卓興建， 路亞緹

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州　450016)

0　引言

刀具維護是盾構(gòu)應用過程中的重要環(huán)節(jié)。目前，盾構(gòu)操作司機無法在掘進過程中觀察刀具磨損情況，對刀盤、刀具進行檢查時必須停機，且進行人工檢修前施工作業(yè)人員需要大量的準備時間，這在很大程度上影響了掘進速度[1]。此外，在檢修過程中，由于刀盤、刀具處于未支護區(qū)域，因此會對檢修人員造成一定的安全風險[2]。因此，刀具可視化管理問題一直是盾構(gòu)行業(yè)研究的關鍵課題。

現(xiàn)有監(jiān)測刀具磨損的主要方法包括： 1)基于液壓油式的刀具磨損系統(tǒng)[3]，其故障率較低，維護簡單，缺點是不能實時監(jiān)測磨損情況，只有刀具磨損到失效時才有信號輸出； 2)基于超聲波定位的監(jiān)測系統(tǒng)[4]，其也可實時監(jiān)測刀具磨損量，但對通訊要求較高，如何把信號很好地從發(fā)射端傳輸至接收端是其技術(shù)難點，且對防護要求較高，供電時間有限。

本文論述的盾構(gòu)刀盤磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)可以使盾構(gòu)司機綜合盾構(gòu)掘進環(huán)數(shù)及掘進里程合理地判斷是否需要更換刀具，為優(yōu)化盾構(gòu)施工提供了可靠的基礎數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

該系統(tǒng)能夠降低人力消耗和作業(yè)風險，增加刀盤刀具的使用壽命，實現(xiàn)刀具磨損量的可視化管理，輔助盾構(gòu)司機判斷是否需要更換刀具，提高盾構(gòu)的工作效率，對新一代的智能、高效、安全及人性化盾構(gòu)研發(fā)具有重要意義[5]。

盾構(gòu)刀具磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)采用電阻變化原理測量刀具磨損量，經(jīng)信號采集并轉(zhuǎn)換為串口信號，傳輸至滑環(huán)，再至接收端，最后由PLC模塊直接采集并顯示至上位機。

此套系統(tǒng)可監(jiān)測6路刮刀和撕裂刀的實時磨損量，監(jiān)測精度為2 mm，監(jiān)測范圍為0～40 mm，可在刮刀及撕裂刀磨損量達到一定值時預警。

1　系統(tǒng)總體設計

刀具磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和標準信號輸出3部分組成。傳感器子系統(tǒng)包括傳感器和放大器，通過刀梁內(nèi)的防護，可以保證傳感器不損壞且通訊信號良好。傳輸子系統(tǒng)通過滑環(huán)來實現(xiàn)。輸出系統(tǒng)由接收模塊輸出的6路標準電流信號輸入到上位機，以實時顯示刀具磨損量。刮刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　刮刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)的傳感器采用電阻變化原理測量刀具磨損量，電路板外側(cè)填充環(huán)氧樹脂膠進行絕緣。以電滑環(huán)為中間橋梁，接收儀器采用220 V供電。接收儀器一方面將220 V電壓轉(zhuǎn)換成24 V電源，供電給放大器和傳感器；另一方面通過電滑環(huán)接收放大器發(fā)送的傳感器電信號。放大器以300 ms的頻率發(fā)送傳感器的磨損量信號，接收器接收485的串行信號并進行轉(zhuǎn)化，輸出4～20 mA信號。此信號可由PLC的AI模塊直接接收，并做相應的程序處理。磨損量傳輸至上位機，供盾構(gòu)司機參考判斷。刮刀及撕裂刀磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

2　系統(tǒng)基本組成

2.1　復雜工況下的通訊系統(tǒng)

電滑環(huán)可實現(xiàn)刀盤傳感器的供電及通訊數(shù)據(jù)的傳輸，是實現(xiàn)2個相對轉(zhuǎn)動機構(gòu)數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)木茌旊娧b置，特別適合應用于無限制連續(xù)旋轉(zhuǎn)且需要從旋轉(zhuǎn)位置到固定位置傳送數(shù)據(jù)的場所。

圖2　刮刀及撕裂刀磨損實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程

基于中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)，設計時把電滑環(huán)安裝于回轉(zhuǎn)中心后側(cè)，電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子跟刀盤同步。在回轉(zhuǎn)中心面上開一個直達土艙的M20通孔，滑環(huán)內(nèi)側(cè)圓轉(zhuǎn)子部分出線端經(jīng)回轉(zhuǎn)中心和土艙接入刀盤刀梁內(nèi)放大器，轉(zhuǎn)子線中間用航空插頭進行連接，便于刀盤的安裝與拆卸；滑環(huán)外側(cè)定子部分出線端接入盾體接收儀器內(nèi)。電滑環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。電滑環(huán)的參數(shù)如表1所示。

