鄭 偉，趙海鳴，蘭 浩，2，譚 青，舒 標(biāo)，夏毅敏

(1.中南大學(xué)，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410083；2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410081)

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TBM滾刀刀圈磨損量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鄭 偉1，趙海鳴1，蘭 浩1，2，譚 青1，舒 標(biāo)1，夏毅敏1

(1.中南大學(xué)，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410083；2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410081)

為了在TBM(Tunnel Boring Machine)破巖過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盤形滾刀的磨損量，設(shè)計(jì)了一種基于電渦流傳感器的TBM滾刀刀圈磨損量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用電渦流傳感器將磨損前后滾刀刀圈與傳感器之間的距離轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理后送入K60MCU經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換與計(jì)算處理后得到刀圈的磨損量數(shù)據(jù)；在信號(hào)傳輸中使用能夠依據(jù)鏈路質(zhì)量與節(jié)點(diǎn)電量選擇鏈路的ZigBee雙鏈路無(wú)線通信系統(tǒng)，將測(cè)試數(shù)據(jù)從密閉的刀盤掘進(jìn)面中傳輸?shù)胶蠓?，避免?shù)據(jù)通信的中斷。通過(guò)對(duì)不同磨損量的17英寸1∶2相似滾刀在刀具性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，證明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測(cè)出滾刀刀圈的磨損量，可實(shí)現(xiàn)滾刀刀圈磨損的在線監(jiān)測(cè)。

滾刀刀圈;磨損量在線監(jiān)測(cè);電渦流傳感器;K60MCU;ZigBee

0 引言

滾刀是TBM掘進(jìn)過(guò)程中易于磨損與失效的部件，滾刀磨損過(guò)大將導(dǎo)致TBM無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)；而且，TBM掘進(jìn)時(shí)不同刀位上的刀具磨損快慢不一致，若不相互更換，也會(huì)加劇其他滾刀的磨損[1-2]。為了減少此類損失，需對(duì)TBM滾刀刀圈的磨損進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，避免刀圈過(guò)度磨損或斷裂等嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)正常工作的狀況出現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從滾刀切削機(jī)理、磨損原因及TBM掘進(jìn)過(guò)程中的地質(zhì)條件、滾刀結(jié)構(gòu)參數(shù)、刀盤換刀準(zhǔn)則等方面研究了滾刀的磨損特性，并提出了相應(yīng)的滾刀磨損預(yù)測(cè)模型，但在實(shí)際應(yīng)用中，刀圈的實(shí)際磨損過(guò)程因受磨料和刀圈受力狀態(tài)的不斷變化的影響過(guò)于復(fù)雜，試圖從理論上來(lái)精確計(jì)算刀圈的磨損量有相當(dāng)難度[3]。目前掘進(jìn)機(jī)設(shè)備廠商及相關(guān)科研院所采用了不同的監(jiān)測(cè)方法來(lái)嘗試檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)刀具的磨損或失效狀況：國(guó)外海瑞克公司生產(chǎn)了帶有磨損探測(cè)器的刮刀[4-5]，WIRTH公司在秦嶺隧道使用了具有異味添加劑的滾刀[4]，Robbins公司從滾刀的轉(zhuǎn)速、溫度與振動(dòng)這3個(gè)物理量綜合判斷TBM滾刀的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)[6-7]。天津大學(xué)候振德等設(shè)計(jì)了兩種掘進(jìn)機(jī)刀具磨損在線監(jiān)測(cè)裝置：一種是將電阻排鑲嵌于刀具中，另一種是基于絲柵式電阻的刀具磨損監(jiān)測(cè)裝置[8-9]，以上兩種方法都以電阻值的變化來(lái)監(jiān)測(cè)刮刀的磨損，不能用于滾刀。目前國(guó)內(nèi)在工程實(shí)踐中對(duì)刀具磨損狀況的判斷仍依賴于人工停機(jī)檢查[4]。面對(duì)TBM掘進(jìn)中亟需提升刀具更換效率與安全運(yùn)行的狀況，開發(fā)相應(yīng)的滾刀磨損量在線監(jiān)測(cè)裝置，是未來(lái)掘進(jìn)裝備發(fā)展中的重要課題。

1 滾刀刀圈磨損量監(jiān)測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

TBM掘進(jìn)時(shí)，滾刀刀圈表面附著有切削下來(lái)的泥土與碎石，且刀圈半徑由于磨損而不斷減小，為了實(shí)時(shí)檢測(cè)其磨損狀況，傳感裝置必須滿足的要求為：

(1)滿足滾刀刀圈的磨損半徑檢測(cè)范圍，一般17英寸滾刀實(shí)際使用中的最大磨損量為20～25 mm[2，10]，傳感器與刀圈之間的安裝間隙為12 mm，為了保證傳感器能在刀圈磨損范圍內(nèi)持續(xù)測(cè)量，選用傳感器量程應(yīng)在40 mm以上；

