新型超聲波式盾構刀具磨損檢測系統研究

呂瑞虎，王光輝，劉 濤

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽，471009)

新型超聲波式盾構刀具磨損檢測系統研究

呂瑞虎，王光輝，劉 濤

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南 洛陽，471009)

為準確檢測刀具耐磨塊磨損量，研判換刀時機，減少刀具成本，確保施工安全，以超聲波檢測技術為基礎，并參閱國內外相關工程技術資料，對盾構刀具磨損檢測系統的研發背景、研發思路、結構組成部分及電腦客戶端進行全面、深入的研究與設計。

盾構；刀具；磨損；超聲波；檢測

目前，盾構刀具磨損的檢測方法主要有開倉檢查、異味添加劑、掘進參數分析法、電氣檢測法、液壓檢測法、超聲波式檢測方法等。但以上各種方法或技術存在諸多問題，如適用范圍有限，適用性及檢測精度較低等，因此該領域內可進一步探索的空間很大。本文以目前超聲波檢測技術為基礎，結合國內外相關工程技術資料，設計并研發出新型盾構刀具磨損超聲波式檢測系統，對其原理及結構組成進行介紹。

1 盾構刀具磨損檢測系統的總體方案研究

超聲波檢測系統主要包括：待檢刀具、超聲波換能器、信號線、檢測儀、中心回轉體、電滑環、電力線、客戶端、電源等，檢測系統總裝如圖1所示。

圖1 系統總裝圖

該超聲波式檢測系統的具體連接要點包括：①超聲波換能器固定于刀具內，并通過耦合劑與刀具良好耦合；②檢測儀與超聲波換能器通過模擬信號線連接；③檢測儀安裝及防護直接關系到系統工作性能的可靠性和穩定性，檢測儀應安裝在刀盤內部空腔內，且須采取嚴密的防水、防振措施，確保檢測儀在盾構掘進過程中免遭剝落下的土屑、巖屑、巖塊的沖擊破壞及掌子面水體侵蝕。如何將各個獨立單元按序連接組合成一個有機整體，并采取相應的防護技術措施，是確保系統整體工作性能及檢測效果的重要環節；④檢測儀的信號線與電滑環連接，電滑環通過信號線與PC機連接；⑤采用超聲波式實時檢測系統對切刀或刮刀耐磨塊厚度進行實時量測，安裝電滑環，以有線方式傳輸信號至尾盾控制室，由PC機接收，將其檢測結果顯示于串口調試窗口內；同時，電力經由電滑環輸送至檢測儀，保證系統的持續工作。

2 數據傳輸方式的選擇研究

超聲波式新型檢測系統可采用多種數據傳輸方式，包括有線傳輸方式和無線傳輸方式。相對而言，有線傳輸方式的諸多優點使其更適應檢測環境；無線傳輸方式在實際工況下存在一定的局限性，其應用受到限制。

2.1 有線傳輸方式

超聲波新型檢測系統的有線傳輸方式分為集中式有線傳輸方式與分布式有線傳輸方式。

2.1.1 集中式有線傳輸方式

集中式有線傳輸方式，如圖2所示。研發專用超聲波檢測儀，將多個超聲波換能器通過特定的措施分別埋設于待測刀具內，超聲波換能器均通過信號線連接到同一檢測儀，檢測儀通過485總線與終端控制器，即信息后處理系統連接。檢測儀將超聲模擬信號進行數字化處理，處理后的數字信號通過485總線以RS485通信方式傳輸至信息后處理系統，實現多通道超聲信號的實時發送、實時接收。

圖2 集中式有線傳輸方式示意圖

集中式有線傳輸方式的優點如下。

1）超聲波檢測儀安置于刀盤背部或刀盤內部，可連接多個超聲波換能器，滿足施工現場對刀具磨損檢測的特殊要求；超聲波檢測儀與終端控制器之間僅需1根485總線連接即可，可減少設備和測線的防護工作量，并在一定程度上提高整個超聲波檢測系統的穩定性與可靠性。

2）放置于盾構控制室內的整流器，可直接安插在普通220V交流電插座上，經整流后的直流電直接供能超聲波檢測儀；如需停止工作，拔下整流器即可，供電系統精簡，操作簡捷，且具有強大而持久的續航能力，為超聲波檢測儀提供實時、持久的動力保障。相對于續航能力有限的電池供電方式，該方式優勢明顯。

