易造成滚刀刀圈崩刃、裂缝、刀体密封失效等多种形式的破坏。因此，准确监测滚刀受力情况，并据此及时调整掘进参数，有助于减小损坏，提高掘进效率。
[0003]利用现场掘进试验、全尺寸或小尺寸岩石切割试验等方式,对岩石破碎过程中的滚刀受力特征进行了深入的分析，建立了许多滚刀受力计算模型。Sanio等(1995)在刀具侵入实验和滚刀线性破岩实验(LCM)的基础上将断裂韧性指数引入，提出适用于非均质岩石的V形滚刀推力计算方程。Rostami等(1993,1997)研究得到用于计算常截面盘型滚刀(CCS)受力的方程，提出滚刀切削力是由岩石和刀具之间接触区域的载荷分布产生和控制的，并基于实验数据用线性回归方法建立了切削力的计算模型(CSM模型)。刘泉声等(2013)通过假定滚刀与岩石的接触应力分布形态，建立了适用于常截面滚刀的破岩力计算模型。隧道掘进机的刀盘上的单个滚刀载荷通常是通过全局推力来估计。然而，掌子面岩体状态以及刀盘的工作状态的复杂性，导致刀盘上的载荷是非常不均匀的，峰值力可能会超过平均值的许多倍。
[0004]一部分学者采用直接测量的方式来研究滚刀受力，即通过研制具有传感元件的测量系统，将传感器直接安装于滚刀承载处，对滚刀切割岩石的实时受力进行测量。在实验室，DREW et al.(1979)将应变片贴在刀架下四个立柱上，用来测量滚刀的三个方向的力。陈永龙在单刃盘型滚刀刀轴的中部及左右两侧共选择8个点布置应变计，安装在室内回转式刀具实验台上测量滚刀破岩受力。屈川(2015)修改了滚刀刀箱垫块结构，研制的力传感器安装于刀轴与垫块之间。Entacheret al.(2012)将力垫圈传感器和圆柱形应变计分别安装在刀箱与滚刀连接的4根螺栓下端和螺栓内部，通过测量螺栓预紧力的变化计算滚刀受力。陈超等(2015)以刀轴垫块作为测量部件，将电阻应变计布置到垫块的下端和侧端外表面测量滚刀所受三向力。王少华等(2019)在C型垫块零件上钻孔嵌入圆柱箔式应变计，通过室内旋转切割实验验证了测量可行性。杨延栋等(2020)在TBM掘进模态综合实验平台的刀座与刀盘之间安装力传感器，可以测量滚刀正向受载。
[0005]采用直接测量的方式有如下缺点：方形的力传感器安装在刀轴与垫块之间，使得刀轴与垫块间的结构复杂化，影响滚刀力测量的准确性。力传感器安装在连接螺栓处，同样地导线布置困难，并且力传感器不稳定。以刀轴垫块作为测量部件，解决了布线困难和传感
器测量不稳定的问题，但传感器的精度和敏感性仍然需要改进。在滚刀刀轴处安装应变计来测量滚刀力，该方法需要对滚刀原有结构进行改造，其安装过程复杂、测量系统保护难度大。在刀箱垫块、连接螺栓等承载零件上安装测力元件测量滚刀力，该方法容易导致测量结果受偏载、温度和布片位置差异影响，测量精度难以控制。因此亟需一种能够高效、准确监测滚刀力的传感器。
[0006]本专利技术对C型垫块进行优化改进，以提高C型垫块作为测量传感器的精度和敏感性。根据TBM所用的17吋常截面单滚刀刀箱结构，研制了测量滚刀正向力和滚动力的实时受力监测系统。系统中的核心部件为两向力传感器，可以替代原有C型垫块，直接安装于楔块式滚刀刀箱中。该传感器安装不影响施工换刀，对滚刀受力实时监测传感器的工程化应用具有重要意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术创新性地将C型垫块换成传感器，并对传感器弹性体结构进行了优化设计，形成一种能适应滚刀恶劣工作环境且精度高的TBM滚刀受力测量传感器。
[0008]本专利技术所设计的TBM滚刀受力测量传感器，刀箱结构特征在于：包括楔形块、拉紧螺栓、拉紧块、传感器、刀圈及刀轴。传感器的底部和侧部各开设有1个盲孔。刀圈安装于刀轴上。所述传感器通过紧固螺栓与穿孔螺栓固定在箱体上。
[0009]所述传感器的底部和侧部设计成支座形式，底部承受正向力，侧部承受滚动力，形成剪切梁结构。为了增大传感器信号的输出值，提高应变计布置部位的应变量，将应变计安装位置设计成盲孔，形成局部工字梁结构。