圖3　電滑環(huán)結(jié)構(gòu)(單位： mm)

2.2　復雜工況下傳感器的防護系統(tǒng)

在復雜工況下，為了不影響刀具的強度，需要保證嵌入到刀體內(nèi)的傳感器牢固可靠，防水等級較高，同時需要滿足測量精度。傳感器的結(jié)構(gòu)設計和傳感器的安裝是滿足上述條件的關鍵。

表1　電滑環(huán)參數(shù)

傳感器本體尺寸如圖4所示。傳感器前段(直徑4 mm、長48 mm的部分)為磨損敏感區(qū)域，后端直徑8 mm的部分為器件電路區(qū)。工作時，敏感區(qū)隨刀刃一同被磨損。

圖4　傳感器尺寸 (單位： mm)

傳感器及連線尺寸和外形如圖5所示。每個傳感器尾部出線(4芯屏蔽線)長度為200～250 mm，并連接至防水插頭，構(gòu)成傳感器的整體結(jié)構(gòu)。圖5中，線ab左側(cè)部分(包括防水插頭的一半)為傳感器的整體結(jié)構(gòu)，右側(cè)部分(包括防水插頭的另一半)位于刀盤刀梁內(nèi)部。右側(cè)的線纜部分從刮刀及撕裂刀處經(jīng)液壓防護管至刀梁內(nèi)放大器。

圖5　傳感器及連線尺寸和外形

刮刀及撕裂刀的開孔尺寸會影響傳感器的測量準確度。根據(jù)圖6和圖7所示的位置，先在刮刀和撕裂刀上打孔以安裝傳感器。通孔有傾斜角度，確定通孔傾角的原則是： 孔軸線與刀刃側(cè)表面平行，孔軸線與刀刃側(cè)面的距離越小越好。在敏感區(qū)域通孔直徑為5 mm，比傳感器大1 mm，對應傳感器尾座部分的直徑為9～10 mm，各段長度與傳感器一致。特別需要注意的是，傳感器前側(cè)區(qū)域直徑不能超出敏感區(qū)域直徑1 mm，否則會引起測量誤差。刮刀和撕裂刀開孔位置及尺寸分別如圖6和圖7所示，選擇刀具前段2個刀刃之間的中央部位作為傳感器的安裝位置。若刀具前段孔的直徑大于5 mm，則會增大傳感器的測量誤差，故應先嵌入鋼柱堵上該孔，再重新按尺寸打孔。

撕裂刀通過螺栓固定連接在刀盤底座上，而傳感器底部設計為插頭形式，并將插頭部分置于安裝底座孔內(nèi)，之后緊固螺栓，完成撕裂刀(含刀具磨損檢測)的安裝。撕裂刀傳感器的灌膠安裝如圖8所示。刮刀傳感器的灌膠安裝如圖9所示。刮刀的安裝結(jié)構(gòu)(螺栓固定)和對傳感器裸露線的防護設計如圖10所示。

圖6　刮刀開孔位置及尺寸 (單位： mm)

圖8　撕裂刀傳感器的灌膠安裝

圖9　刮刀傳感器的灌膠安裝

(a) 刮刀安裝(b) 刮刀防護設計

圖10刮刀安裝及防護設計圖示

Fig. 10Installation method and protection design of scraper cutters

2.3　傳感器的安裝工藝

采用WL-036型環(huán)氧樹脂(環(huán)氧樹脂本體和固化劑)固定傳感器。將環(huán)氧樹脂本體質(zhì)量與固化劑質(zhì)量按1∶1混合攪拌2～4 min，然后靜置3～5 min，待大氣泡溢出。將攪拌后的膠液沿孔壁緩慢倒入孔內(nèi)(防止空氣堵在小孔中形成氣孔)，攪拌和靜置時間不超過10 min，否則膠液將開始固化，流動性將變差。倒入孔內(nèi)的膠液離端口約15 mm時，將傳感器緩慢插入，膠液將覆蓋傳感器的頂端并與孔的上平面平齊。

澆筑前，先用酒精棉球清除安裝孔內(nèi)的油漬，以確保環(huán)氧樹脂與刀具材料的黏結(jié)強度。澆筑時，下面的小孔用膠帶紙封住，并用強磁鐵片吸住小孔，防止膠液外流。當澆筑完成2/3時，將傳感器插入孔內(nèi)至孔底，待靜置24 h之后，傳感器澆筑完成。澆筑過程中及澆筑后傳感器狀態(tài)示意圖如圖11所示。