3）盾構材質與土倉內的土體會嚴重影響無線傳輸信號的有效、實時傳輸，有時不得不在停機或特定時段檢測，效率低下且信號極不穩定，而新型超聲波檢測儀不易受盾構機械構造及工作狀態的限制，可實現盾構掘進過程中刀具耐磨塊厚度的實時檢測。

4）通過二次研發，超聲波檢測儀易于擴展更多的檢測通道，理論可增至256通道，可實現對全部固定類刀具耐磨塊厚度的實時檢測。

集中式有線傳輸方式也存在如下不足。

1）這種方式要求盾構出廠前在中心回轉體及刀盤內部開孔或刻槽以敷設485傳輸總線并安裝導電滑環，組裝工藝復雜，技術水平要求較高，且對盾構整體結構穩定性及其它性能產生較大影響；另外，從檢測儀的安裝到有條件進行現場試驗的周期較長，現場試驗實施難度較大。

2）數個超聲波換能器與一臺檢測儀的現實存在決定了其在刀盤、刀具上的基本布局，即檢測儀安裝于刀盤內部或背部，超聲波換能器通過特定的安裝方式固定于待檢刀具內，須使用較長的模擬信號線以連接超聲波換能器與檢測儀，因此模擬信號線的長短取決于盾構刀盤直徑的大小，而模擬信號線較長會導致信號的衰減與噪聲干擾的增加，超過5m信號幾乎失真。如若突破5m傳輸瓶頸，則須對檢測儀進行深入研發，周期長，成本高。

3）須對普通檢測儀進行深入研發以滿足檢測要求，周期較長，成本高。

2.1.2 分布式有線傳輸方式

分布式有線傳輸方式，如圖3所示。普通便攜式檢測儀只能將檢測數據暫存于內存中，爾后利用專業軟件導入電腦，以文本形式打開以供瀏覽、處理，均不具備在電腦上實時顯示數據的功能。因此，分步式有線傳輸方式須對普通便攜式檢測儀進行技術更新，將檢測儀原有的232通訊方式轉變為485通訊方式，并具備實時顯示功能，實現單通道超聲信號的發射、接收，將超聲模擬信號進行數字化處理（包括模數轉換、濾波、檢波、平滑等一維信號處理）；經技術更新后的檢測儀接收操作臺主控計算機的控制指令，按照所設定工藝參數進行檢測，并將一維信號通過485總線傳回主控計算機，用于進一步的分析處理，主要關鍵技術包括實時顯示、信號傳輸方式等。

圖3 分布式有線傳輸方式示意圖

分布式有線傳輸方式的優點如下。

1）可直接對普通檢測儀進行技術更新，且更新的范圍小，僅包括數據處理和數據傳輸，對單個檢測儀來說實現的技術難度、成本與周期均較低。

2）分布于刀盤周邊的檢測儀作為獨立的檢測單位均與操作臺主控計算機進行通訊，當某個檢測儀發生故障不能正常工作時，其它檢測儀均可正常工作，為整個檢測系統設置了多道安全防線。

3）檢測儀安裝在待測刀具對應的刀盤背部或內部，連接檢測儀和超聲波換能器的數據線可控制在5m以內，這樣的布局可擺脫刀盤直徑對模擬信號線長度的限制。

分布式有線傳輸方式的不足如下。

1）分布式有線傳輸方式須使用大量的485傳輸總線，整個檢測系統冗余復雜，在一定程度上降低了系統的穩定性。

2）分布式有線傳輸方式不易于擴展更多的通道，每擴展一路通道都需要增加1臺檢測儀，規模越大，成本越高。

3）分布式有線傳輸方式須對每個檢測儀進行設備及線路的防護工作，工作量大，實施難度較大，成本較高。

這兩種有線傳輸方式各有利弊，根據現場調研、查閱國內外相關技術資料，確定如下原則：在滿足檢測要求的前提下，利用現有資源降低成本、縮短研發周期。鑒于以上分析，宜優先選擇分部式有線傳輸方式。采用分部式有線傳輸方式的檢測系統實物總裝如圖4所示，該系統中僅配置一臺檢測儀。

圖4 超聲波式檢測系統的結構組成圖

2.2 無線傳輸方式

檢測儀和終端控制器可采用Zigbee無線通信協議連接，檢測儀和終端控制器分別有一個無線通信模塊負責數據通信，模塊之間使用Zigbee通信協議，實現一個無線傳感網絡。通信距離根據實際情況確定，在可視情況下可達到1km。

