一种盾构机用滚刀性能监测系统的制作方法

1.本发明涉及盾构机监测设备，具体地说是一种盾构机用滚刀性能监测系统。


背景技术：

2.盾构隧道掘进机，简称盾构机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
3.盾构机上安装有众多滚刀，现有技术中对滚刀性能的检测的方法是在滚刀外环镶嵌8颗磁铁，并在刀桶内部架设磁场监测器，当滚刀旋转时，可被磁场监测器感测到滚刀转速，但该方法存在下列几种缺点:
4.(1)、岩石碎屑或泥土会磨损磁铁和滚刀表面，导致磁场监测器与磁铁的距离越来越远,磁场大幅减弱,降低精准度；
5.(2)、岩石碎屑或泥土中参杂铁元素时，这些碎屑会吸附于磁铁之上并屏蔽磁场，降低监测精准度；
6.(3)、镶嵌的磁铁可能在岩石撞击过程变形或刮伤或掉出；
7.(4)、镶嵌的磁铁可能会因为滚刀与岩石或泥土的长时间工作下，因摩擦升温而降低磁力，导致失真；
8.(5)、滚刀旋转速度不同时，因摩擦力不同或地质不同(如岩石和水流变换出现)，工作温度也因而高低升降,导致磁场强度亦跟随变化，影响磁场监测精准度；
9.(6)、无法监测并记录滚刀前端与岩石和土壤接触点的地质硬度变化或地质界面变化状况；
10.(7)、无法监测滚刀旋转方向；
11.(8)、无法监测滚刀旋转加速度；
12.(9)、无法监测滚刀震动频率。
13.故如何在不影响盾构机滚刀原有机械结构的基础上，实现自动监测盾构机滚刀旋转的绝对位置、滚刀旋转方向、滚刀转速、滚刀温度等性能参数，避免滚刀磨损严重，进而造成刀盘的损伤是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

14.本发明的技术任务是提供一种盾构机用滚刀性能监测系统，来解决如何在不影响盾构机滚刀原有机械结构的基础上，实现自动监测盾构机滚刀旋转的绝对位置、滚刀旋转方向、滚刀转速、滚刀温度等性能参数，避免滚刀磨损严重，进而造成刀盘的损伤的问题。
15.本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种盾构机用滚刀性能监测系统，该系统包括光收发器、温度传感器、滚刀刀体、刀轴和隔台，刀轴包括刀轴本体以及位于刀轴本
体上的隔环，隔台与隔环之间的间隙处设置有旋转机构；
16.旋转机构包括旋转台和t型延伸支架，t型延伸支架位于隔环与旋转台之间，t型延伸支架两侧设置有轴承保持架，旋转台靠近t型延伸支架的一侧设置有光栅环带，旋转台远离刀轴的一侧设置有隔台，隔台与旋转台联动；t型延伸支架与旋转台之间设置有密封组件；
17.隔环上开设有隔环孔，隔环孔内设置有光收发器的收发光纤和温度传感器的探头，利用隔环与隔台之间的相对运动关系，当滚刀刀体旋转时，隔台带动光栅环带旋转,切割t型延伸支架上的光纤内的出射光束，光栅环带无镂空的地方反射光束回去光纤，并进而传递到外面的光收发器，获得具有携带定位特征的脉冲信号，进而获取滚刀旋转速度、旋转方向、角加速度和震动频率。
18.作为优选，所述刀轴本体远离中心轴的一侧处开设有管线通道孔，管线通道孔与隔环孔相连通，管线通道孔内安装有光纤、电子信号线和电源线，温度传感器通过电子信号线向服务器端发送数据，光收发器通过光纤向服务器端发送数据，电源线电连接温度传感器为其供电。
19.更优地，该系统还包括滚刀箱，滚刀箱内设置有发电机构。
20.更优地，所述发电机构包括盘式发电机和齿轮发电机构，齿轮发电机构包括发电传动齿轮和发电增速齿轮，滚刀刀体上设置有刀体传动齿轮，发电传动齿轮分别与刀体传动齿轮和发电增速齿轮相啮合，发电增速齿轮连接盘式发电机的输入端，盘式发电机通过整流稳压电路电连接有可充电电池，可充电电池通过电源线电连接温度传感器和光收发器，光收发器设置在滚刀箱内。