2.4　CPU選型及IO模塊確定

CPU的選型是數(shù)據(jù)資源控制傳輸?shù)年P鍵，需考慮通訊接口、程序塊數(shù)據(jù)限制以及是否有PROFINET主從接口等。鑒于以上幾個方面并參考文獻[6-9]，本項目選用BECKHOFF的BK9103作為主控制器。該CPU可連接多個通訊模塊，且占用空間較小，可節(jié)省寶貴的空間，提供最高效率和最大靈活性，完全滿足項目需要。

(a) 澆筑過程中傳感器狀態(tài)(b) 澆筑后傳感器狀態(tài)

圖11澆筑過程及澆筑后傳感器狀態(tài)示意圖

Fig. 11Sketches of sensor during and after casting

IO模塊的確定取決于需要幾個輸入點(數(shù)字量及模擬量)和輸出點。DI是數(shù)字量輸入模塊，選型時根據(jù)輸入的點數(shù)和按鈕(開關)的距離等進行綜合考慮；DO是數(shù)字量輸出模塊，主要控制外部設備；AI是模擬量輸入模塊，由傳感器的點數(shù)、傳感器輸出的信號(電流或電壓)決定；AO是模擬量輸出模塊，一般分為電壓和電流2種，常見的電流為4～20 mA，電壓為 0～10 V。本項目選用IO模塊倍福KL3458，該模塊有8路輸入點(4～20 mA )。

3　系統(tǒng)工作原理

3.1　磨損傳感器測量原理

電阻排式刀具磨損傳感器的工作原理是將電阻排作為傳感器內(nèi)部電路板的主體，對其采取并行連接；然后，根據(jù)事先設計的測量精度以及總的電阻值和磨損量之間的線性關系，得出設計的每個電阻的阻值[10]。根據(jù)總電阻的變化與磨損量之間的線性關系，可以得出總阻值的變化，進而計算出刀具的磨損量。以此原理設計出如2.3節(jié)所述的安裝方式，實現(xiàn)刀具磨損與傳感器的同步磨損。然后，根據(jù)傳感器總阻值變化量計算出刀具磨損量。傳感器總阻值變化量

ΔR=(R×X)/L=KL×X。

(1)

式中：R為傳感器總電阻；X為磨損量； 傳感器的磨損范圍為0～L；KL為單位長度的電阻，當導線材質(zhì)分布均勻時為常數(shù)。

傳感器的靈敏度

S=dR/dX。

(2)

3.2　滑環(huán)供電通訊傳輸原理

因刀盤和刀具與盾體呈相對運動狀態(tài)，故設計了電滑環(huán)的通訊連接，使傳感器線的輸出端可直接與盾體的接收端連接[11]。

電滑環(huán)可以解決刀盤360°無限制旋轉(zhuǎn)的供電和通訊問題，能更好地傳輸動力和信號，供電和傳輸信號在滑環(huán)內(nèi)集中，完全能避免動力與信號間、信號與信號間的干擾問題，且能防止外界對滑環(huán)內(nèi)部的電磁干擾。電滑環(huán)轉(zhuǎn)子出線處設計一個M20的防水接頭，防止前方涌水進入盾體，電滑環(huán)防護等級設計為IP67。電滑環(huán)內(nèi)部電刷采用貴金屬合金材料，因刷束由多根刷絲組成，能夠確保與金屬環(huán)的多點接觸，進而提高導電效率，且因多根刷絲自身的彈性減少了接觸壓力。這些特性保證了滑環(huán)的穩(wěn)定性及耐久性。如果中途滑環(huán)出現(xiàn)信號傳輸異常，可在滑環(huán)轉(zhuǎn)子出線處連接一個航空插頭，快速拆卸并維修電滑環(huán)。

電滑環(huán)由定子、轉(zhuǎn)子、電刷組件和固定支架等部分組成。電滑環(huán)定子線和轉(zhuǎn)子線連接部分采用灌膠處理，防護等級可達到IP67。為保證電刷與電滑環(huán)的導電環(huán)充分接觸，導電環(huán)被設計成V形環(huán)。另外，電刷絲是靠彈性壓力與V形環(huán)槽的滑動接觸來傳遞信號及導通電流的。

4　系統(tǒng)試驗結(jié)果

該套刮刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)在2017年應用于北京新機場線地鐵項目(磁各莊站—1號風井區(qū)間)。該項目全長43 km，其中，高架和地面線長18.2 km，U型槽和地下線長24.8 km，共設3座車站，全部為地下站，分別為新機場北航站樓站、磁各莊站、草橋站。其中，磁各莊站—1號風井區(qū)間的地層為第四紀沖洪積層，以卵石、圓礫、砂土等粗粒土為主，其次為黏性土和粉土等細粒土。

