殷 謙 謝紅武 黃克功 成 思

1 盾構機滾刀監(jiān)測意義

滾刀是盾構機的重要部件之一，施工過程當中，盾構機要穿越不同地層，滾刀的實際工作狀態(tài)將會直接影響盾構機施工進度和工程安全。

大直徑常壓換刀盾構機由于刀盤直徑大，掛接滾刀多，施工距離長，整個施工周期中需要多次更換滾刀，所以需要實時監(jiān)測刀具狀態(tài)。由于盾構機工作過程中，刀盤是處于旋轉狀態(tài)，各種檢測傳感器的信號線需要通過滑環(huán)才能將信號線引出，進而完成滾刀狀態(tài)檢測，為了避免線纜連接問題，需要采用無線方式進行數(shù)據(jù)通信[1]。

本文提出了一種應用于大直徑常壓換刀盾構機的無線滾刀監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）。該系統(tǒng)能夠準確完成滾刀偏磨、崩刃、回退等異常損壞的預報，指導施工人員及時更換刀具，避免因為換刀不及時帶來的對其他刀具或刀盤進一步損壞和經濟損失。在線監(jiān)測滾刀狀態(tài)也能夠減少停機檢查刀具所耗損的工程進度，提高了隧道掘進機的工作效率，節(jié)省了施工的綜合成本。同時，無線的方式也避免了刀盤布線，提高可靠性的同時，也降低了設備成本。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

應用于常壓換刀盾構機的刀具無線監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）采用ISM 工業(yè)頻段。系統(tǒng)由4 部分構成，分別是：終端節(jié)點、主節(jié)點、室內采集單元和上位機。如圖1 所示。

終端節(jié)點負責滾刀傳感器信號的接收、采集以及處理，同時將采集后的數(shù)字化信號通過無線通信的方式發(fā)送到主節(jié)點。

主節(jié)點實現(xiàn)上位機的命令數(shù)據(jù)下發(fā)和終端節(jié)點數(shù)據(jù)的上傳功能。

室內采集單元實現(xiàn)接口轉換功能和主節(jié)點供電功能。

上位機是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)最終的接收和處理的硬件載體。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的終端節(jié)點與主節(jié)點之間采用無線通信方案，工作在ISM 頻段，采用LoRa 擴頻通信技術，能夠實現(xiàn)長距離、低功耗的無線通信[2]。終端節(jié)點采用鋰離子電池供電，實時采集滾刀溫度、轉速和磨損量等參數(shù)。

主節(jié)點與室內采集單元之間采用線纜通信方式，通信接口采用RS485 總線接口。主節(jié)點負責向各個終端節(jié)點發(fā)送指令，同時向室內采集單元上傳終端節(jié)點的采集數(shù)據(jù)。

上位機的軟件通過RS232 總線與室內采集單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，能對采集到的滾刀工作狀態(tài)相關數(shù)據(jù)進行解析處理、實時顯示、存儲，同時能夠對主節(jié)點和終端節(jié)點進行工作參數(shù)配置，并能進行通信狀態(tài)測試等。

2.3 滾刀參數(shù)監(jiān)測

考慮測量傳感器的安裝和成本，目前只對滾刀進行溫度、轉速、磨損量三個參數(shù)進行監(jiān)測。

a）滾刀溫度檢測

通過在滾刀附近布置溫度傳感器，采集滾刀工作區(qū)溫度，從而間接測量滾刀溫度。設計采用MICROCHIP 公司的MCP9804 芯片，溫度測量范圍-40℃至+125℃，溫度測量誤差±1℃。傳感器工作電流200μA，關斷電流低至0.1μA，能夠實現(xiàn)低功耗測量。芯片采用I2C 總線接口進行數(shù)據(jù)傳輸。

b）滾刀轉速檢測

在滾刀的圓周方向均勻布置四顆感應磁鐵，滾刀旁布置霍爾傳感器，在滾刀轉動時，利用霍爾效應產生脈沖電流，通過計算兩次脈沖之間的時間差值，從而計算出滾刀的轉速[3]。

滾刀轉速計算。根據(jù)刀盤轉速ω1、滾刀所在位置距刀盤中心距離r1 和滾刀自身半徑r2，計算滾刀理論轉速ω2=（ω1×r1）/r2。其中ω1 額定轉速2.5r/min，r1 取刀盤半徑極限值7500mm，r2 取18 寸滾刀半徑228mm，計算滾刀最大轉速約為82r/min。

c）滾刀磨損檢測

考慮到盾構機掘進面會產生大量泥水、巖石碎屑等，同時滾刀在盾構機工作時是處于轉動狀態(tài)的。故采用非接觸式的電感式接近傳感器[4]。

電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測面產生一個交變電磁場，當金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉換為電信號通過整形放大轉換成二進制的開關信號，經功率放大后輸出?？紤]到測量信號距離采集電路超過1 米，采用電流傳輸，磨損測量輸出電流信號，輸出范圍4 mA-20 mA。傳感器工作原理如圖2 所示。

