盾构施工中滚刀状态实时监测装置及运行判定方法与流程

本发明涉及隧道施工装备技术及应用领域，具体涉及一种盾构施工过程中滚刀状态实时监测装置及运行判定方法。

背景技术：

盾构作为重要的隧道施工设备，被广泛应用于铁路隧道、城市轨道等工程建设中。滚刀作为盾构施工破岩的重要装置，其性能的好坏直接影响盾构施工效率与施工成本（在硬岩地层，滚刀成本约占整个施工装备成本的1/3），更为严重的会议造成工程事故及人员伤亡。盾构施工过程中，滚刀破岩具有蝴蝶效应，如果一把滚刀损坏后，不能及时发现并更换，会很快造成相邻滚刀的快速损坏。因此，有效的监控盾构施工过程汇总滚刀状态，对保证施工安全，控制施工滚刀使用相关成本。

目前针对盾构施工过程中滚刀状态检测也有相关技术，但是大多是针对滚刀正常磨损，且受环境条件制约，检测精度低，可靠性差，在滚刀破岩恶劣环境中很容易损坏检测装置，如申请号为：201811129130.x的发明专利“一种压力式盾构刀盘滚刀磨损检测装置及其应用方法”，主要介绍了采用压力式结构对滚刀磨损进行检测，在实际工作中，滚刀在破岩条件下，碎掉的岩渣很容易撞坏压力传感器。申请号为：201710905705.1的发明专利“滚刀磨损测试实验平台及配套的测量评价方法”重点是介绍了在室内开展实验过程中如何测试滚刀磨损量，而不能实时检测盾构施工过程中滚刀状态。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种装置能够实时监控盾构施工过程中滚刀实时状态，并根据监控数据，判定运行情况。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种盾构施工中滚刀状态实时监测装置，包括安装在刀箱内的滚刀，在所述刀箱上部位于滚刀一侧的边缘位置设有安装支架，在所述安装支架与滚刀相邻的一侧依次设有第一保护板、第二保护板和第三保护板，在所述第一保护板的中部设有贯通孔，在所述贯通孔内固定设置有激光传感器，所述第二保护板是矩形框架结构，在第二保护板与第一保护板、第三保护板之间形成一个内部空腔，在所述第三保护板上与所述激光传感器相对应的位置设有透光窗，在所述内部空腔中位于激光传感器和透光窗之间的位置设有保护镜片；

在所述第三保护板的内侧、透光窗的周边固定设置有密封清洁装置，所述密封清洁装置包括覆盖所述透光窗四个边的竖向密封条、横向密封条，在所述第一保护板的内侧壁上与所述第三保护板上相对应的位置也设有同样的竖向密封条、横向密封条，所述保护镜片的两侧均与相邻的竖向密封条和横向密封条相贴合；

所述保护镜片通过驱动机构带动，以可左右移动的方式设置在所述内部空腔中，使得在所述保护镜片的移动过程中，镜片上的污渍被所述密封清洁装置擦除。

在上述技术方案中，通过在刀箱上设置激光传感器，用于采集滚刀运行过程中的数据，进而分析滚刀的运行状态、磨损状态，监测滚刀运行情况，便于及时发现运行异常并进行滚刀维护。为了避免滚刀运行过程中岩渣对激光传感器产生撞击，在安装支架上设置保护装置，三层保护板起到保护激光传感器免受岩渣碰撞的作用，保护镜片起到保护激光传感器作用的同时，还能保证激光传感器正常工作。

优选地，保护镜片的材料为钢化玻璃或透明的树脂材料。

优选地，所述驱动机构包括设置在所述第三保护板一侧上部的微型电机、第一带轮和主动轮轴，所述微型电机的输出轴与所述第一带轮对应连接，所述第一带轮通过主动轮轴转动设置在所述第三保护板上；在所述第一保护板和第三保护板之间穿设有从动轮轴，在所述从动轮轴一端与所述第一带轮相对应的位置设有第二带轮，所述第一带轮与第二带轮之间通过传送带传动连接，在所述从动轮轴上位于所述保护镜片上方的位置设有齿轮，所述第二带轮与从动轮轴、齿轮同轴转动；

在所述保护镜片的顶部固定设置有齿条，所述齿轮与齿条相啮合，使得所述保护镜片在齿轮的带动下左右平移。

通过设置驱动机构，微型电机带动主动轮轴和第一带轮转动，第一带轮通过传送带带动第二带轮、从动轮轴和齿轮转动，齿轮转动带动齿条的平移，实现保护镜片在内部空腔内的左右移动，在保护镜片的移动过程中，与密封条之间产生摩擦，玻璃镜片上的污渍被密封条擦掉，实现了保护镜片的清洁。