[0010]所述工字梁的剪应力在腹板内可认为近似均匀分布，即盲孔内的应力分布是均匀的，且盲孔中心处是应力最大的区域。
[0011]所述工字梁内剪应力与工字梁中心轴线成
±
45
°
，其中拉应力记为正，压应力记为负。在剪切应力条件下，其主应变为剪应变的一半。
[0012]所述传感器采用惠斯通全桥电路以减小测量差异。测量电路采用双剪切电阻应变计，应变计由两个倾角为
±
45
°
的单个应变栅组成。
[0013]所述全桥电路的每个桥臂接入2片等阻值应变计，设定输入电压为V
i
,输出电压为V0，其输出电压比与电阻的关系为：
[0014][0015]其中ΔR为电阻变化值，K＝2.0为灵敏系数，ε为应变值，ε1、ε3、ε5、ε7为拉应变，标记为正值；ε2、ε4、ε6、ε8为压应变，标记为负值。电阻值均相等，输出电压比与应变量的关系如为：
[0016][0017]所述传感器最大量程设计为正向力350KN，滚动力400KN。将一对传感器安装于滚刀两侧，可以直接测量滚刀所受正向力和滚动力。
[0018]对传感器进行受力仿真计算，定义传感器弹性体材料为30CrMnSiAl合金钢，底部为固定约束。对比原C形垫块和传感器弹性体的应力云图，可得传感器弹性体盲孔位置的应
力值远大于原C形垫块对应位置，且应力在盲孔处的分布较均匀，有效地增强了信号输出。
[0019]对传感器进行模态分析，以确定弹性体结构的固有频率、振型及其它参数。传感器各阶固有频率均大于2000Hz，而滚刀破岩时载荷的变化频率远小于该值，因此不会产生共振风险。
[0020]对传感器进行标定，将传感器测量值与实际加载的压力对比分析，建立测量结果与实际标定载荷的数据关系。根据实测电压及标定曲线斜率，即可计算出传感器的正向力及滚动力。
[0021]本专利技术的优点在于：传感器取代C型垫块，应变计放置在盲孔内，保证测量部位应力分布均匀且应力最大，从而提高测量准确性及灵敏度；作用在传感器上的力直接来自刀轴，从而减小测量误差。
附图说明
[0022]图1为刀箱结构。
[0023]图2为传感器弹性体结构。
[0024]图3为C型垫块压应力云图。
[0025]图4为传感器弹性体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TBM滚刀受力监测的电阻应变式力传感器，其特征在于：包括刀圈、传感器、刀轴、楔形块、拉紧螺栓和拉紧块；所述传感器通过紧固螺栓与穿孔螺栓固定在箱体上；楔形块用于压紧刀轴，使刀轴和传感器之间不产生滑动；楔形块通过拉紧螺栓与拉紧块相连并固定在箱体上；刀圈安装于刀轴上，传感器设置有两个，用于支撑刀轴的两端；应变计安装在传感器内，用于获取传感器的应变数据。2.根据权利要求1所述的TBM滚刀受力监测的电阻应变式力传感器，其特征在于：将传感器弹性体底部和侧部设计为支座形式，下部承受正向力，侧部承受滚动力，形成剪切梁结构；为增大传感器信号的输出值，提高应变计布置部位的应变量，将应变计安装位置设计成盲孔，形成局部工字梁结构。3.根据权利要求1所述的TBM滚刀受力监测的电阻应变式力传感器，其特征在于：应变计采用惠斯通全桥电路以减小测量误差；测量电路采用双剪切电阻应变计，应变计由两个倾角为
±
45
°
的单个应变栅组成；每个桥臂接入2片等阻值应变计，设定输入电压为V
i
，输出电压为V0；其输出电压比与电阻的关系为：式中，Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹玉新，何茂周，王小丁，戴四化，龚秋明，韩北，吕陈平，杨光，肖筱，邹海波，姚晓祎，文杰，龙建平，唐忠勇，
申请(专利权)人：中电建南方建设投资有限公司北京工业大学中国水利水电第七工程局有限公司深圳市地铁集团有限公司，
类型：发明
国别省市：