牛江川, 趙紅霞, 李素娟, 郭京波

(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

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盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)設計

牛江川, 趙紅霞, 李素娟, 郭京波

(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

盾構(gòu)刀具磨損檢測一直是盾構(gòu)施工過程中的一個難題。在盾構(gòu)機掘進過程中，無法直接測量刀具的磨損量，這就給刀具的視情換刀帶來了巨大的困難。針對盾構(gòu)施工時的刀具磨損檢測，設計了盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)。其中，下位機采用電渦流傳感器對盾構(gòu)滾刀的磨損進行檢測，將電渦流傳感器采集到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通過串行通信方式與上位機通信；上位機利用C#編程語言開發(fā)了盾構(gòu)滾刀磨損檢測軟件系統(tǒng)，將下位機采集到的信號進行處理與計算并顯示出刀具的磨損量。通過對盾構(gòu)滾刀磨損的實時測量，從而及時準確地掌握滾刀的磨損狀態(tài)，為“視情換刀”提供技術支持。

盾構(gòu)機；盤形滾刀；磨損狀態(tài)；在線檢測

0 引言

隨著社會的發(fā)展，我國鐵路、公路和地下隧道等交通運輸業(yè)迅猛發(fā)展，這也就造成了土地資源緊張，并且隨著人口的增長，地面交通越來越不能滿足人們的需求，因此隧道施工以及地鐵施工項目等地下工程日漸增多，盾構(gòu)機的應用也越來越廣泛[1]。在盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)機的狀態(tài)、故障檢測及刀具磨損成為影響盾構(gòu)施工的主要因素，其中滾刀的磨損檢測成為影響一個工程進度和質(zhì)量的關鍵問題。刀盤上的刀具是易耗件、易損件，換刀過早會造成資源的浪費，換刀過晚又會加重刀具周圍的滾刀的載荷，加速磨損，因此及時檢測到滾刀的磨損狀態(tài)，視情換刀十分必要。

目前國內(nèi)外檢測盾構(gòu)刀具磨損的方法主要有：開倉檢查、異味檢測、油壓檢測、掘進參數(shù)分析等。開倉檢查危險系數(shù)高，可能會造成開挖面坍塌，嚴重的還會造成人員傷亡，并且工作效率低，異味檢測能夠很敏感地報告刀具損壞的信息，但是這種方法適合用在TBM中，在盾構(gòu)機中無效[2]。在油壓磨損檢測中，由于油路數(shù)量有限，油路只能安裝于少部分刀具上，對于其它刀具的磨損則檢測不到，而且無法獲取具體的磨損量，此外馬廣州提出了利用掘進參數(shù)分析法[3]計算刀具的磨損量，管會生等利用磨耗系數(shù)計算刀具壽命[4]，本文設計了一種滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)，下位機采集到滾刀的磨損信息，將磨損信息送到上位機進行處理，顯示出刀具的磨損量，通過對盾構(gòu)滾刀磨損的實時測量，從而及時準確地掌握滾刀的磨損狀態(tài)，為“視情換刀”提供技術支持。

1 系統(tǒng)總體設計

盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)采用上位機和下位機體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。下位機采用電渦流傳感器檢測技術對盾構(gòu)滾刀的外邊緣磨損進行檢測，傳感器采集到與滾刀外邊緣的距離信號，經(jīng)過濾波、放大等一系列操作，將信號數(shù)字化后傳到上位機，上位機利用C#編程語言開發(fā)了盾構(gòu)滾刀磨損檢測軟件系統(tǒng)，將下位機采集到的信號通過處理與計算，顯示出刀具的磨損量，以便于及時掌握滾刀的磨損狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件方案設計

盾構(gòu)刀具磨損在線檢測系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集器、轉(zhuǎn)換器、工控計算機組成。圖1為盾構(gòu)刀具磨損在線檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

由于要測量盾構(gòu)滾刀的磨損量，因此就要用到位移傳感器，傳感器測量與滾刀刀圈的徑向距離，經(jīng)過信號調(diào)理器進行濾波、放大等一系列操作被數(shù)據(jù)采集器獲取，并與工控機通過RS-485協(xié)議進行串行通信，在工控機上通過軟件處理，將刀具的磨損量直觀地顯示出來。

2.2 硬件工作原理

2.2.1 電渦流傳感器

電渦流傳感器模塊由前置器、探頭、電纜三部分組成。系統(tǒng)中的電渦流傳感器采用MLW3300一體化電渦流傳感器，圖2為電渦流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2 電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

(1)前置器。電渦流傳感器的前置器將采集到的信號進行線性檢波、濾波、線性補償、放大等處理，然后輸出電壓量或電流量。前置器還為探頭線圈提供高頻交流電流，而且可以感受探頭與被測金屬導體接近時引起的參數(shù)變化，從而輸出相應變化的電壓或轉(zhuǎn)換為電流。