(2)滾刀在不斷破巖的過(guò)程中，刀圈表面會(huì)附著切削下來(lái)的碎巖土，所選傳感器需避開這類非金屬介質(zhì)的干擾；

(3)所選傳感器測(cè)試結(jié)果保證一定的測(cè)試精度?；陔姕u流傳感器具有體積小，測(cè)量精度高，非接觸，對(duì)水、巖土等介質(zhì)不敏感的特點(diǎn)[11]，采用電渦流傳感器測(cè)量傳感探頭到被測(cè)金屬表面距離變化，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾刀刀圈的磨損量。

傳感器安裝方法如圖1所示。圖1中，抗磨保護(hù)套由高硬度、高強(qiáng)度以及極高耐磨性的非金屬材料制成，有效隔絕了周圍巖土環(huán)境且避免了周圍金屬對(duì)電渦流傳感探頭的影響。除了傳感器的安裝結(jié)構(gòu)，滾刀刀圈的磨損量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要還包括傳感信號(hào)調(diào)理模塊、K60MCU數(shù)據(jù)處理模塊、ZigBee信號(hào)無(wú)線傳送模塊及上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。電渦流傳感器獲取的傳感探頭與滾刀刀圈之間距離的原始電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算處理后，由安裝于刀盤背面的ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)模塊發(fā)送，并由安裝在TBM前盾的ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)模塊接收，由電纜送入位于TBM主艙的上位機(jī)中。

圖1 傳感器的安裝

圖2 TBM滾刀刀圈磨損量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)電路

傳感器信號(hào)監(jiān)測(cè)電路主要由電渦流傳感器與信號(hào)調(diào)理電路模塊組成。所選電渦流傳感器為高頻反射式電渦流傳感器，其檢測(cè)探頭直徑為30 mm，量程為0～42 mm，重復(fù)精度為±0.1 mm，供電方式15～30 V DC，輸出電壓范圍0～11 V。以相似滾刀刀圈為待測(cè)體，測(cè)得電源電壓為24 V DC時(shí)，傳感器輸出電壓與刀圈距離的相關(guān)趨勢(shì)呈現(xiàn)非線性的S曲線關(guān)系。在最小二乘意義下采用三參數(shù)S形Gompertz模型對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到Gompertz模型的擬合函數(shù)為

(1)

擬合曲線殘差平方和：

(2)

則滾刀磨損量：

δ=x-d0=f-1(x)-d0

(3)

式中：y為傳感器輸出電壓；x為電渦流傳感器的探頭與刀圈之間的間距；a、k、xc為Gompertz模型的3個(gè)參量；d0為滾刀未磨損前電渦流傳感器與刀圈的距離；δ為滾刀磨損量。

利用非線性最小二乘Levenberg-Marquardt算法迭代獲取最優(yōu)擬合曲線參數(shù)為a=11.411，k=0.124，xc=14.160，擬合曲線殘差平方和RSS=0.042 6，擬合曲線與標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 電渦流傳感器標(biāo)定點(diǎn)及擬合曲線

實(shí)際滾刀刀圈磨損狀況變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，為了避免50 Hz工頻信號(hào)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)高頻雜波信號(hào)的干擾，在對(duì)電渦流傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行A/D采樣之前加入低通濾波電路。此外，K60MCU的ADC模塊的輸入?yún)⒖茧妷簽?.3 V，需對(duì)電渦流傳感器最大為11 V的原始輸出電壓信號(hào)進(jìn)行線性衰減，系統(tǒng)利用兩塊運(yùn)放芯片OPA2234設(shè)計(jì)了兩級(jí)運(yùn)放電路來(lái)完成信號(hào)調(diào)理，對(duì)傳感器輸出的原始電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波與限幅，如圖4所示。一階無(wú)源RC濾波電路的截止頻率為20 Hz，信號(hào)調(diào)理電路的電壓最終輸出值為0.68～2.77 V。K60MCU內(nèi)部16位ADC模塊的電壓分辨率為0.05 mV，當(dāng)電渦流傳感器的輸出量變化幅度為1 mV時(shí)，調(diào)理電路的電壓輸出變化幅值為0.2 mV，滿足A/D轉(zhuǎn)換精度需求。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理所采用的微處理器為MK60DN512ZVLQ10微信號(hào)處理器，它是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的90 nm 32位MCU：包含2個(gè)最高精度為16位的ADC模塊，其中包括單端輸入模式24路，差分輸入模式4路，此外還擁有多路串行及總線通信接口等資源，芯片可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、功耗低，有利于模擬信號(hào)的采集、傳輸與處理[12]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊的硬件電路主要包括：K60MCU的硬件最小系統(tǒng)、SPI串口通信電路、A/D輸入及電源與保護(hù)電路，系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊硬件框圖