21.更优地，所述发电机构设置在刀盘后侧面上，发电机构包括盘式发电机和齿轮发电机构，齿轮发电机构包括发电传动齿轮和发电增速齿轮，刀盘与刀舱相接的旋转轴承的外圈上设置有齿轮圈，发电传动齿轮分别与齿轮圈和发电增速齿轮相啮合，发电增速齿轮连接盘式发电机的输入端，盘式发电机通过整流稳压电路电连接有可充电电池，可充电电池通过电源线电连接温度传感器和光收发器，光收发器设置在刀盘后面。
22.更优地，所述刀盘和刀盘支架上焊接密封钢管通道，滚刀下方设置光纤和电线，沿着密封钢管通道通向刀盘后侧面靠近刀舱的位置，并转成无线信号发射，再由刀舱后方接收无线信号，转有线到服务器处理。
23.作为优选，所述光栅环带上开设有若干光栅孔，根据相邻光栅孔之间的距离间隔以及强度受光栅调变的反射光信号周期获取滚刀刀体的旋转速度，再根据滚刀刀体的旋转速度的变化获取旋转加速度；同时对脉冲光信号对时间取傅里叶变换，获得震动频率信号。
24.更优地，所述光栅孔沿光栅环带分布且光栅孔等间距等长设置。
25.更优地，若干光栅孔沿光栅环带分布，光栅孔的长度分别为d1、d2、
···
、dn，即所有光栅孔的长度均不相同；任一光栅孔的上边缘至相邻的下一个光栅孔的上边缘的距离均相等且均为p1；光栅孔的一侧处设有固定长度的参照光栅，参照光栅的长度均相等且均为p2；进而占空比sn的计算公式如下：
26.27.通过光收发器监测周期，并与参考光栅进行比对，再结合占空比监测滚刀的实时绝对旋转位置；同时以参照光栅作为对比基准，获取滚刀精准的旋转角度；其中，参考光栅采用参考光栅孔或光反射面或光漫射面或散射面。
28.更优地，所述光栅孔沿光栅环带呈周期性分布，具体如下：
29.光栅环带上设置有若干不等距的大周期光栅单元，大周期光栅单元的长度分别为d1、d2、
···
、dn，每个大周期光栅单元内分别设置有数量不等的小周期光栅孔，小周期光栅孔的长度分别为d1、d2、
···
、dn，小周期光栅孔依附于大周期光栅单元之内，光收发器通过判读大周期光栅单元和小周期光栅孔获取旋转精准位置和旋转方向。
30.作为优选，所述光栅环带上设置有若干等长的滤波片，滤波片沿光栅环带均匀分布，光收发器根据滤波片的波长变化监测滚刀的实时绝对旋转位置。
31.作为优选，所述光栅环带上设置有若干偏振片，偏振片沿光栅环带均匀分布且偏振片采用大小相同的偏振片，光收发器根据偏振片的偏振角的变化监测滚刀的实时绝对旋转位置。
32.作为优选，所述光栅环带上设置有若干衍射片，衍射片上设置有不同的图案，光收发器根据衍射片上的图案监测滚刀的实时绝对旋转位置。
33.作为优选，所述光栅环带的同一侧安装有发射光纤和接收光纤。
34.更优地，所述发射光纤和接收光纤靠近光栅环带的一侧分别设置有聚焦镜。
35.更优地，所述聚焦镜采用色散光纤环形聚焦镜(rgb)，利用色散透镜使不同波长光聚焦于不同位置，提高光栅环带侦测精度，同时避开管道内部零件相对震动带来的影响；
36.色散光纤环形聚焦镜依靠镀膜、材料吸收、波导结构厚度、na值变化或微腔干涉，分别让不同波长的光束通过，并聚焦于不同空间位置上，当滚刀刀体内部因为外界震动，使得接收光纤和发射光纤与光栅环带之间出现相对位移时，发射点将发射不同波长光回到接收光纤和发射光纤上，同时计算滚刀刀体转速和震动。
37.更优地，所述接收光纤采用na渐变多光束光纤，na渐变多光束光纤是指na沿着光传播方向的径向方向逐圈往外使na值渐增或渐减的多光束光纤，即na渐变多光束光纤是指多个平行设置的光纤，往外圈方向移动时,外圈光纤的na值逐渐增加或逐渐减少。