(2)電纜。延伸電纜是傳輸信號的部分，MLW3300電渦流傳感器的延伸電纜為5 m電纜。

(3)探頭。MLW3300電渦流傳感器的探頭由電感、保護罩、不銹鋼殼體、高頻電纜、高頻接頭等組成。探頭線圈產(chǎn)生的磁場范圍是有限的，被測體中電渦流場作用的深度與頻率、材料導電率、導磁率有關[5]，因此被測導體不同，電渦流傳感器的線性范圍就不同，在使用電渦流傳感器之前要對其進行校正。本系統(tǒng)以直徑25 mm的電渦流傳感器檢測寬度25 mm的滾刀刀圈的距離，還需要重新擬合出傳感器的電流量與距離的對應關系。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)采用DAM-3054作為數(shù)據(jù)采集模塊。DAM-3054為4路高速模擬量輸入模塊，采樣頻率為100 Hz，支持RS-485串口通信。DAM-3054有隔離轉(zhuǎn)換特性，可以自動調(diào)節(jié)整個RS485網(wǎng)絡的通訊速率和數(shù)據(jù)格式，DAM-3054模塊內(nèi)部設置有雙看門狗電路，在主機或模塊死機或者通信不正常時，DAM-3054會自動輸出安全值。本系統(tǒng)以其中1個通道進行測試。圖3為DAM-3054的線路連接圖。IN0+和IN0-分別為電渦流傳感器檢測到的信號輸入的正端和負端，DATA+和DATA-分別為RS-485接口信號的正端和負端。在端子接線圖中，VS+、GND分別與電源的正、負極連接，IN0+、IN0-分別與電渦流傳感器前置器的OUT和COM連接，DATA+、DATA-分別與轉(zhuǎn)換器DAM-3232的RXD+和RXD-連接。

圖3 DAM-3054線路連接圖

DAM-3054和前置器需要加載24 V直流電源，選取220 V交流電壓轉(zhuǎn)24 V直流電壓的電源作為本系統(tǒng)的電源。將電源的正、負極分別與DAM-3054的VS+和GND連接，并分別與前置器的VT和COM連接。將前置器的OUT和COM分別與DAM-3054的IN0+和IN0-連接，將DAM-3054的DATA+和DATA-分別與DAM-3232的RXD+和RXD-連接，DAM-3232是一款通用USB轉(zhuǎn)RS-485/RS422的轉(zhuǎn)換器。最后將DAM-3232與工控機通過USB相連。經(jīng)過測試，其工作電流為70 mA，電源工作時電壓為24 V，計算出其功率為1.68 W。

3 系統(tǒng)軟件設計

盾構(gòu)刀具磨損在線檢測系統(tǒng)上位機軟件利用Visual Studio 2005的C#編程語言[6-7]進行Windows應用程序開發(fā)，并利用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫。盾構(gòu)滾刀磨損檢測系統(tǒng)軟件主要由兩部分組成：系統(tǒng)設置部分、刀具磨損檢測部分。圖4為盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)功能模塊圖。

圖4 盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)設置的功能設定用來設定是否啟用數(shù)據(jù)庫記錄和設置工控機連接的COM端口；運行參數(shù)則用來設置電渦流傳感器與滾刀外邊緣的距離、滾刀外徑和每屏顯示的采集點數(shù)；測量標定曲線用來校正電渦流傳感器的電流與距離的轉(zhuǎn)換關系。刀具磨損測量的磨損監(jiān)控界面用來實時地反應滾刀的磨損信息；磨損記錄用來查詢某段時間內(nèi)刀具磨損的情況。盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)可以實時檢測滾刀外邊緣的磨損情況并可以進行磨損數(shù)據(jù)存儲和查詢磨損記錄。下面對系統(tǒng)的主要功能進行介紹。

3.1 電渦流傳感器標定

系統(tǒng)選用直徑25 mm的電渦流傳感器測量其與邊緣處刀圈寬度為25 mm的滾刀的徑向距離，改變傳感器與刀圈的距離，同時記錄下當前電流值，測得距離電流曲線。電渦流傳感器的測量標定界面如圖5所示。

圖5 電渦流傳感器的測量標定界面

在實際測量時，采用分段插值的方法進行計算。根據(jù)測量的電流值I，在已保存的距離電流曲線中去查找其所在前后兩個測量電流值I1、I2，根據(jù)其對應的距離L1、L2，然后利用線性差值計算當前的距離值L，其計算公式

(1)