K60最小硬件系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路及與寫入器相連的JTAG接口電路。電源電路采用了DC/DC開關(guān)型的模塊式穩(wěn)壓電源，所有的電源引腳都外接濾波電容來(lái)抑制高頻噪聲。K60需要2個(gè)晶振：一個(gè)是芯片的主晶振，用于產(chǎn)生芯片及外設(shè)的工作時(shí)鐘；另一個(gè)是實(shí)時(shí)定時(shí)器的晶振。主晶振使用50 Hz的有源晶振，實(shí)時(shí)定時(shí)器模塊使用32.762 kHz的無(wú)源晶振。使用SPI同步串行通信接口完成與通信芯片間的主從串行連接，將K60MCU處理所得的磨損量數(shù)據(jù)傳送給ZigBee無(wú)線傳送系統(tǒng)，并利用其SDHC模塊外接SD卡保存相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.3 ZigBee信號(hào)無(wú)線發(fā)送與接收模塊

無(wú)線通信模塊使用了射頻CC2530芯片，它集成了一個(gè)高性能的ZigBeeRF收發(fā)器和高速8051微處理器，外圍元件較少，具有功耗低、抗干擾性能優(yōu)越的特點(diǎn)，實(shí)際傳輸距離可達(dá)60～100 m[13]。信號(hào)傳送節(jié)點(diǎn)由無(wú)線收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)模塊及電源模塊、LCD顯示器等其他外圍模塊組成。系統(tǒng)由多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的雙鏈路無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器構(gòu)成，CC2530通過(guò)SPI串行接口實(shí)現(xiàn)與K60MCU的全雙工主-從連接，對(duì)于一個(gè)主K60MCU帶2個(gè)CC2530從屬芯片的系統(tǒng)，主機(jī)K60MCU的片選引腳PCS[3：1]分別接每個(gè)從機(jī)的選擇引腳SSN，由主機(jī)控制其電平高低，以便主機(jī)選中連接從機(jī)，射頻芯片CC2530與K60MCU的主從連接方式如圖6所示，而作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的CC2530外接了RS232連接計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)來(lái)觀察檢測(cè)的磨損數(shù)據(jù)。

圖6 K60MCU與CC2530的SPI串行連接

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

信號(hào)調(diào)理電路的輸出電壓信號(hào)經(jīng)K60MCU內(nèi)部程序的進(jìn)一步處理，計(jì)算得到滾刀刀圈的實(shí)際磨損量。整個(gè)信號(hào)處理程序由主程序與中斷服務(wù)子程序組成，分別如圖7(a)、圖7(b)所示。中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)模擬電壓信號(hào)的A/D采樣、數(shù)據(jù)處理和信號(hào)的串口傳送。A/D采樣時(shí)對(duì)總線時(shí)鐘四分頻，采樣頻率為12.5 MHz.數(shù)據(jù)處理主要包括剔除異常數(shù)據(jù)與采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，使用中位值平均濾波法將過(guò)大與過(guò)小的異常數(shù)值排除，對(duì)剩下的數(shù)據(jù)求算術(shù)平均，此濾波方法能有效克服因偶然因素引起的干擾波動(dòng)，適用于緩慢變化的被測(cè)物理量。采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換則是通過(guò)電渦流傳感器的標(biāo)定擬合曲線將所測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為刀圈實(shí)際磨損量。

(a)主程序

(b)中斷服務(wù)子程序序

3.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳送程序

ZigBee技術(shù)應(yīng)用于TBM刀具磨損的數(shù)據(jù)傳輸中，存在以下問(wèn)題：

(1)TBM工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的金屬運(yùn)動(dòng)部件可能對(duì)無(wú)線鏈路產(chǎn)生阻塞；

(2)傳感節(jié)點(diǎn)多，分布在不同的區(qū)域；

(3)大功率設(shè)備啟停時(shí)易形成強(qiáng)電磁環(huán)境，且電磁屏蔽現(xiàn)象嚴(yán)重，無(wú)線信號(hào)會(huì)有一定的衰減。

為了降低上述因素對(duì)信號(hào)傳送的影響并提高開發(fā)效率，無(wú)線傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)移植了Z-Stack協(xié)議棧，并設(shè)計(jì)了雙鏈路無(wú)線傳送拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。圖中雙鏈路結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸路徑有A至B、A’ 至B、A至B’、A’ 至B’4種，在某條鏈路失效的狀況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到另一個(gè)發(fā)送模塊，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?/p>

