卓興建， 路亞緹

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州　450016)

0　引言

刀具維護(hù)是盾構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。目前，盾構(gòu)操作司機(jī)無(wú)法在掘進(jìn)過(guò)程中觀察刀具磨損情況，對(duì)刀盤(pán)、刀具進(jìn)行檢查時(shí)必須停機(jī)，且進(jìn)行人工檢修前施工作業(yè)人員需要大量的準(zhǔn)備時(shí)間，這在很大程度上影響了掘進(jìn)速度[1]。此外，在檢修過(guò)程中，由于刀盤(pán)、刀具處于未支護(hù)區(qū)域，因此會(huì)對(duì)檢修人員造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，刀具可視化管理問(wèn)題一直是盾構(gòu)行業(yè)研究的關(guān)鍵課題。

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)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(hù)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磨損情況，只有刀具磨損到失效時(shí)才有信號(hào)輸出； 2)基于超聲波定位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]，其也可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具磨損量，但對(duì)通訊要求較高，如何把信號(hào)很好地從發(fā)射端傳輸至接收端是其技術(shù)難點(diǎn)，且對(duì)防護(hù)要求較高，供電時(shí)間有限。

本文論述的盾構(gòu)刀盤(pán)磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使盾構(gòu)司機(jī)綜合盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)數(shù)及掘進(jìn)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(chǔ)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(fēng)險(xiǎn)，增加刀盤(pán)刀具的使用壽命，實(shí)現(xiàn)刀具磨損量的可視化管理，輔助盾構(gòu)司機(jī)判斷是否需要更換刀具，提高盾構(gòu)的工作效率，對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用電阻變化原理測(cè)量刀具磨損量，經(jīng)信號(hào)采集并轉(zhuǎn)換為串口信號(hào)，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(jī)。

此套系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)6路刮刀和撕裂刀的實(shí)時(shí)磨損量，監(jiān)測(cè)精度為2 mm，監(jiān)測(cè)范圍為0～40 mm，可在刮刀及撕裂刀磨損量達(dá)到一定值時(shí)預(yù)警。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

刀具磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(guò)刀梁內(nèi)的防護(hù)，可以保證傳感器不損壞且通訊信號(hào)良好。傳輸子系統(tǒng)通過(guò)滑環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出系統(tǒng)由接收模塊輸出的6路標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸入到上位機(jī)，以實(shí)時(shí)顯示刀具磨損量。刮刀磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　刮刀磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的傳感器采用電阻變化原理測(cè)量刀具磨損量，電路板外側(cè)填充環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)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(guò)電滑環(huán)接收放大器發(fā)送的傳感器電信號(hào)。放大器以300 ms的頻率發(fā)送傳感器的磨損量信號(hào)，接收器接收485的串行信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，輸出4～20 mA信號(hào)。此信號(hào)可由PLC的AI模塊直接接收，并做相應(yīng)的程序處理。磨損量傳輸至上位機(jī)，供盾構(gòu)司機(jī)參考判斷。刮刀及撕裂刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

2　系統(tǒng)基本組成

2.1　復(fù)雜工況下的通訊系統(tǒng)

電滑環(huán)可實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)傳感器的供電及通訊數(shù)據(jù)的傳輸，是實(shí)現(xiàn)2個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)木茌旊娧b置，特別適合應(yīng)用于無(wú)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(chǎng)所。

圖2　刮刀及撕裂刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)時(shí)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(pán)同步。在回轉(zhuǎn)中心面上開(kāi)一個(gè)直達(dá)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(pán)刀梁內(nèi)放大器，轉(zhuǎn)子線中間用航空插頭進(jìn)行連接，便于刀盤(pán)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(fù)雜工況下傳感器的防護(hù)系統(tǒng)