3.2 滾刀磨損狀態(tài)識別

通過在線檢測，可以實時獲取滾刀的磨損量，判斷滾刀的磨損狀態(tài)的流程圖如圖6所示。

圖6 刀具磨損狀態(tài)識別流程圖

首先獲取當前滾刀的磨損量并進行記錄，然后在采集記錄中進行查詢，判斷在此點之前有無其它磨損記錄，如果沒有磨損記錄則繼續(xù)獲取滾刀磨損量，直到有兩條磨損記錄。然后將當前獲取的磨損量與磨損量極限值進行比較，如果磨損量小于極限值，并且之前的記錄都小于極限值，那么判定當前的磨損狀態(tài)為正常磨損狀態(tài)。如果此點的磨損量大于等于極限值，則逆序查找是否存在正常磨損的記錄并且之前記錄超出極限值，如果不存在，說明磨損量一直從正常磨損到超出磨損范圍，判定此時刀具的磨損狀態(tài)為超出磨損范圍；如果存在，或者本次是正常磨損但之前存在超出磨損極限值的記錄，則計算從上一次超出極限值到本次之間正常磨損記錄的個數(shù)，如果其個數(shù)大于等于n(根據(jù)滾刀偏磨與斷裂的磨損記錄，找出處于偏磨與斷裂臨界狀態(tài)正常磨損的采集點個數(shù)，將其設置為n)，說明變化坡度比較大，說明刀圈有斷裂口，判定刀具的磨損狀態(tài)為刀圈斷裂狀態(tài)；如果個數(shù)小于n，說明變化比較平緩，說明刀圈有一部分磨損嚴重，其它部分正常，判定此時刀具的磨損狀態(tài)為刀圈偏磨狀態(tài)。

本系統(tǒng)可支持八把滾刀的磨損量在線檢測，用一把滾刀進行測試。系統(tǒng)可識別的刀具磨損狀態(tài)有四類：正常磨損、超出磨損范圍、刀圈偏磨和刀圈斷裂。當滾刀的磨損量沒超過磨損極限量時，指示燈處于綠色狀態(tài)，滾刀處于正常磨損狀態(tài)。當滾刀的磨損量超出磨損極限時，指示燈處于紅色狀態(tài)，滾刀處于超出磨損范圍狀態(tài)。當滾刀的磨損量出現(xiàn)突變時，指示燈處于紅色狀態(tài)，滾刀處于刀圈斷裂狀態(tài)。當滾刀的磨損量出現(xiàn)緩慢坡度時，指示燈處于紅色狀態(tài)，滾刀處于刀圈偏磨狀態(tài)。設極限值為10 mm，刀圈超出磨損范圍時，其檢測界面如圖7所示。

圖7 刀圈超出磨損范圍狀態(tài)

4 結(jié)論

本文設計了一套盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)，對其硬件工作原理進行了分析。本系統(tǒng)在實驗室中進行了測試，運行效果良好。下位機采用電渦流傳感器對盾構(gòu)滾刀的磨損進行檢測，將電渦流傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并與上位機進行通信。上位機利用C#編程語言開發(fā)了盾構(gòu)滾刀磨損檢測軟件，可以實現(xiàn)對盾構(gòu)刀具磨損狀態(tài)的跟蹤與識別。通過對盾構(gòu)滾刀磨損的實時測量，可以及時準確地掌握滾刀的磨損狀態(tài)，從而為盾構(gòu)換刀提供技術支持。

[1]張鳳祥, 朱合華, 傅德明. 盾構(gòu)隧道[M]. 北京:人民交通出版社, 2004.

[2]張厚美.復合地層中盾構(gòu)刀具磨損的檢測方法研究[C]//上海隧道工程股份有限公司.大直徑隧道工程與城市軌道交通工程技術;2005上海國際隧道工程研討會文集.上海:同濟大學出版社,2005.

[3]馬廣州.盾構(gòu)掘進中刀具磨損的跟蹤檢測[J].隧道建設,2006,26(S2)：65-68.

[4]管會生,高波.盾構(gòu)切削刀具壽命的計算[J].工程機械,2006,(1)：25-28.

[5]劉柱,李巍,金建新.電渦流傳感器的特性分析與標定方法[J].機械與電子,2013(2):14-15.

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Design of On-line Detection System for Shield Disc Cutter Wear

Niu Jiangchuan, Zhao Hongxia, Li Sujuan, Guo Jingbo

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043， China)

Cutter tool wear detection is always a difficult problem in shield tunnel construction. During tunneling process, the wear cannot be measured directly, which has brought great difficulties to the timely cutter tool replacement. Aimed at the problems of cutter tool wear detection during shield machine construction, an on-line system of cutter tool wear detection is designed. The subordinate computer measures the cutter wear by electricity eddy current sensor, and transforms the collected electricity signal into digital signal, and then it communicates with the upper computer by the serial communication. The upper computer program of cutting tool wear detection is developed by C#. And the collected signals are processed and showed by the software system. By measuring the cutter wear at current time, we can know the state of cutter wear timely and accurately. The system can offer the technology support for replacing cutter tool by condition.

shield machine; disc cutter; wear state; on-line detection

2014-09-06 責任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2015.04.11

牛江川(1977-),男,博士,副教授，主要從事狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究。E-mail: menjc@163.com

國家自然科學基金 (51275321)；國家863計劃項目(2012AA041803); 河北省教育廳自然科學青年基金項目(QN2014151)

U455.3

A

2095-0373(2015)04-0058-05

牛江川,趙紅霞,劉進志,等.盾構(gòu)滾刀磨損在線檢測系統(tǒng)設計[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2015,28(4):58-62.