圖8 雙鏈路無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

在ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送端，ZigBee模塊一直處于查詢串口狀態(tài)，若有數(shù)據(jù)進(jìn)入且數(shù)據(jù)地址為本機(jī)地址，則根據(jù)上次發(fā)送數(shù)據(jù)成功與否狀態(tài)及ZigBee模塊的電量進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的模塊分配，選擇某一個(gè)ZigBee模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀，若數(shù)據(jù)發(fā)送模塊沒(méi)有得到接收端返回的應(yīng)答信號(hào)，數(shù)據(jù)發(fā)送端自動(dòng)選擇另一個(gè)發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在得到應(yīng)答數(shù)據(jù)后，返回信號(hào)啟動(dòng)下一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。數(shù)據(jù)接收端在接收到ZigBee數(shù)據(jù)包后進(jìn)行校驗(yàn)，如果數(shù)據(jù)正確則把數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，并返回接收成功信號(hào)及自身剩余電量信息給數(shù)據(jù)發(fā)送端，至此一幀數(shù)據(jù)完成了從發(fā)送到應(yīng)答的全過(guò)程。

4 試驗(yàn)

采用回轉(zhuǎn)式刀具切削性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)滾刀刀圈磨損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖9所示。回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)可模擬TBM掘進(jìn)機(jī)在不同地層中的掘進(jìn)情況，所用滾刀為17英寸(432 mm)盤形滾刀的1∶2比例相似滾刀。

圖9 滾刀磨損量檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)中，回轉(zhuǎn)土倉(cāng)以1.36 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電渦流傳感器安裝在滾刀刀圈外側(cè)，依據(jù)式(2)、式(3)中的計(jì)算方法，將所采集的原始電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滾刀刀圈磨損量數(shù)據(jù)，如圖10所示。

對(duì)圖10中所采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)排序后采用中位值平均濾波法，即除去前后最大和最小各20個(gè)數(shù)值，再對(duì)剩下的數(shù)值求平均，獲得實(shí)際滾刀刀圈磨損量的數(shù)值如表1所示。在滾刀刀圈正常磨損情況下，實(shí)際測(cè)量刀圈磨損量的最大相對(duì)誤差為4.41%，刀圈磨損檢測(cè)誤差值小于0.5 mm，說(shuō)明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)值是準(zhǔn)確的。

表1 試驗(yàn)中獲得的磨損距離

5 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際工程中滾刀磨損在線監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了滾刀刀圈磨損量檢測(cè)傳感裝置。利用電渦流傳感器的非接觸距離測(cè)量特性來(lái)檢測(cè)滾刀刀圈磨損量，用調(diào)理電路對(duì)傳感器原始電壓信號(hào)進(jìn)行濾波與限幅，采用K60MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算磨損量，磨損監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單方便；以CC2530射頻芯片為核心構(gòu)建了基于ZigBee協(xié)議的雙鏈路無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，保證了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。?jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明該系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)滾刀刀圈的磨損量，測(cè)量精度高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(a)刀圈實(shí)際磨損量為5 mm

(b)刀圈實(shí)際磨損量為7.5 mm

(c)刀圈實(shí)際磨損量為10.5 mm

(d)刀圈實(shí)際磨損量為13.5 mm圖10 不同磨損量滾刀刀圈的磨損監(jiān)測(cè)曲線

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Design of On-line Monitoring System for Tunnel Boring Machine’s Disc Cutter Wear

ZHENG Wei1，ZHAO Hai-ming1，LAN Hao1，2，TAN Qing1，SHU Biao1，XIA Yi-min1

(1.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083，China; 2.College of Polytechnic，Hunan Normal University，Changsha 410081，China)

In order to obtain the real time disc cutter wear monitoring data during the excavating of Tunnel Boring achine (TBM), a TBM on-line cutter wear monitoring system was designed based on the eddy current sensor, which converted the changes of distance between the sensor and the cutter ring before and after it was worn to the voltage signal. After it was conditioned, the signal was transmitted to K60 MCU, then the signal underwent the analog-digital convention and calculation to get the actual cutter ring wear data. In the transport course, the ZigBee Dual-link wireless communication system of the link was chosen by the quality of the link and the remaining power of the node, sending the test data out of the closed cutterhead excavation face to the rear to avoid the interruption of the data communication. Utilizing 17 inch 1∶2 similar disc cutters of different wear degrees as the research object, the on-line cutter wear monitoring experiment was made on the cutter performance test platform. The test proves the system can accurately measure the wear extent of the cutter ring, which contributes to the realization of measuring the disc cutter wear on-line.

cutter ring; on-line cutter wear monitoring; eddy current sensor; K60MCU; ZigBee

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA041801);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973課題)(2013CB035401)；湖南省科技重大專項(xiàng)(2010FJ1002)

2014-01-07 收修改稿日期：2014-10-19

TP216

A

1002-1841(2015)02-0046-05

鄭偉(1986—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷。E-mail：zhengwei5226@163.com 趙海鳴(導(dǎo)師) (1966— )，副教授，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樯詈Ｌ綔y(cè)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)研究。 E-mail：zhm0097@126.com