劉招偉, 王百泉, 尚 偉

(1. 中鐵電氣化局集團公司， 北京 100036； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院, 廣東 廣州 511455)

基于超聲波的盾構切刀磨損無線檢測系統(tǒng)研究

劉招偉1, 王百泉2, 尚 偉2

(1. 中鐵電氣化局集團公司， 北京 100036； 2. 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院, 廣東 廣州 511455)

刀具磨損檢測已經(jīng)成為盾構法施工隧道的關鍵技術之一，也是施工遇到的最大難題之一。為實現(xiàn)實時探查復雜地質條件下刀具磨損情況，掌握刀具磨損變化規(guī)律，及時更換刀具，減少盾構被迫停機次數(shù)，加快施工進度，結合超聲波檢測技術及無線通訊技術，研發(fā)一套盾構切刀磨損檢測系統(tǒng)?，F(xiàn)場應用證明： 1)系統(tǒng)檢測結果與實際測量結果一致性較好，超聲波檢測技術可用于盾構刀具磨損檢測； 2)433 MHz頻段無線通訊技術傳輸信號準確、可靠，可用于盾構刀具在線實時測量； 3)檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，其方案設計合理，具有抗振、抗干擾和防水的性能。

盾構； 切刀； 磨損； 超聲波； 無線； 檢測

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步，我國工程建設迎來了快速發(fā)展時期。盾構是一種用于隧道開挖的大型高科技施工裝備，它具有開挖快、優(yōu)質、安全、經(jīng)濟、有利于環(huán)境保護和降低勞動強度的優(yōu)點。盾構法已經(jīng)成為隧道開挖常用的方法。

盾構在穿越軟硬不均段及中風化花崗巖等不良地質體時會出現(xiàn)刀具磨損嚴重、刀盤扭矩增大和掘進困難等現(xiàn)象，致使被迫停機、開艙換刀。這樣會增大卡盾、掌子面坍塌等施工風險，同時也嚴重威脅換刀人員的安全，對隧道施工周期、成本造成嚴重影響，故需要對盾構刀具檢測進行深入研究。工程中已有較多的應用方法，其中開艙檢驗法的檢測結果最為準確，但是風險較大。文獻[1]對氣味法、液壓法等感應方法進行了說明； 文獻[2]對通電式刀具檢測法進行了研究。以上方法只能在刀具磨損到一定程度時產(chǎn)生指示，不能實現(xiàn)實時檢測。掘進參數(shù)分析法原理上能夠實現(xiàn)動態(tài)檢測刀具磨損狀態(tài)。文獻[3-7]對該方法進行了系列研究，但是由于影響盾構刀具磨損的因素較多，數(shù)據(jù)量較少，其準確性不高。文獻[8]分析了多種檢測方法，指出超聲波檢測法是唯一可進行實時檢測磨損的方法。文獻[9]分析了盾構刀具磨損檢測的發(fā)展方向，指出超聲波傳感器可用于盾構切刀的磨損檢測。文獻[10]研究了新型超聲波式盾構刀具磨損檢測系統(tǒng)，提出RS-485通訊方式可實現(xiàn)連續(xù)檢測，具有實時顯示的功能。文獻[11]對盾構刀具磨損超聲波檢測系統(tǒng)進行了室內(nèi)試驗研究，提出探頭與測線連接部位容易滲入液體，影響檢測結果。盾構刀盤在工作狀態(tài)下是轉動的，RS-485 通訊方式布線有困難，文獻[10-11]只進行了室內(nèi)研究，缺乏現(xiàn)場應用實例，難以推廣應用。

采用超聲波檢測技術和無線通訊技術，對盾構切刀磨損檢測進行研究，并研制出一套檢測系統(tǒng)。相對于現(xiàn)有的檢測技術而言，該檢測系統(tǒng)能夠在線實時檢測盾構切刀的磨損狀態(tài)，精度和準確性較高，且采用無線通訊技術，可以解決布線困難的問題，使檢測系統(tǒng)的結構更為簡單、可靠，便于推廣應用。本文將對超聲波檢測技術的可行性、傳感器安裝、信號通訊、數(shù)據(jù)處理以及現(xiàn)場應用情況進行介紹。