38.更优地，所述na渐变多光束光纤从内至外依次为波长为λ1的光纤、波长为λ2的光纤及波长为λ3的光纤，且λ1＞λ2＞λ3；
39.具体为：na渐变多光束光纤从内至外依次为传递红色光的光纤、传递绿色光的光纤和传递蓝色光的光纤，位于中心的传递红色光的光纤的数值孔径na最小，相对接近平行光；传递绿色光的光纤的数值孔径na居中；传递蓝色光的光纤的数值孔径na最大；na值越大的光纤，发散角越大，聚焦后，焦距越短；故红光、绿光、蓝光分别注入传递红色光的光纤、传递绿色光的光纤和传递蓝色光的光纤，使不同波长聚焦在不同焦点，用于计算滚刀刀体转速和震动。
40.作为优选，旋转台远离旋转轴承的一侧设置有连接组件，连接组件一端连接旋转台，连接组件另一端连接隔台。
41.更优地，所述连接组件采用连接固定杆或弹性销。
42.作为优选，所述旋转台与隔台或轴承外套紧密配合，隔环与轴承内圈配合。
43.作为优选，所述密封组件采用左密封圈和右密封圈或左轴承和右轴承，左密封圈
和右密封圈均采用橡胶密封圈。
44.本发明的盾构机用滚刀性能监测系统具有以下优点：
45.(一)本发明利用滚刀内部隔环(与刀轴同样不转动)和隔台(刀体内部突起环圈，用于隔开两滚柱轴承)之间的相对运动关系，将光学传感器的光收发器固定于隔环孔内，而带有光栅效果的光栅环带固定于旋转台，且该旋转台经由机械结构与隔台连动，当滚刀刀体旋转时，滚刀刀体上的隔台带动光栅环带旋转，进而切割隔环上的光收发光纤中的传导光束，获得具有携带定位特征的脉冲信号，获知滚刀旋转速度、旋转方向、角加速度和震动频率，确保能够及时获知滚刀的性能参数，进而及时判定滚刀是否磨损，便于及时更换滚刀；
46.(二)本发明的光栅环带的每一个组成单元(element)携带独特光学特征，与其他组成单元不同，进而使得光栅环带，形成旋转方向性和绝对位置的判读功能；
47.(三)本发明深埋于滚刀中心内部，获得良好的机械保护并免于跟外界的岩石和泥土接触，进而避免遭受磨损或破坏而影响侦测精确度；
48.(四)本发明的隔环上加入一个温度传感器,监测滚刀内部温度；当温度上升超过120摄氏度时，代表滚刀没有旋转，并因为摩擦岩石产生高温，滚刀内的油脂，会因为高温失去润滑作用而损坏；故通过温度传感器能够及时获取滚刀的转动信息；
49.(五)本发明通过光栅环带监测滚刀旋转方向、转速及角加速度,皆实时经由光纤或电子信号线，沿刀轴传递至滚刀外部，并经由无线收发模块传递至服务器端，经数据运算，纪录3d地质结构变化，进而超前预测滚刀前方地质分布；
50.(六)本发明通过光栅环带的设置可以获取滚刀的实时绝对旋转位置；
51.(七)本发明将发电机构设置在刀盘后侧面靠近刀仓的位置，利用光纤沿着刀盘支架上的密封钢管布线，可使刀舱与滚刀之间的信息传递，不受地质影响；发电结构放于刀盘与刀舱相接的旋转轴承附近，空间非常充分，可以安装一台较大型的发电机进行高效率发电；无线收发模块分别位于刀盘与刀舱相接的旋转轴面的前后端,距离相当短,可以避免无线信号被泥土或岩石等衰减。
52.故本发明具有设计合理、结构简单、易于加工、体积小、使用方便、一物多用等特点，因而，具有很好的推广使用价值。
附图说明
53.下面结合附图对本发明进一步说明。
54.附图1为盾构机用滚刀的结构示意图；
55.附图2为盾构机用滚刀性能监测系统的结构示意图；
56.附图3为隔环与旋转轴承的安装示意图；
57.附图4为刀轴本体的结构示意图；
58.附图5为旋转台的结构示意图；
59.附图6为滚刀箱的结构示意图；
60.附图7为光栅环带径向排布方式的示意图；
61.附图8为占空比逐渐变化的光栅环带的示意图；
62.附图9为复合周期的光栅环带的示意图；