系統(tǒng)的監(jiān)測周期為2個月，采樣頻率為300 ms。掘進至115環(huán)時，刀具磨損監(jiān)測點4和監(jiān)測點6出現(xiàn)異常情況。監(jiān)測點4出現(xiàn)40 mm磨損量，且出洞后從該監(jiān)測點得到的電流是20 mA，總電阻是無窮大。經(jīng)驗證可知監(jiān)測點4出現(xiàn)了斷線的情況。經(jīng)拆開天窗(如圖12所示)檢查發(fā)現(xiàn)，在刀盤內(nèi)布置的傳感器線出現(xiàn)斷線，與驗證相符。監(jiān)測點6通過萬用表量得的電流是0 mA，2線和3線之間的電阻只有1.7 Ω，判定為短路。

4.1　測量數(shù)據(jù)結(jié)果

上位機采集的刀具磨損量數(shù)據(jù)結(jié)果見表2，出洞后經(jīng)過手動測量得出以下數(shù)據(jù)： 1)1路電流值為7.0 mA，2路為7.3 mA， 3路為6.1 mA， 4路為20 mA， 5路為6.5 mA， 6路未顯示讀數(shù)(無窮大)。2)電阻值見表3。

圖12　刀盤天窗位置

注： 監(jiān)測磨損量為出洞后放大器和接收儀器供電通訊連接后測得的結(jié)果值； 實際磨損量為人工測得的磨損值。

表3　出洞后的電阻值

由測量結(jié)果可知4路和6路傳感器損壞，其他傳感器正常。

4.2　傳感器損壞的判定與分析

1) 測量過程： 用萬用表電阻檔測量傳感器2號(橙色)及3號(藍色)之間的電阻值(兩端代表傳感器電路板的總阻值)。

2) 測量標準： 信號輸出端1線和2線之間電阻范圍為2～3 Ω，3線和4線之間電阻范圍為2～3 Ω，2線和3線電阻范圍為10～50 Ω。

根據(jù)其他完好的傳感器讀數(shù)，通過電流值與磨損量的線性關系進行計算，得出1、2、3、5路的磨損量分別為7.50、8.25、5.25、6.25 mm。與實際磨損量(見表2)進行對比，誤差約為2 mm。由此可知此套系統(tǒng)測量準確，且可同時測量刮刀及撕裂刀的磨損量。

5　結(jié)論與討論

該系統(tǒng)傳感器精度較高，通用性較強，適用于土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)。用于泥水盾構(gòu)時，需將采集儀器放置于泥水艙隔板后側(cè)與刀盤剛性連接處，可有效降低故障率。

此系統(tǒng)還需加強防護以避免震動導致航空插頭松動或?qū)Ь€斷裂，同時需要避免進水導致線路短路。工業(yè)性應用中發(fā)現(xiàn)刀盤劇烈震動會影響信號，造成航空插頭松動或?qū)Ь€斷裂，導致采集數(shù)據(jù)為40 mm。此外，由于環(huán)氧樹脂膠適用于5 ℃以上環(huán)境，而刀盤刀具在掘進過程中溫度為60～80 ℃，所以采用環(huán)氧樹脂膠固定傳感器不會影響傳感器及信號傳輸。此系統(tǒng)現(xiàn)場試驗周期僅2個月，且刮刀及撕裂刀磨損量很小，很難驗證系統(tǒng)長期的穩(wěn)定性和耐久性。在后期工業(yè)性試驗中需加強防護，并不斷進行系統(tǒng)優(yōu)化，延長試驗周期以驗證電滑環(huán)的耐久性以及在高溫、高壓、劇烈震動等惡劣條件下環(huán)氧樹脂的穩(wěn)定性。

此套系統(tǒng)是針對中鐵裝備盾構(gòu)特點而設計的刮刀及撕裂刀磨損監(jiān)測裝置。該系統(tǒng)可測量刮刀及撕裂刀的磨損量，避免人工進艙檢查刀具磨損，降低了人力消耗和作業(yè)風險，延長了刀盤刀具的使用壽命，實現(xiàn)了刮刀磨損量的可視化管理，人性化地輔助盾構(gòu)司機判斷是否更換刀具，為優(yōu)化盾構(gòu)施工提供了可靠的基礎數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，對新一代的智能、高效、安全及人性化的盾構(gòu)開發(fā)和研究具有重要意義。