1 盾構刀具磨損超聲波檢測的可行性研究

1.1測量原理可行性分析

超聲波測厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當超聲波換能器發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回超聲波換能器，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測量。按此原理設計的測厚儀可對各種板材和各種加工零件進行精確測量，也可以對生產(chǎn)設備中各種管道和壓力容器進行監(jiān)測，監(jiān)測它們在使用過程中受腐蝕后的減薄程度，可廣泛應用于石油、化工、冶金、造船、航空和航天等各個領域。

與傳統(tǒng)的測量方法相比，超聲波檢測的優(yōu)點在于其只要求接觸被測工件的一面即可完成厚度測量。盾構切刀磨損檢測對象為合金刀頭，在工作時無法直接測量其工作面的磨損量，可在合金刀頭底面采用超聲波檢測其厚度，根據(jù)合金刀頭厚度的變化，從而達到測量其磨損量的目的。

1.2超聲波換能器性能分析

超聲波換能器安裝固定在盾構切刀刀體內(nèi)部，是檢測系統(tǒng)的重要組成部分。由于其工作在高溫、潮濕、劇烈振動的惡劣環(huán)境中，選用性能穩(wěn)定、可靠的換能器是超聲波無線檢測系統(tǒng)研發(fā)的首要任務。

常見超聲波換能器技術參數(shù)如下。

1)測量精度： ±(0.5%H+0.01) mm，H為被測物實際厚度。

2)分辨率： 0.1 mm/0.01 mm。

3)測量范圍： 0.65～600 mm。

4)聲速范圍： 1 000～9 999 m/s。

5)工作頻率： 0.4～5 MHz。較低的頻率用于粗晶材料和衰減較大材料的檢測，較高頻率用于細晶材料和高靈敏度材料的檢測。

盾構切刀耐磨塊厚度一般為40～60 mm。在磨損檢測中，主要是研究切刀磨損規(guī)律、掌握切刀磨損量，為盾構換刀作業(yè)提供參考。結合超聲波換能器相關技術參數(shù)進行分析，其測量精度、分辨率、測量范圍等均滿足切刀耐磨塊厚度的測量要求。鑒于切刀耐磨塊合金屬于細晶材料，宜采用5 MHz高頻檢測。

2 檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式研究

超聲波檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸方式包括有線傳輸方式和無線傳輸方式。有線傳輸方式受限于刀盤刀具的工作環(huán)境，故不推薦采用。相比較而言，無線傳輸方式更適合用于盾構切刀磨損檢測的需求。下文對有線傳輸方式進行簡要說明，重點介紹信號的無線傳輸。

2.1有線傳輸方式

采用有線傳輸方式時，數(shù)據(jù)線和電源線的安裝是難以解決的問題。需通過盾構中心旋轉接頭安裝特殊的旋轉接口，在中心旋轉接頭出廠前進行設計、制造完成。旋轉接口存在磨損，影響使用壽命，且工作環(huán)境復雜，現(xiàn)有技術水平條件下難以解決，故不建議使用。

2.2無線傳輸方式

無線通訊技術是采用調(diào)制技術將特征信號與高頻載波合成，利用高頻載波傳輸距離遠的特點，將特征信號傳播到遠處的信號接收裝置。該裝置可以將接收到的高頻信號進行解調(diào)，獲取有價值的特征信號。

相對于有線傳輸方式，無線傳輸方式的優(yōu)點如下：

1)無線傳輸方式布線簡便，集成化程度高。

2)不需要對盾構中心旋轉接頭進行專門設計、制造，即可實現(xiàn)刀具檢測數(shù)據(jù)傳輸功能。

目前，常用的無線通訊技術主要有ZigBee、藍牙、紅外、Wi-Fi和433 MHz等。ZigBee有效傳輸距離較短，穿透障礙物的能力較差。藍牙技術主要用于手機、電腦及其附件之間的無線數(shù)據(jù)通訊，傳輸距離短、速率低，在2 m內(nèi)易受其他信號干擾。紅外通訊技術波長短、繞射能力差，適合近距離、點對點無線傳輸，易受障礙物影響。Wi-Fi無線通訊技術工作頻率高、波長小、繞射能力差，遇到障礙物時，無線信號的覆蓋強度會減弱，影響傳輸效果。433 MHz工作頻段的無線通訊技術頻率低，波長較大，信號傳輸過程衰減較小，繞射能力強，無線通訊的有效傳輸距離可大于10 m，可確保在通訊環(huán)境惡劣的場合下實現(xiàn)信號的可靠傳輸。