在復(fù)雜工況下，為了不影響刀具的強(qiáng)度，需要保證嵌入到刀體內(nèi)的傳感器牢固可靠，防水等級(jí)較高，同時(shí)需要滿足測(cè)量精度。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳感器的安裝是滿足上述條件的關(guān)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(zhǎng)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(shí)，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(gè)傳感器尾部出線(4芯屏蔽線)長(zhǎng)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(pán)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(hù)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(kāi)孔尺寸會(huì)影響傳感器的測(cè)量準(zhǔn)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(duì)應(yīng)傳感器尾座部分的直徑為9～10 mm，各段長(zhǎng)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(huì)引起測(cè)量誤差。刮刀和撕裂刀開(kāi)孔位置及尺寸分別如圖6和圖7所示，選擇刀具前段2個(gè)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(huì)增大傳感器的測(cè)量誤差，故應(yīng)先嵌入鋼柱堵上該孔，再重新按尺寸打孔。

撕裂刀通過(guò)螺栓固定連接在刀盤(pán)底座上，而傳感器底部設(shè)計(jì)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(cè))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(duì)傳感器裸露線的防護(hù)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖6　刮刀開(kāi)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(hù)設(shè)計(jì)

圖10刮刀安裝及防護(hù)設(shè)計(jì)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(shù)脂(環(huán)氧樹(shù)脂本體和固化劑)固定傳感器。將環(huán)氧樹(shù)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(shí)間不超過(guò)10 min，否則膠液將開(kāi)始固化，流動(dòng)性將變差。倒入孔內(nèi)的膠液離端口約15 mm時(shí)，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(shù)脂與刀具材料的黏結(jié)強(qiáng)度。澆筑時(shí)，下面的小孔用膠帶紙封住，并用強(qiáng)磁鐵片吸住小孔，防止膠液外流。當(dāng)澆筑完成2/3時(shí)，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(guò)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(guān)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(gè)方面并參考文獻(xiàn)[6-9]，本項(xiàng)目選用BECKHOFF的BK9103作為主控制器。該CPU可連接多個(gè)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(xiàng)目需要。

(a) 澆筑過(guò)程中傳感器狀態(tài)(b) 澆筑后傳感器狀態(tài)

圖11澆筑過(guò)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(gè)輸入點(diǎn)(數(shù)字量及模擬量)和輸出點(diǎn)。DI是數(shù)字量輸入模塊，選型時(shí)根據(jù)輸入的點(diǎn)數(shù)和按鈕(開(kāi)關(guān))的距離等進(jìn)行綜合考慮；DO是數(shù)字量輸出模塊，主要控制外部設(shè)備；AI是模擬量輸入模塊，由傳感器的點(diǎn)數(shù)、傳感器輸出的信號(hào)(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(jiàn)的電流為4～20 mA，電壓為 0～10 V。本項(xiàng)目選用IO模塊倍福KL3458，該模塊有8路輸入點(diǎn)(4～20 mA )。

3　系統(tǒng)工作原理

3.1　磨損傳感器測(cè)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(duì)其采取并行連接；然后，根據(jù)事先設(shè)計(jì)的測(cè)量精度以及總的電阻值和磨損量之間的線性關(guān)系，得出設(shè)計(jì)的每個(gè)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(guān)系，可以得出總阻值的變化，進(jìn)而計(jì)算出刀具的磨損量。以此原理設(shè)計(jì)出如2.3節(jié)所述的安裝方式，實(shí)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(jì)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(zhǎng)度的電阻，當(dāng)導(dǎo)線材質(zhì)分布均勻時(shí)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(pán)和刀具與盾體呈相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故設(shè)計(jì)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(pán)360°無(wú)限制旋轉(zhuǎn)的供電和通訊問(wèn)題，能更好地傳輸動(dòng)力和信號(hào)，供電和傳輸信號(hào)在滑環(huán)內(nèi)集中，完全能避免動(dòng)力與信號(hào)間、信號(hào)與信號(hào)間的干擾問(wèn)題，且能防止外界對(duì)滑環(huán)內(nèi)部的電磁干擾。電滑環(huán)轉(zhuǎn)子出線處設(shè)計(jì)一個(gè)M20的防水接頭，防止前方涌水進(jìn)入盾體，電滑環(huán)防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)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(diǎn)接觸，進(jìn)而提高導(dǎo)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(hào)傳輸異常，可在滑環(huán)轉(zhuǎn)子出線處連接一個(gè)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(hù)等級(jí)可達(dá)到IP67。為保證電刷與電滑環(huán)的導(dǎo)電環(huán)充分接觸，導(dǎo)電環(huán)被設(shè)計(jì)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(dòng)接觸來(lái)傳遞信號(hào)及導(dǎo)通電流的。