研發藍牙信號發射及接收裝置，藍牙信號發射器與檢測數據讀取記錄裝置集成在一起，配備鋰電池，保證工作時長幾個月，采用藍牙信號發射數據，如無線部分故障也可由人員攜帶數據讀取設備帶壓進倉對檢測數據進行讀取或將數據讀取記錄裝置取出后讀取。

藍牙信號接收裝置安裝在前盾前方，其電力線及信號線通過前盾敷設至前盾主控室。

無線傳輸方式優點如下。

1）無線傳輸方式使用的信號線和電力線很少，檢測系統結構簡潔，集成化程度高，成本低。

2）無線傳輸方式在盾構內部走線較少，其安裝方法比有線傳輸方式簡潔，可在盾構出場前或出場后安裝。

無線傳輸方式缺點如下。

1）無線傳輸方式下檢測儀由電池續航，該方式的續航能力得不到有效保障，無法滿足刀具磨損長效監控機制的要求。

2）無線傳輸方式必須在盾構停歇狀態下或泥水倉、土倉中的物質較少，信號傳輸不受阻塞干擾時才有可能將信號傳出，數據傳輸的及時性得不到有效保障，影響其推廣應用。

綜上所述，盾構材質及渣土倉內的土體會嚴重影響無線傳輸方式下信號的有效、實時傳輸，有時不得不在停機或特定時間段檢測，效率低下且信號極不穩定。前人已有檢測信號無線傳輸的相關研究，并進行了現場試驗，從試驗結果反饋的信息來看，在現有技術條件下，無線傳輸方式并不能滿足檢測儀的應用要求。

3 存在的主要問題

盾構刀具磨損超聲波檢測系統研究中存在如下問題。

1）國內外探索固定類刀具磨損檢測的方法很多，如何準確檢測滾刀磨損是一個亟待解決的重要課題。

2）針對檢測儀與線路的防護問題提出了解決方案與措施，但施工現場環境復雜，不可預判的復雜因素很多，檢測儀與線路的防護效果需要現場試驗的最終驗證。

3）電滑環與中心回轉體之間的耦合性能是否良好直接關系到系統的整體穩定性，現場試驗時必須結合中心回轉體的實際構造及工況進行更為深入、細致的研究。

4 結 語

新型盾構刀具磨損檢測系統具備RS485通訊方式，具備連續檢測，實時顯示的功能，并通過電滑環的應用解決了測線在盾構運行過程中的繞線問題；在盾構停止掘進或正常工作狀態下，超聲波式檢測系統均可精確地檢測出刀具磨損量。

盾構正常工作狀態下，隨著刀具不斷地研磨巖石，其磨損量不斷增加，電腦客戶端便可通過設置檢測周期，實時或周期性的檢測磨損量。當檢測周期為0時，電腦客戶端可實時顯示檢測數據；用戶也可根據需要設置檢測周期，間隔顯示檢測數據；盾構停機狀態下，無須人員進入土倉內即可快捷地檢測磨損量，既排除了安全隱患亦可節約成本。

[1]張厚美.復合地層中盾構刀具磨損的檢測方法研究[A].上海土木工程學會.2005上海國際隧道工程研討會文集[C].上海：同濟大學出版社，2005：461-471.

[2]袁大軍，胡顯鵬，李興高，等.砂卵石地層盾構刀具磨損測試分析[J].城市軌道交通研究，2009，(5)：48-50.

[3]馬廣州.盾構掘進中刀具磨損的跟蹤檢測[J].隧道建設，2006，26（S6)：65-68.

[4]陳 饋.重慶過江隧道盾構刀具磨損與更換[J].建筑機械化，2006，(1)：56-58.

[5]張明富，袁大軍.砂卵石地層盾構刀具動態磨損分析[J].巖石力學與工程學報，2008，27(2)：397-402.

[6]張耘獲，樂貴平，蘇 藝.盾構刀具的磨損及檢測措施[J].市政技術，2008，26(5)：417-419.

[7]杜佩陽，李月強，方依文.改進型通電式盾構刀具磨損檢測裝置的設計[J].北京信息科技大學學報, 2012，27(3)：30-32.

[8]朱英偉，鄭立波，張洪濤.新型盾構刀具磨損檢測技術研究[J].施工技術，2014，43(1)：121-123.

[9]何 峰，呂傳田，任 勇，等.盾構刀具磨損監測裝置[P].中國專利：200920217751.3，2010-08-04.

（編輯 張海霞）

Research of new type of ultrasonic system for detecting shield tool wear

LV Rui-hu, WANG Guang-hui, LIU Tao

U455.3+1；TU621

B

1001-1366(2015)09-0063-04

2015-07-13