一种盾构机常压换刀刀具检测系统

摘要

本发明提供一种盾构机常压换刀刀具检测系统，包括温度传感器、旋转传感器、应力传感器及磨损检测液压传感器，用于实时监测盾构机滚刀刀具状态，温度传感器用于间接判定滚刀是否发生非均匀磨损等不正常现象；旋转传感器用于判定滚刀是否发生卡盘、偏磨等状态；应力传感器用于判定滚刀是否轴承磨损或刀圈崩裂；磨损检测液压传感器检测刀具磨损是否达到磨损临界值。本发明基于滚刀磨损机理，结合采用温度传感器、旋转传感器、应力传感器及磨损检测液压传感器实时监测滚刀刀具的温度、旋转、应力、磨损等全状态，并用可视化的界面展示相关状态信息，帮助施工人员和司机判断是否进行更换刀具。

权利要求

1.一种盾构机常压换刀刀具检测系统，包括温度传感器、旋转传感器、应力传感器及磨损检测液压传感器，用于实时监测盾构机滚刀刀具状态，并通过可视化的界面展示，帮助施工人员和司机判断刀具安全状态，其特征在于：所述温度传感器安装在刀轴的第一安装孔内，实时获取刀具温度数据 ，所述刀具温度数据用于间接判定滚刀异常，所述滚刀异常包括滚刀偏磨、滚刀卡盘、刀圈应力崩断、非均匀磨损和/或掘进速度过大；

所述旋转传感器安装在刀轴两端，实时记录滚刀刀圈的转速数据，所述转速数据用于判定滚刀是否发生卡盘或偏磨；

所述应力传感器安装在刀轴的第二安装孔和第三安装孔内，检测突变应力对滚刀刀轴刀圈的影响，用于判定滚刀是否轴承磨损或刀圈崩裂；

所述磨损检测液压传感器是安装在滚刀刀筒外部的磨损检测供油管路上的油压式传感器，检测刀具磨损是否达到磨损临界值，用于判定是否需要更换滚刀。

2.根据权利要求1所述的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，其特征在于：所述第一安装孔开设在刀轴的端部。

3.根据权利要求1所述的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，其特征在于：所述第二安装孔和第三安装孔在刀轴的轴向上间隔一定距离布置。

4.根据权利要求1所述的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，其特征在于：使用温度应力保护罩对温度传感器和应力传感器的出线电缆和密封保护，所述温度应力保护罩安装在刀轴上，通过在头部开螺纹和液压油管相连至刀盖内部，在刀盖外部设有温度应力转接板接插件，所述温度应力转接板接插件通过电缆和刀具无线采集模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，其特征在于：刀盖上还安装旋转转接板接插件，旋转转接板接插件下部接头和旋转传感器出线电缆相接，旋转转接板接插件上部通过接插件电缆和刀具无线采集模块连接。

6.根据权利要求1所述的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，其特征在于：所述磨损检测主要包括刀筒前段的磨损检测刀和常压仓内的磨损检测液压传感器；磨损检测刀内部充有一定压力的液压油，磨损检测液压传感器安装在液压油的供油管路上。

7.根据权利要求1所述的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，其特征在于：还包括刀具无线采集模块，主要包括电池仓和电路板仓；刀具无线采集模块采用天线内置方式将无线信号发射出去；刀具无线采集模块通过电缆连接刀筒上温度应力转接板接插件、旋转转接板接插件和常压仓内的磨损检测液压传感器，实时采集相关传感器的信号，并进行信号数据解析，相关数据进行无线传输；在进行常压换刀时，可以拨出连接在刀筒上的温度应力转接板和旋转转接板上的电缆，用堵头堵住接插件位置，将刀筒拔出进行换刀。

8.根据权利要求7所述的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，其特征在于：在常压仓隔板上安装无线接收模块，通过在常压仓隔板上开孔把无线接收模块天线穿入常压换刀仓内，实时无线接收来自常压仓内刀具无线采集模块发送的信号。

说明书

一种盾构机常压换刀刀具检测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种盾构机的刀具实时检测系统，具体涉及一种盾构机常压换刀刀具检测系统。

背景技术

[0002] 全断面掘进机在富水砂卵石上软下硬地层等复杂地质地层掘进刀具易磨损。尤其是滚刀在复合地层的掘进状态监测非常困难，一旦磨损无法及时监测更换将对掘进施工带来巨大的风险。目前，常见的滚刀磨损检测有油液式、电阻式，其只能检测滚刀刀具磨损临界点，未能实时监测滚刀偏磨、滚刀卡盘、刀圈应力崩断、非均匀磨损等异常磨损状态，并且其检测的精度局限性受地质环境等因素大。