1和接收光纤13-2，发射光纤13-1和接收光纤13-2可以合并在同一根光纤13上，实现光收发功能。旋转台5远离刀轴的一侧安装有隔台4，隔台4与旋转台5联动；t型延伸支架6与旋转台5之间安装有密封组件。旋转台5远离旋转轴承6的一侧安装有连接组件8，连接组件8一端固定连接旋转台5，连接组件8另一端固定连接隔台4。其中，连接组件8采用弹性销。
79.如附图3所示，本实施例中的隔环3上开设有隔环孔9，隔环孔9内安装有光收发器10的收发光纤和温度传感器11的探头，利用隔环3与隔台4之间的相对运动关系，当滚刀刀体1旋转时，隔台4带动光栅环带7旋转切t型延伸支架6上的光纤内的出射光束，光栅环带7无镂空的地方反射光束回去光纤，并进而传递到外面的光收发器10，获得具有携带定位特征的脉冲信号，进而获取滚刀刀体1旋转速度、旋转方向、角加速度和震动频率。
80.如附图4所示，本实施例中的刀轴本体2远离中心轴的一侧处开设有管线通道孔12，管线通道孔12与隔环孔9相连通，管线通道孔12内安装有光纤13、电子信号线14和电源线15，温度传感器11通过电子信号线14向服务器端发送数据，光收发器10通过光纤13向服务器端发送数据，电源线15电连接温度传感器11为其供电。
81.如附图6所示，本实施例还包括滚刀箱16，滚刀箱内设置有发电机构和光收发器。发电机构包括盘式发电机17和齿轮发电机构，齿轮发电机构包括发电传动齿轮18和发电增速齿轮19，滚刀刀体1上安装有刀体传动齿轮20，发电传动齿轮18分别与刀体传动齿轮20和发电增速齿轮19相啮合，发电增速齿轮19连接盘式发电机17的输入端，盘式发电机17通过整流稳压电路35电连接有可充电电池21，可充电电池21通过电源线15电连接温度传感器11和光收发器10，光收发器10安装在滚刀箱16内。
82.实施例2：
83.本实施例与实施例1的区别仅在于：光栅环带7上开设有若干光栅孔22，根据相邻光栅孔22之间的距离间隔以及入射光和发射光之间的时间间隔获取滚刀刀体1的旋转速度，再根据滚刀刀体1的旋转速度的变化获取旋转加速度；同时对脉冲光信号对时间取傅里叶变换，获得震动频率信号。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例1均相同。
84.如附图7所示，光栅孔22沿光栅环带7径向分布且光栅孔22等间距等长设置。
85.光收发器10接收后的调变电子信号波形如下:
86.一个完整周期的孔洞间隔d，时间间隔t，则旋转速度为d/t；
87.当速度变化时，加速度为速度曲线对时间进行微分(δd/δt)而得，
88.当脉冲光信号对时间取傅立叶变换，可获得震动频率信号。
89.实施例3：
90.本实施例与实施例2的区别仅在于：如附图8所示，若干光栅孔22沿光栅环带7分布，光栅孔22的长度分别为d1、d2、
···
、dn，即所有光栅孔22的长度均不相同；任一光栅孔22的上边缘至相邻的下一个光栅孔22的上边缘的距离均相等且均为p1；光栅孔22的一侧处设有固定长度的参照光栅26，参照光栅26的长度均相等且均为p2；进而占空比sn的计算公式如下：
[0091][0092]
通过光收发器10监测周期，并与参考光栅26进行比对，再结合占空比监测滚刀的
实时绝对旋转位置；同时以参照光栅26作为对比基准，获取滚刀精准的旋转角度；其中，参考光栅26采用参考光栅孔或光反射面或光漫射面或散射面。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例2均相同。
[0093]
例如：整个光栅环带7共有360个组成单元，第一个占空比为1％，第二个为2％
···