4　系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

該套刮刀磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2017年應(yīng)用于北京新機(jī)場(chǎng)線地鐵項(xiàng)目(磁各莊站—1號(hào)風(fēng)井區(qū)間)。該項(xiàng)目全長(zhǎng)43 km，其中，高架和地面線長(zhǎng)18.2 km，U型槽和地下線長(zhǎng)24.8 km，共設(shè)3座車站，全部為地下站，分別為新機(jī)場(chǎng)北航站樓站、磁各莊站、草橋站。其中，磁各莊站—1號(hào)風(fēng)井區(qū)間的地層為第四紀(jì)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(xì)粒土。

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)周期為2個(gè)月，采樣頻率為300 ms。掘進(jìn)至115環(huán)時(shí)，刀具磨損監(jiān)測(cè)點(diǎn)4和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6出現(xiàn)異常情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4出現(xiàn)40 mm磨損量，且出洞后從該監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的電流是20 mA，總電阻是無(wú)窮大。經(jīng)驗(yàn)證可知監(jiān)測(cè)點(diǎn)4出現(xiàn)了斷線的情況。經(jīng)拆開(kāi)天窗(如圖12所示)檢查發(fā)現(xiàn)，在刀盤(pán)內(nèi)布置的傳感器線出現(xiàn)斷線，與驗(yàn)證相符。監(jiān)測(cè)點(diǎn)6通過(guò)萬(wàn)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(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果

上位機(jī)采集的刀具磨損量數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2，出洞后經(jīng)過(guò)手動(dòng)測(cè)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(wú)窮大)。2)電阻值見(jiàn)表3。

圖12　刀盤(pán)天窗位置

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

表3　出洞后的電阻值

由測(cè)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(cè)量過(guò)程： 用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量傳感器2號(hào)(橙色)及3號(hào)(藍(lán)色)之間的電阻值(兩端代表傳感器電路板的總阻值)。

2) 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)： 信號(hào)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(guò)電流值與磨損量的線性關(guān)系進(jìn)行計(jì)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(shí)際磨損量(見(jiàn)表2)進(jìn)行對(duì)比，誤差約為2 mm。由此可知此套系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，且可同時(shí)測(cè)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(qiáng)，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(shí)，需將采集儀器放置于泥水艙隔板后側(cè)與刀盤(pán)剛性連接處，可有效降低故障率。

此系統(tǒng)還需加強(qiáng)防護(hù)以避免震動(dòng)導(dǎo)致航空插頭松動(dòng)或?qū)Ь€斷裂，同時(shí)需要避免進(jìn)水導(dǎo)致線路短路。工業(yè)性應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)劇烈震動(dòng)會(huì)影響信號(hào)，造成航空插頭松動(dòng)或?qū)Ь€斷裂，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)為40 mm。此外，由于環(huán)氧樹(shù)脂膠適用于5 ℃以上環(huán)境，而刀盤(pán)刀具在掘進(jìn)過(guò)程中溫度為60～80 ℃，所以采用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定傳感器不會(huì)影響傳感器及信號(hào)傳輸。此系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)周期僅2個(gè)月，且刮刀及撕裂刀磨損量很小，很難驗(yàn)證系統(tǒng)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和耐久性。在后期工業(yè)性試驗(yàn)中需加強(qiáng)防護(hù)，并不斷進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，延長(zhǎng)試驗(yàn)周期以驗(yàn)證電滑環(huán)的耐久性以及在高溫、高壓、劇烈震動(dòng)等惡劣條件下環(huán)氧樹(shù)脂的穩(wěn)定性。

此套系統(tǒng)是針對(duì)中鐵裝備盾構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的刮刀及撕裂刀磨損監(jiān)測(cè)裝置。該系統(tǒng)可測(cè)量刮刀及撕裂刀的磨損量，避免人工進(jìn)艙檢查刀具磨損，降低了人力消耗和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了刀盤(pán)刀具的使用壽命，實(shí)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(jī)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(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，對(duì)新一代的智能、高效、安全及人性化的盾構(gòu)開(kāi)發(fā)和研究具有重要意義。