[0003] 经检索，CN108387261A公开一种箱体内侧的磨损检测装置，不能准确反映刀具的正常磨损状况，且电阻式传感器的抗干扰性差；也无法检测冲击力对刀圈及刀轴的影响；温度传感器设置在箱体内，测量点仅为刀刃部位，难以准确显示磨损对于刀轴刀具的影响，无法判定是否发生非均匀形式的磨损。

[0004] 设计人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的刀具检测系统，使其更具实用性。经过不断研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种盾构机常压换刀刀具检测系统。

[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种盾构机常压换刀刀具检测系统，包括温度传感器、旋转传感器、应力传感器及磨损检测液压传感器，用于实时监测盾构机滚刀刀具状态，并通过可视化的界面展示，帮助施工人员和司机判断是刀具安全状态；

[0007] 所述温度传感器安装在刀轴的第一安装孔内，实时获取刀具温度数据，所述刀具温度数据用于间接判定滚刀是否发生非均匀磨损的不正常现象，包括滚刀偏磨、滚刀卡盘、刀圈应力崩断、非均匀磨损和/或掘进速度过大；

[0008] 所述旋转传感器安装在刀轴两端，实时记录滚刀刀圈的转速数据，所述转速数据用于判定滚刀是否发生卡盘、偏磨等状态；

[0009] 所述应力传感器安装在刀轴的第二安装孔和第三安装孔内，检测突变应力对滚刀刀轴刀圈的影响，用于判定滚刀是否轴承磨损或刀圈崩裂；

[0010] 所述磨损检测液压传感器是安装在滚刀刀筒外部的磨损检测供油管路上的油压式传感器，检测刀具磨损是否达到磨损临界值，用于判定是否需要更换滚刀。

[0011] 作为优选，所述第一安装孔开设在刀轴的端部。所述第二安装孔和第三安装孔在刀轴的轴向上间隔一定距离布置。

[0012] 作为优选，使用温度应力保护罩对温度传感器和应力传感器的出线电缆和密封保护，所述温度应力保护罩安装在刀轴上，通过在头部开螺纹和液压油管相连至刀盖内部，在刀盖外部设有温度应力转接板接插件，所述温度应力转接板接插件通过电缆和刀具无线采集模块连接。

[0013] 具体地，刀盖上还安装旋转转接板接插件，旋转转接板接插件下部接头和旋转传感器出线电缆相接，旋转转接板接插件上部通过接插件电缆和刀具无线采集模块连接。

[0014] 具体地，磨损检测主要包括刀筒前段的磨损检测刀和常压仓内的磨损检测液压传感器；磨损检测刀内部充有一定压力的液压油，磨损检测液压传感器安装在液压油的供油管路上。

[0015] 具体地，还包括刀具无线采集模块，主要包括电池仓和电路板仓；刀具无线采集模块采用天线内置方式将无线信号发射出去；刀具无线采集模块通过电缆连接刀筒上温度应力转接板接插件、旋转转接板接插件和常压仓内的磨损检测液压传感器，实时采集相关传感器的信号，并进行信号数据解析，相关数据进行无线传输；在进行常压换刀时，可以拨出连接在刀筒上的温度应力转接板和旋转转接板上的电缆，用堵头堵住接插件位置，将刀筒拔出进行换刀。

[0016] 具体地，在常压仓隔板上(常压仓外部)安装无线接收模块，通过在常压仓隔板上开孔把无线接收模块天线穿入常压换刀仓内，实时无线接收来自常压仓内刀具无线采集模块发送的信号。

[0017] 使用时，常压换刀刀具检测系统包括安装在常压换刀仓内的硬件模块和传感器部分，无线接收模块，司机室内的控制系统；常压换刀仓内的硬件模块和传感器部分，主要包括安装在常压换刀仓内的刀具无线采集模块、磨损检测液压传感器和刀筒内传感器部分；刀筒内传感器部分主要包括安装在刀轴上的温度传感器，通过改造刀轴检测应力的应力传感器，检测滚刀旋转的旋转传感器；磨损检测液压传感器安装在刀筒外部的磨损检测供油管路上；刀具无线采集模块安装在对应采集刀筒附近的安装板上，主要包括电池仓和电路板仓组成；电池仓内放置可更换充电的电池，给电路板仓中的电路板进行供电；刀具无线采集模块通过电缆连接刀筒上温度应力转接板接插件、旋转转接板接插件和常压仓内的磨损检测液压传感器，实时采集相关传感器的信号，并进行信号数据解析，相关数据进行无线传输。无线接收模块实时无线接收来自常压仓内刀具无线采集模块发送的信号，并通过有线RS485通讯方式将信号传输至司机室内的控制系统；司机室内控制系统主要包括三菱PLC和电脑，三菱PLC接收无线接收模块的数据，通过TCP/IP和电脑上位机软件进行通讯，上位机软件实时显示刀具的温度、旋转、应力和磨损数值，报警信息等。