第360个为360％，根据此方法，光收发器10可监测滚刀的实时绝对旋转位置。
[0094]
在光栅孔22旁边，有一周期固定为p2的参照光栅26，用来提供做为对比基准，协助判断精确的占空比，并获知滚刀精确旋转角度。参照光栅26可以是穿透孔洞或光发射面或光散射面，此时，有另一组光收发器10负责监测周期,并与光栅孔22互相比对，监测滚刀的实时绝对旋转位置。
[0095]
实施例4：
[0096]
本实施例与实施例2的区别仅在于：如附图9所示，光栅孔22沿光栅环带7呈周期性分布，具体如下：
[0097]
光栅环带7上设有若干不等距的大周期光栅单元27，大周期光栅单元27的长度分别为d1、d2、
···
、dn，每个大周期光栅单元27内分别设有数量不等的小周期光栅孔28，小周期光栅孔28的长度分别为d1、d2、
···
、dn，小周期光栅孔28依附于大周期光栅单元27之内，光收发器10通过判读大周期光栅单元27和小周期光栅孔28获取旋转精准位置和旋转方向。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例2均相同。
[0098]
实施例5：
[0099]
本实施例与实施例1的区别仅在于：如附图10所示，光栅环带7上安装有若干等长的滤波片23，滤波片23沿光栅环带7均匀分布，光收发器10根据滤波片23的波长变化监测滚刀的实时绝对旋转位置。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例1均相同。
[0100]
例如：整个光栅环带7共有10个组成单元，第一个单元滤波波长为λ1，第二个为λ2...第10个为λ
10
，光收发器10监测滚刀的实时绝对旋转位置。滤波片23采用亚格力板等。
[0101]
实施例6：
[0102]
本实施例与实施例1的区别仅在于：如附图10所示，光栅环带7上安装有若干偏振片24，偏振片24沿光栅环带7均匀分布且偏振片24采用直径相同的圆形偏振片，光收发器10根据偏振片24的偏振角的变化监测滚刀的实时绝对旋转位置。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例1均相同。
[0103]
例如：整个光栅环带7共有180个组成单元，第一个偏振角为1
°
，第二个为2
°…
第180个为到为180
°
(线性偏振光的偏振角，超过180度之后，如为181度，则回到跟1度相同)，监测滚刀的实时绝对旋转位置。
[0104]
实施例7：
[0105]
本实施例与实施例1的区别仅在于：如附图10所示，光栅环带7上安装有若干衍射片25，衍射片25上设有不同的图案，图案为直线、圆形、圆环形等。光收发器10根据衍射片25上的图案监测滚刀的实时绝对旋转位置。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例1均相同。
[0106]
实施例8：
[0107]
本实施例与实施例1的区别仅在于：如附图14所示，发电机构安装在刀盘后侧面上，发电机构包括盘式发电机17和齿轮发电机构，齿轮发电机构包括发电传动齿轮18和发
电增速齿轮19，刀盘与刀舱相接的旋转轴承的外圈29上安装有齿轮圈38，发电传动齿轮18分别与齿轮圈38和发电增速齿轮19相啮合，发电增速齿轮19连接盘式发电机17的输入端，盘式发电机17通过整流稳压电路35电连接有可充电电池21，可充电电池21通过电源线15电连接温度传感器11和光收发器10，光收发器10安装在刀盘后面。刀盘和刀盘支架上焊接密封钢管通道，滚刀下方设置光纤和电线，沿着密封钢管通道通向刀盘后侧面靠近刀舱的位置，并转成无线信号发射，再由刀舱后方接收无线信号，转有线到服务器处理。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例1均相同。