优选地，在所述第二保护板的底部长度方向上设置有导槽，保护镜片的底部滑动设置在所述导槽中。

优选地，保护镜片左右移动的行程应大于透光窗的宽度。

本发明还涉及一种盾构施工中滚刀状态运行判定方法，其采用上述的盾构施工中滚刀状态实时监测装置进行监测，在盾构施工过程中，刀盘旋转，通过激光传感器实时采集滚刀数据，通过激光传感器监测的数据判断滚刀的运行状态：

①当该滚刀磨损数值程稳定波动，且逐步增大，说明滚刀正常运转破岩；

②当该滚刀磨损数值出现突然跳动，然后又稳定波动，说明滚刀出现弦磨；

③当该滚刀磨损数值稳定不动，说明滚刀卡死，没有滚动破岩；

当出现②、③两种情况时，需要进仓进行滚刀维护。

当激光传感器反馈的信号明显减弱时，给微型电机发送指令，使微型电机带动第一带轮转动，第一带轮带动第二带轮、从动轮轴和齿轮转动，使齿条产生平移，进而带动保护镜片左右，通过密封清洁装置刮除保护镜片上的污渍。

本发明的有益效果如下：

1.本发明盾构施工中滚刀状态实时监测装置，在盾构施工过程中的刀盘系统中引入激光监测的方法，通过激光测量反馈，可以有效的监测刀具磨损等相关数据，不但解决了施工过程中滚刀运行状态监测难题，而且有效的避免施工过程中岩渣对传感器的撞击磨损等弊端，可以根据施工现场需要，确定了滚刀运行状态监测内容，综合判定滚刀运行状态，确定滚刀是否需要维护更换。

2.该监测装置中，为了保护激光传感器，避免岩渣对传感器的撞击，在刀箱上设置有用于保护传感器的保护装置，通过三层保护板能够防止激光传感器被撞击损坏，通过设置保护镜片能够防止灰土、油污接触激光传感器造成损坏，在保护激光传感器的同时，保证激光传感器的正常工作；为了避免在运行过程中，灰土、油污等污渍附着在保护镜片上，影响激光传感器检测的灵敏性和准确性，设置驱动机构带动保护镜片左右移动，通过与密封条之间的摩擦，能够擦除保护镜片上的污渍，以保持保护镜片的清洁。

3.本发明的滚刀运行状态分析方法，通过激光传感器采集的滚刀运行数据，来分析滚刀运行状态；通过滚刀运行数据监测装置采集滚刀磨损数据，分析滚刀运行状态，确定滚刀是常规磨损、弦磨、崩刃、卡刀等异常状态，及时发现滚刀的异常状态，快速进行更换维修。

附图说明

图1是盾构施工中滚刀状态实时监测装置的立体视图；

图2是盾构施工中滚刀状态实时监测装置的侧视图；

图3是图2中a区域的剖面放大图；

图4为内部空腔中的结构示意图；

图5是盾构滚刀运行状态数据分析图，5（a）为滚刀正常运转破岩数据曲线；5（b）为滚刀出现弦磨或者崩刃状态数据趋势；5（c）为滚刀卡死状态。

图中标号：1滚刀，2刀箱，3安装支架，4第一保护板，5第二保护板，6第三保护板，7透光窗，8微型电机，9第一带轮，10齿轮，11齿条，12激光传感器，13竖向密封条，14横向密封条，15保护镜片，16第二带轮，17从动轮轴，18主动轮轴，19导槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种盾构施工中滚刀状态实时监测装置及其运行判定方法，采用该装置，并使用该方法可以有效的监控盾构滚刀运行状态，有效的对盾构滚刀进行维护，保证盾构掘进效率。

实施例1：一种盾构施工中滚刀状态实时监测装置，参见图1-图4，其包括滚刀1，滚刀1安装在刀箱2内，刀箱2上部固定安装支架3，所述安装支架3上设置激光传感器12，为了防止激光传感器12在滚刀工作过程中损坏，所述激光传感器12外部设置保护装置，所述保护装置包括第一保护板4、第二保护板5、第三保护板6、竖向密封条13、横向密封条14、保护镜片15、透光窗7，所述第一保护板4的中部设置有贯通孔，激光传感器12固定设置在第一保护板4的贯通孔中，第二保护板5设置在第一保护板4、第三保护板6之间，所述第二保护板5是框架结构，第二保护板5与第一保护板4、第三保护板6之间围成一个内部空腔；在第三保护板6上开设有透光窗7，透光窗7的位置与激光传感器12相对应，在所述内部空腔中、透光窗7的内侧设置有保护镜片15，在第三保护板6的内侧、透光窗7的周边固定设置有密封清洁装置，密封清洁装置包括竖向密封条13、横向密封条14，在所述内部空腔内、在第一保护板4上的相应位置也固定设置有相同的竖向密封条13、横向密封条14；所述第一保护板4、第二保护板5和第三保护板6组合使得保护镜片15镶嵌在保护板围成的内部空腔中，避免施工过程中岩渣对传感器的撞击磨损。