[0018] 发明原理：发明人通过研究滚刀磨损机理，结合采用温度传感器、旋转传感器、应力传感器及磨损检测液压传感器实时监测滚刀刀具的温度、旋转、应力、磨损等全状态。同时可通过可视化的界面展示相关状态信息，进而帮助施工人员和司机判断是否进行更换刀具。

[0019] 温度传感器：通过实时监测刀具的温度，来间接判定滚刀是否发生非均匀磨损的不正常现象；

[0020] 旋转传感器：通过实时记录滚刀刀圈的转速，判定滚刀是否发生卡盘、偏磨等状态；

[0021] 应力传感器：通过安装在刀轴位置的应力应变传感器，来检测突变应力对滚刀刀轴刀圈的影响，判定滚刀是否轴承磨损或刀圈崩裂；

[0022] 磨损检测液压传感器：通过安装在滚刀刀筒外部的磨损检测供油管路上的油压式传感器和安装在滚刀刀筒前端的磨损检测刀来检测，在磨损检测刀内部开孔，冲入一定压力的液压油，判断油压式传感器数值是否变成零，来判定刀具磨损是否已经磨损和是否需要更换滚刀。

[0023] 有益效果：本发明在常压换刀仓内刀筒及刀轴上特别设计安装了相应的传感器，实时检测滚刀的状态，可及时发现滚刀的偏磨和磨损，可以检测滚刀承受前方应力，判断刀具是否损坏及发生偏磨等情况，提高了施工效率，而且接插件设计令换刀过程方便快速。

[0024] 除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例的系统架构图；

[0026] 图2为本发明实施例中刀筒内硬件示意图；

[0027] 图3为本发明实施例中应力传感器设计图；

[0028] 图4为本发明实施例中应力传感器出线和温度传感器安装位置设计图；

[0029] 图5为本发明实施例中温度和应力传感器的保护罩设计图；

[0030] 图6为本发明实施例中旋转转接板接插件的结构图；

[0031] 图7为别发明实施例中无线采集模块双电源供电系统示意图。

具体实施方式

[0032] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0033] 下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。

[0034] 本实施例的盾构机常压换刀刀具检测系统如图1‑6所示，包括安装在常压换刀仓内的硬件模块和传感器部分，无线接收模块，司机室内的控制系统。

[0035] 其中，常压换刀仓内的硬件模块和传感器部分，主要包括安装在常压换刀仓内的刀具无线采集模块5、磨损检测液压传感器4和刀筒9内传感器部分；刀筒9内传感器部分主要包括安装在刀轴12上的温度传感器1，通过改造刀轴12，安装在刀轴左27、刀轴右28两个位置检测应力的应力传感器2。检测滚刀21旋转的旋转传感器3；磨损检测液压传感器4安装在刀筒9外部的磨损检测的供油管路上；刀具无线采集模块5安装在对应采集刀筒附近的安装板上。

[0036] 旋转检测是通过旋转传感器3和均匀分布在滚刀刀毂上的八个磁铁36来进行检测，当旋转传感器3检测到一个磁铁36，无线采集模块5纪录一个脉冲，通过该脉冲计算该滚刀旋转的速度；旋转传感器3安装在旋转保护罩26内部，旋转传感器3电缆通过旋转保护罩26和液压油管24相连至刀盖19内部，在刀盖19外部安装一个旋转转接板接插件11，最终和刀具无线采集模块5相连。

[0037] 温度传感器1通过在检测刀轴12的温度来检测滚刀21的温度，在滚刀21的刀轴12上开一个小孔13，安装温度传感器1；应力传感器2是基于应变片原理，通过在27和28位置打孔贴入应变片，两个应变片通过14位置出线；温度传感器1和应力传感器2出线电缆和密封是通过温度应力保护罩15进行保护密封，温度应力保护罩15通过六个安装螺栓29安装在刀轴12上，通过在头部开螺纹30和液压油管25相连至刀盖19内部，在刀盖19外部安装一个温度应力转接板接插件10，最终温度应力转接板接插件10通过电缆和刀具无线采集模块5连接。