[0108]
实施例9：
[0109]
本实施例与实施例3的区别仅在于：如附图15和16所示，发射光纤13-1和接收光纤13-2靠近光栅环带7的一侧分别安装有聚焦镜31。聚焦镜31采用三原色(rgb)光纤环形聚焦镜，利用色散透镜使不同波长光聚焦于不同位置，提高光栅环带侦测精度，同时避开管道内部零件相对震动带来的影响；
[0110]
三原色(rgb)光纤环形聚焦镜依靠镀膜、材料吸收、波导结构厚度、na值变化或微腔干涉，分别让rgb光通过,并聚焦于不同空间位置上,当滚刀刀体内部因为外界震动，使得接收光纤和发射光纤与光栅环带之间出现相对位移时，发射点将发射不同颜色光回到接收光纤和发射光纤上，同时计算滚刀刀体转速和震动。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例3均相同。
[0111]
实施例10：
[0112]
本实施例与实施例4的区别仅在于：如附图17所示，发射光纤13-1和接收光纤13-2靠近光栅环带7的一侧分别安装有聚焦镜31。聚焦镜31采用三原色(rgb)光纤环形聚焦镜，利用色散透镜使不同波长光聚焦于不同位置，提高光栅环带侦测精度，同时避开管道内部零件相对震动带来的影响；
[0113]
三原色(rgb)光纤环形聚焦镜依靠镀膜、材料吸收、波导结构厚度、na值变化或微腔干涉，分别让不同波长的光束通过，并聚焦于不同空间位置上，当滚刀刀体内部因为外界震动，使得接收光纤和发射光纤与光栅环带之间出现相对位移时，发射点将发射不同颜色光回到接收光纤和发射光纤上，同时计算滚刀刀体转速和震动。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例4均相同。
[0114]
实施例11：
[0115]
本实施例与实施例1的区别仅在于：如附图17所示，发射光纤13-1和接收光纤13-2均采用na渐变多光束光纤32，na渐变多光束光纤32是指na沿着光传播方向的径向方向逐圈往外使na值渐增或渐减的多光束光纤，即na渐变多光束光纤是指多个平行设置的光纤，往外圈方向移动时,外圈光纤的na值逐渐增加或逐渐减少。na渐变多光束光纤32从内至外依次为传递红色光的光纤、传递绿色光的光纤和传递蓝色光的光纤，位于中心的传递红色光的光纤的数值孔径na最小(如na＝0.15)，相对接近平行光；传递绿色光的光纤的数值孔径na居中(如na＝0.2)；传递绿蓝色光的光纤的数值孔径na最大(如na＝0.25)；na值越大的光纤，发散角越大，聚焦后，焦距越短；故红光、绿光、蓝光分别注入传递红色光的光纤、传递绿色光的光纤和传递蓝色光的光纤，使不同波长聚焦在不同焦点，用于计算滚刀刀体转速和震动。
[0116]
实施例12：
[0117]
本实施例与实施例1的区别仅在于：如附图19所示，旋转台5与隔台4或轴承外套36紧密配合，隔环3与轴承内圈37配合。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例1均相同。
[0118]
实施例13：
[0119]
本实施例与实施例1的区别仅在于：t型延伸支架6与旋转台5之间安装有左密封圈33和右密封圈34，左密封圈33和右密封圈34均采用橡胶密封圈。或者t型延伸支架6与旋转台5之间安装有左轴承和右轴承。其他结构、连接关系以及位置关系与实施例1均相同。
[0120]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。