为了避免在运行过程中，灰土、油污等污渍附着在保护镜片上，影响激光传感器检测的灵敏性和准确性，通过驱动机构带动保护镜片15在内部空腔中左右移动，与密封清洁装置直接产生摩擦，使得在保护镜片15运动过程中，通过密封条刮除保护镜片上的污渍，以保证镜片的清洁。驱动机构包括设置在所述第三保护板6一侧上部的微型电机8、第一带轮9和主动轮轴18，所述微型电机8的输出轴与所述第一带轮9对应连接，所述第一带轮9通过主动轮轴18转动设置在所述第三保护板6上；在所述第一保护板4和第三保护板3之间穿设有从动轮轴17，在所述从动轮轴17一端与所述第一带轮9相对应的位置设有第二带轮16，所述第一带轮9与第二带轮16之间通过传送带传动连接，在所述从动轮轴17上位于所述保护镜片上方的位置设有齿轮10，所述第二带轮16与从动轮轴17、齿轮10同轴转动；在所述保护镜片15的顶部固定设置有齿条11，所述齿轮10与齿条11相啮合，使得所述保护镜片15在齿轮10的带动下左右平移。

将保护镜片15设置在第二保护板5的框架内部，第二保护板5的厚度比保护镜片15厚度略大，方便保护镜片15在第二保护板5内部移动，同时使得密封条与保护镜片15充分接触和贴合，进而方便保护镜片15在移动的过程中与密封条之间产生摩擦，起到清洁作用。保护镜片15的材料可选择为钢化玻璃或透明的树脂材料。

为了驱动保护镜片15运动，在所述保护镜片15顶部固定设置有齿条11，齿条11上方设置齿轮10，齿轮10与齿条11相啮合，通过齿轮10的转动带动齿条11移动，进而使得保护镜片15移动，方便清洁。

进一步地，所述齿轮10通过从动轮轴17同轴连接有第二带轮16，在第三保护板6的外侧还设置有第一带轮9，第一带轮9通过主动轮轴18以可转动的方式设置在第三保护板6上，第一带轮9通过传送带与第二带轮16传动连接，第一带轮9与微型电机8的输出轴对应连接，通过微型电机8驱动第一带轮9转动，第一带轮9通过传送带带动第二带轮16转动，第二带轮16转动时带动从动轮轴和齿轮10同步转动，从而使齿条11在齿轮10的带动下实现平移。如此就使得微型电机8带动保护镜片15左右移动，为了使得保护镜片15处在透光窗7的部分均保持清洁，保护镜片15左右移动的行程应大于透光窗7的宽度。为了降低保护镜片5运动时的阻力，在第二保护板5的底部设置有导槽19，保护镜片5的底部滑动设置在导槽19中。

实施例2：一种盾构施工中滚刀状态运行判定方法，其特征在于，其采用权利要求1中所述的盾构施工中滚刀状态实时监测装置进行监测，在盾构施工过程中，刀盘旋转，通过激光传感器实时采集滚刀数据，通过激光传感器监测的数据判断滚刀的运行状态：

①当该滚刀磨损数值程稳定波动，且逐步增大，说明滚刀正常运转破岩；如图5（a）所示；

②当该滚刀磨损数值出现突然跳动，然后又稳定波动，说明滚刀出现弦磨；如图5（b）所示；

③当该滚刀磨损数值稳定不动，说明滚刀卡死，没有滚动破岩；如图5（c）所示；

当出现②、③两种情况时，需要进仓进行滚刀维护，确保滚刀正常运转。

当激光传感器反馈的信号明显减弱时，给微型电机8发送指令，使微型电机8带动第一带轮9转动，第一带轮9带动第二带轮16、从动轮轴17和齿轮10转动，使齿条11产生平移，进而带动保护镜片15左右，通过密封清洁装置刮除保护镜片15上的污渍。

上位机的数据分析系统集成有新刀刀刃外形尺寸，通过与滚刀运行数据监测装置采集的滚刀磨损数据进行比对，即可判断滚刀的磨损情况和运行状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。