無線信號在空氣中傳輸時的損耗

Los=32.44+20lgd+20lgf。

(1)

式中： Los為傳輸損耗，dB；d為距離，km；f為工作頻率，MHz。

由式(1)可知： 1)傳輸過程信號的損耗與工作頻率成正比，即工作頻率越高傳輸過程的損耗越大； 2)在同樣傳輸損耗的情況下，無線傳輸距離與工作頻率成反比，即工作頻率越高無線傳輸距離越短。

結合盾構切刀的工作環(huán)境，因地層結構復雜，無線信號傳輸易受干擾。若無線信號的發(fā)射頻率過小，則發(fā)射信號不能到達接收端； 若發(fā)射頻率過大，則耗費電池電量較大，無法保證長時間持續(xù)提供電量，同時信號的有效傳輸距離也會降低。文獻[12-16]對地層中無線通訊技術進行了研究，認為300～1 000 MHz為比較適合盾構環(huán)境下的無線傳輸工作頻率； 并且市場上該類產(chǎn)品較多，技術較為成熟，故采用433 MHz頻段的無線通訊技術。該頻段無線電波波長較大，具有較強的繞射能力，可穿越泥漿巖石層，在一定角度范圍內(nèi)，確保接收端都能夠接收到無線信號。

3 盾構切刀磨損檢測無線通訊裝置方案設計

盾構切刀磨損檢測無線通訊裝置主要包括超聲波換能器、檢測刀具、耦合劑、數(shù)據(jù)采集與發(fā)射(無線模塊)、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送(無線模塊)、數(shù)據(jù)處理等，如圖1所示。

1—檢測刀具(含超聲波換能器、耦合劑)； 2—數(shù)據(jù)采集與發(fā)射(含電源)； 3—刀盤； 4—前盾； 5—前盾氣墊艙； 6—中盾； 7—數(shù)據(jù)接收與發(fā)送； 8—信號線； 9—數(shù)據(jù)處理終端。

圖1盾構刀具磨損超聲波檢測裝置原理示意圖

Fig. 1 Sketch of working principle of ultrasonic device for shield cutting tool wear detection

檢測裝置采用超聲波換能器對切刀耐磨塊的厚度進行實時測量，并由數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊以433 MHz無線通訊方式將數(shù)據(jù)信息傳至數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊，再由數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊以RS-485總線通訊技術將信號傳至盾構控制室內(nèi)PC機，并由盾構刀具磨損檢測系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)處理。該裝置具有自動測量、手動測量、電量顯示、報警和數(shù)據(jù)自動保存等功能。

3.1數(shù)據(jù)采集與發(fā)射系統(tǒng)結構設計

數(shù)據(jù)采集與發(fā)射系統(tǒng)由檢測刀具、超聲波換能器、數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊、防護罩等組成，如圖2所示。

1—合金刀頭； 2—耦合劑； 3—超聲換能器； 4—刀體； 5—彈簧； 6—頂桿； 7—數(shù)據(jù)線； 8—鎖緊密封頭； 9—保護罩； 10—信號采集與發(fā)射模塊； 11—防護罩； 12—頂桿； 13—環(huán)氧板； 14—法蘭。

圖2數(shù)據(jù)采集與發(fā)射結構設計示意圖

Fig. 2 Sketch of data acquisition and emission structure design

在不影響盾構切刀強度與使用功能的條件下，對切刀進行適應性改造，以便于超聲波換能器的安裝，從而保證數(shù)據(jù)測量的準確性。根據(jù)換能器外型尺寸的大小，在切刀刀體尾部端面上加工一個通孔，孔徑大小以恰好放入換能器為宜，孔的末端有部分螺紋，用于安裝頂桿。在頂桿尾端螺紋上涂抹密封膠，采用頂桿與彈簧將超聲換能器壓緊在切刀耐磨塊底部。