圖2 傳感器工作原理

振蕩電路中的線圈產生一個高頻磁場。當目標物接近磁場時，由于電磁感應在目標物中產生一個感應電流（渦電流）。隨著目標物接近傳感器，感應電流增強，引起振蕩電路中的負載加大。然后，振蕩減弱直至停止。傳感器利用振幅檢測電路檢測到振蕩狀態(tài)的變化，并輸出檢測信號。振幅變化的程度隨目標物金屬種類的不同而不同，因此檢測距離也隨目標物金屬的種類不同而不同。

3 低功耗設計

由于終端節(jié)點安裝在刀盤，拆卸較為復雜，不方便更換電池，所以需要一次充電能夠持續(xù)使用三周以上時間。所以，從以下幾個方面對功耗進行優(yōu)化。

a）靜態(tài)功耗控制。采用低功耗器件，包括超低功耗微處理單元（MCU）[5]、低功耗溫度傳感器、高效率DC-DC 電源。對傳感器和無線通信電路單元采用獨立的電源分開供電，在系統(tǒng)停止采集數(shù)據(jù)時可以關閉傳感器電路和無線通信電路，進一步降低功耗。

b）動態(tài)功耗控制。選擇合適的發(fā)射電壓、數(shù)據(jù)幀長度、通信速率，確保發(fā)射效率最優(yōu)，同時，接收電路采用休眠模式，即只有在收到發(fā)射信號時才會自動喚醒，降低接收電路功耗。

c）軟件系統(tǒng)聯(lián)動，優(yōu)化系統(tǒng)功耗。在盾構機施工過程中，大約有一半以上的時間是沒有在掘進狀態(tài)，通過上位機軟件讀取刀盤轉動參數(shù)，智能啟動、關閉系統(tǒng)，優(yōu)化作業(yè)時間，從而提高終端節(jié)點續(xù)航時間。

4 現(xiàn)場應用

該系統(tǒng)目前已經裝備中鐵306 號盾構機，并在汕頭海灣隧道項目中現(xiàn)場應用。如圖3 所示。通過該系統(tǒng)監(jiān)測到的滾刀狀態(tài)參數(shù)，上位機軟件可以直接進行刀具異常報警，通過多參數(shù)數(shù)據(jù)分析，可以對滾刀狀態(tài)進行智能診斷。

圖3 終端節(jié)點現(xiàn)場圖

a）滾刀異常報警

根據(jù)在線檢測的滾刀狀態(tài)參數(shù)，包括滾刀溫度、轉速、磨損量，對比閾值數(shù)值，進行滾刀異常判定。當判定刀具狀態(tài)異常時，報警提示。例如溫度異常判定：計算24 小時內停機時滾刀的平均溫度值，盾構機掘進開始半小時后滾刀溫度比停機時平均溫度值溫升3 攝氏度以上，判定溫度異常。

圖4 滾刀監(jiān)測數(shù)據(jù)異常

b）滾刀偏磨診斷

結合磨損測量曲線的異常跳變和轉速階段性為0 值，可以判斷滾刀偏磨。如圖4 所示。當判斷偏磨后，現(xiàn)場將偏磨滾刀拆出后，發(fā)現(xiàn)該滾刀確實出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象，如圖5 所示。

圖5 滾刀偏磨

5 結論

本文提出了一種應用于常壓換刀盾構機的無線刀具監(jiān)測系統(tǒng)。描述了系統(tǒng)組成方案和刀具參數(shù)測量方案，給出了系統(tǒng)設計過程中關于低功耗設計和可靠性設計的實現(xiàn)方法。最后介紹了系統(tǒng)上位機軟件的刀具異常報警判定和智能診斷刀具偏磨。

通過在汕頭海灣隧道盾構機施工現(xiàn)場的應用，該系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)常壓換刀盾構機滾刀在線監(jiān)測，填補了國內盾構機刀具無線監(jiān)測領域的空白，整體性能達到國際先進水平。相對于傳統(tǒng)的有線方式，能夠有效地降低刀盤設計復雜度，減少刀具在線監(jiān)測費用。同時，能夠向盾構機操作人員提供刀具異常報警，并對刀具進行智能診斷，保障施工安全。