[0038] 旋转转接板接插件11通过安装螺栓33安装在刀盖19上，旋转转接板接插件11下部接头32和旋转传感器3出线电缆相接，旋转转接板接插件11上部31通过接插件电缆和刀具无线采集模块5连接；旋转转接板接插件11通过在34位置安装密封圈进行密封，若旋转检测的液压油管24破损进水，密封圈可以承受不低于15Mpa的水压进行密封保护。

[0039] 磨损检测主要包括刀筒9前段的磨损检测刀16和磨损检测液压传感器4；对刀筒9焊接一个磨损检测刀16，在其内部开孔，充有一定压力的液压油；磨损检测刀16通过液压油管23连接到刀盖19上，刀盖外部直接连接油管接头18，油管接头18连接在磨损检测的供油管路上，磨损检测液压传感器安装在该刀筒磨损检测的供油管路上。

[0040] 刀具无线采集模块5，主要包括电池仓和电路板仓组成；刀具无线采集模块5采用天线内置方式35将无线信号发射出去；电池仓内放置可更换充电的电池，给电路板仓内的电路板进行供电；刀具无线采集模块5通过电缆连接刀筒9上温度应力转接板接插件10、旋转转接板接插件11和常压仓内的磨损检测液压传感器4，实时采集相关传感器的信号，并进行信号数据解析，相关数据进行无线传输；在进行常压换刀时，可以拨出连接在刀筒9上的温度应力转接板10和旋转转接板11上的电缆，用堵头堵住接插件位置，方便刀筒9拔出进行换刀。

[0041] 所述的无线采集模块5有两种供电方式，电池仓电池42供电和外部电源43供电；外部电源43与电池仓内电池42通过DC/DC模块连接，当外部电源43断电时，由电池仓电池42对电路板仓进行供电；当检测到外部电源43有电时，外部电源43同时给电路板仓进行供电和自动给电池仓内电池进行充电，最大充电电流及充电截止电压是可以控制的；所述的外部电源43供电与内部电池供电经两个二极管40和41输入给无线采集模块5，当外部电源43电压高于电池仓内电池42电压时，上面二极管40正向导通，下面二极管41反向截止，此时由外部电源43供电；当外部电源43电压低于电池电压或没有电压时，上面二极管40反向截止，下面二极管41导通，此时由电池仓内电池42供电。

[0042] 所述的外部电源43是从盾体内引一路24V电源经过中心回转节37内的供电滑环到常压仓内的刀具检测有源电源箱38；所述的刀具检测有源电源箱38安装在常压仓内的中心回转节37上，内部包括DC/DC的24V稳压电源，保证经过中心回转节37内滑环的供电电压不会突变，以保护无线采集模块5的目的；所述的刀具检测有源电源箱38跟随中心回转节37进行旋转，至无线采集模块5的供电电缆是从常压仓内中心回转节37的Y两路进入，Y型叉中的一路刀盘一半辐条上无线采集模块5的供电，另外一路对刀盘另外一半刀盘辐条上的无线采集模块5供电。

[0043] 无线接收模块6安装在常压仓隔板上(常压仓外部)，通过在常压仓隔板上开孔把无线接收模块6天线穿入常压换刀仓内，实时无线接收来自常压仓内刀具无线采集模块5发送的信号。

[0044] 司机室内的控制系统，主要包括三菱PLC7(用于数据采集)和电脑8(用于数据处理)，无线接收模块6通过有线RS485通讯和三菱PLC7通讯，把实时检测到的数据传输到三菱PLC7中，三菱PLC7通过TCP/IP和电脑8上位机软件进行通讯，上位机软件实时显示刀具的温度、旋转、应力和磨损数值。

[0045] 上位机控制软件用于实时显示滚刀的温度、旋转、应力和磨损数值；PLC通讯状态；显示通过计算的最新刷新时间，显示滚刀中由于滚刀状态变化引起报警的报警信息，显示刀盘的旋转状态；可以实时查看每把刀具的相关状态数据信息；可以实时查看每个刀具的相关状态报警信息；可以查看每个刀具的相关状态的曲线图表；可以设置刀具无线采集模块5的采集数据频率，节省电量。

[0046] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0047] 结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0048] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。