同時，超聲換能器數(shù)據(jù)線由頂桿中間預留孔內(nèi)引出，和數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊連接，在數(shù)據(jù)線引出和接入孔處使用鎖緊螺母進行鎖緊密封。再由耦合劑預留孔向換能器處注入耦合劑，并封堵預留孔，防止耦合劑泄漏和外界泥土、水等雜質侵入，從而影響超聲換能器的正常工作。在切刀尾部設計防護罩，防止數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)線等被渣土重擊而導致?lián)p壞。數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊數(shù)據(jù)信息由環(huán)氧板一側發(fā)射出去。

3.2數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)結構設計

數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)由固定法蘭、環(huán)氧樹脂板、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)線接口等組成，如圖3所示。該部分結構是由盾構盾體前隔板電液通道進行改造而成，將環(huán)氧樹脂板、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊聯(lián)接在固定法蘭上，固定法蘭安裝在盾構前盾前側隔板上。數(shù)據(jù)與電源線由盾構主控室PC機沿盾構專用電液通道接入前盾，通過電液通道尾部接口接入數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊，并對接口進行密封處理。

盾構切刀磨損量數(shù)據(jù)信息由數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊通過環(huán)氧樹脂板一側接收，經(jīng)由數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊處理后，由數(shù)據(jù)線傳至主控室PC機，并形成刀具磨損曲線及信息文檔。

(a) 右視圖

(b) 主視圖

(c) 局部視圖

1—固定法蘭； 2—環(huán)氧樹脂板； 3—數(shù)據(jù)接收與發(fā)送； 4—數(shù)據(jù)線接口。

圖3數(shù)據(jù)接收與發(fā)送單元
Fig. 3 Data receiving and sending cell

3.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

結合盾構切刀磨損超聲波無線檢測系統(tǒng)工作原理及特點，專門設計了盾構刀頭磨損在線測量系統(tǒng)，主界面主要分為命令控制區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、波形顯示區(qū)和狀態(tài)顯示區(qū)。操作界面可顯示刀具磨損量、電源剩余電量、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)導出、耦合劑報警、磨損量報警和通訊報警等功能，如圖4所示。

圖4 刀具磨損數(shù)據(jù)采集用戶界面Fig. 4 User interface of cutting tool wear data acquisition

在用戶界面上設置了3把檢測刀具的相應功能。打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用軟件后，首先在命令控制區(qū)選擇需要采集的磨損刀具的編號，然后單擊“開始采集”命令。采集到的數(shù)據(jù)將會在數(shù)據(jù)顯示區(qū)和波形顯示區(qū)共同顯示，并及時以采集的時間為文件名，以excel文件格式自動保存，以便后期對數(shù)據(jù)進行分析。在數(shù)據(jù)顯示區(qū)，每把檢測刀具的數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊的電池電量也將顯示出來，為及時更換電池或充電提供可靠的信息。波形顯示區(qū)左上角的曲線工具可以實現(xiàn)波形的拉伸、移動和縮放等操作，以便于觀察。在檢測過程中，刀具檢測系統(tǒng)的狀態(tài)會顯示在狀態(tài)顯示區(qū)，“通訊”信號燈亮表示所選檢測刀具的通訊系統(tǒng)正常工作，不亮表示未被選擇或者出現(xiàn)故障?！榜詈蟿敝甘緹粲脕盹@示超聲換能器與合金刀頭是否耦合良好，燈亮表示耦合狀態(tài)良好，不亮表示未被選擇或者耦合出現(xiàn)故障。“報警燈”用于顯示是否達到規(guī)定的磨損量，當達到規(guī)定的磨損量時，該指示燈亮。

4 現(xiàn)場應用

4.1工程概況

南昌市軌道交通2號線一期工程土建04標段路線起于地鐵大廈站(不含)，止于陽明公園站(不含)，含2站4區(qū)間及1座中間風井，區(qū)間隧道下穿贛江，線路全長4 339 m。其中，紅谷中大道站—陽明公園站區(qū)間長度為2 343 m，隧道穿越軟硬不均、全斷面泥質粉砂巖等地層，巖石強度為30 MPa。區(qū)間整體如圖5所示。

圖5 區(qū)間整體圖Fig. 5 Plan of layout of project

4.2檢測系統(tǒng)使用情況

為實現(xiàn)檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和分析，在中鐵161號盾構安裝了3套刀具磨損檢測系統(tǒng)。 2016年10月1日—2017年1月11日，盾構掘進714環(huán)，共計856.8 m。期間經(jīng)過236 m上軟下硬地層，620.8 m全斷面泥質粉砂巖。截至目前，盾構切刀磨損超聲波無線檢測系統(tǒng)工作正常，刀具合金厚度初始值、磨損量檢測數(shù)據(jù)、開艙檢測數(shù)據(jù)等如圖6、圖7和表1所示。

為保證盾構在全斷面泥質粉巖順利掘進，在盾構掘進至419環(huán)時，項目部于2016年12月12—18日組織了開艙檢查和刀具更換工作。經(jīng)開艙檢查核對，3把檢測刀磨損量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)一致，證明盾構切刀磨損超聲波無線檢測系統(tǒng)性能可靠，檢測數(shù)據(jù)準確，如圖8、圖9和表1所示。

圖6 初始界面 Fig. 6 Initial interface

圖7 檢測數(shù)據(jù)與曲線Fig. 7 Detection data and curves

表1 切刀磨損量部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 1 Part of statistics of cutter wear

圖8開艙檢查刀具
Fig. 8 Cutting tool checking by chamber opening

圖9 開艙測量刀具磨損Fig. 9 Cutting tool wear measuring by chamber opening

5 結論與討論

1)對超聲波檢測技術在盾構刀具磨損檢測方面的可行性進行了分析，設計了一套檢測系統(tǒng)，并進行了現(xiàn)場應用，驗證了盾構刀具超聲波無損檢測的可行性。

2)通過對超聲波檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術的研究，研發(fā)出一種超聲波式盾構刀具耐磨塊磨損量無線實時檢測系統(tǒng)，完成了檢測系統(tǒng)的軟件和硬件配置，解決了盾構刀具磨損超聲波檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、在線實時測量等技術難題。

3)提出了盾構刀具超聲波無線檢測系統(tǒng)中超聲波換能器、刀具測點設置、信號采集與傳輸、實時顯示和分類報警等設計方案，現(xiàn)場驗證安全可靠，解決了系統(tǒng)的安裝、抗振、抗干擾及防水設計等問題，提高了檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

4)由于現(xiàn)場應用時間有限，該系統(tǒng)的耐久性及電池更換時間尚未有定論，一種系統(tǒng)的耐久性應當經(jīng)過多次且較長時間的驗證，可在今后繼續(xù)開展類似的現(xiàn)場試驗。

5)經(jīng)過泥水盾構現(xiàn)場應用試驗，表明泥水盾構刀具溫度對測量精度基本沒有影響。

6)該系統(tǒng)可用于檢測切刀、邊刮刀等固定類刀具，以及刀盤面板。

7)在土壓平衡盾構上應用該系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗研究是今后研究的方向之一。

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StudyofWirelessDetectionSystemofShieldCutterWearBasedonUltrasonic

LIU Zhaowei1, WANG Baiquan2, SHANG Wei2

(1.ChinaCRECRailwayElectrificationBureauGroup,Beijing100036,China; 2.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

The cutting tool wear detection of shield has become one of the key technologies of shield tunneling construction; also it is one of the greatest difficulties during shield tunneling construction. In order to realize real-time detection of the wear conditions and wear laws of cutting tool in complex geology, timely cutting tool replacement, reduction of unpurposed shield stop and speeding up construction schedule, a series of shield cutting tool wear detection system is developed based on ultrasonic detection technology and wireless communication technology. The application of the system shows that: 1) The detection results of the system coincide with the monitoring results well, which illustrates that the ultrasonic technology is available for shield cutting tool wear detection. 2) The 433 MHz wireless communication technology is available for online real-time monitoring of shield cutting tool; and it shows high accuracy and reliability. 3) The detection system, has the characteristics of anti-vibration, anti-interference and water-proof; also it is stable and rational.

shield; cutter; wear; ultrasonic; wireless; detection

2017-04-05;

2017-07-20

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973 計劃)(2015CB057803)； 國家自然科學基金資助項目(51408191)

劉招偉(1962—)，男，江西吉安人，2003年畢業(yè)于中國地質大學，隧道及地下工程專業(yè)，博士，教授級高級工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程技術管理工作。E-mail: 279272419@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.017

U 45

A

2096-4498(2017)11-1469-06