TBM掘進(jìn)刀具磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)及刀盤振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

張曉波， 劉泉聲， 張建明

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TBM掘進(jìn)刀具磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)及刀盤振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

張曉波1， 2， 劉泉聲1， 2， 張建明3

(1. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072； 2. 武漢大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072； 3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

受制于施工環(huán)境，TBM(tunnel boring machine)刀具磨損及刀盤振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題一直難以解決。基于此，對(duì)滾刀和刮刀分別提出了基于電渦流傳感器及電阻格柵的磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)建立了輸出電壓信號(hào)與磨損量之間的關(guān)系； 同時(shí)，對(duì)吉林引松工程直徑為8.03 m的隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行刀盤振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),并對(duì)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析。結(jié)果表明： 在一定地質(zhì)條件下，隨著貫入度的增大，刀盤振動(dòng)值逐漸變大； 刀盤空轉(zhuǎn)頻域曲線表現(xiàn)為局部峰值、整體幅值較小的特點(diǎn)，正常掘進(jìn)時(shí)振動(dòng)幅值明顯較大的幾個(gè)頻率范圍與刀盤空轉(zhuǎn)時(shí)幾個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的頻率范圍相同，在制作刀盤時(shí)其固有頻率要盡量避開這幾個(gè)頻率范圍，防止產(chǎn)生共振。

TBM； 刀具磨損； 電渦流傳感器； 電阻格柵； 刀盤振動(dòng)監(jiān)測(cè)； 振動(dòng)響應(yīng)分析

0 引言

滾刀及刮刀作為TBM直接與巖石接觸的部件，極易磨損，由于磨損破壞而引起的刀具檢查、刀具更換占施工總時(shí)間的30%～40%，刀具更換費(fèi)用占施工成本的1/3[1-2]。過(guò)度磨損會(huì)增大刀具及刀盤的溫度及振動(dòng)而加速刀具破壞[3]，因此有必要進(jìn)行刀具磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)磨損超限及已經(jīng)破壞的刀具進(jìn)行更換。目前監(jiān)測(cè)刀具磨損量的方法主要有： 維爾特公司研發(fā)的一種有異味添加劑的滾刀[4]； 王茂[5]設(shè)計(jì)的一種基于液壓油系統(tǒng)的滾刀磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 張斌等[6]設(shè)計(jì)研究的一種光柵式滾刀磨損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 海瑞克公司研發(fā)的預(yù)埋壓力傳感器和預(yù)埋線圈的刮刀[4]; 張明富等[7]設(shè)計(jì)的一種通過(guò)超聲波回聲定位監(jiān)測(cè)刮刀磨損量的方法； 侯振德等[8]設(shè)計(jì)的一種電阻棒，能感知刮刀磨損量的大小。以上使用液壓式傳感器或異味氣體的方法只有當(dāng)滾刀磨損至破壞失效時(shí)才能監(jiān)測(cè)到磨損信號(hào)，此時(shí)再采取措施顯然有些措手不及，而光柵式滾刀磨損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的激光束會(huì)受巖渣等的阻擋，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。海瑞克公司以及文獻(xiàn)[7-8]所設(shè)計(jì)的方法雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刮刀磨損量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但不足之處在于均需對(duì)刮刀進(jìn)行改進(jìn)，這可能會(huì)對(duì)刮刀整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為解決這些問(wèn)題，本文研發(fā)了刀具磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

刀盤振動(dòng)會(huì)引起螺栓松動(dòng)、軸承磨損等很多問(wèn)題，甚至導(dǎo)致刀盤解體[9]，有必要對(duì)其進(jìn)行研究。現(xiàn)階段通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬[10]等難以獲得刀盤振動(dòng)準(zhǔn)確值，且由于工作環(huán)境極其惡劣，對(duì)于傳感器的選取及數(shù)據(jù)傳輸有很多難以解決的問(wèn)題，對(duì)刀盤振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)難度很大，少有人涉及。本文對(duì)吉林引松工程隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行刀盤振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析振動(dòng)響應(yīng)，以期為合理設(shè)計(jì)刀盤及設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)。

1 滾刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 工作原理

TBM滾刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由磨損感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及無(wú)線傳輸模塊3部分組成。刀圈磨損量的感知通過(guò)電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)，輸出信號(hào)通過(guò)處理器運(yùn)算處理后由無(wú)線發(fā)射模塊以信號(hào)的形式發(fā)射，在刀盤的另一端TBM主控室內(nèi)就可以通過(guò)無(wú)線接收模塊接收到信號(hào)，從而實(shí)時(shí)獲得磨損信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 電渦流傳感器

電渦流傳感器是一種利用金屬材料在交變磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)制成的傳感器[11]。將其置于刀座與滾刀之間，焊接于刀座上，能夠非接觸地測(cè)量傳感器探頭到滾刀的距離，并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。隨著滾刀的磨損，二者之間距離變大，電渦流傳感器的輸出電壓隨之變化。

由于電渦流傳感器對(duì)測(cè)量金屬體的表面積有一定要求，且本身也可能存在一定的測(cè)量誤差，故在應(yīng)用前需要對(duì)其進(jìn)行輸出電壓與磨損量的標(biāo)定，如圖1所示。采用直徑為30 mm、量程為40 mm的電渦流傳感器和43.18 cm(17英寸)滾刀刀圈，得到磨損量與輸出電壓之間的關(guān)系，如圖2所示。

從圖2可以看出，磨損量與輸出電壓之間為一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因而在應(yīng)用時(shí)可以通過(guò)獲取的電壓值直接轉(zhuǎn)化為磨損量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滾刀刀圈磨損量的實(shí)時(shí)感知。

圖1 磨損量與電壓關(guān)系的標(biāo)定

圖2 磨損量與傳感器輸出電壓的關(guān)系

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

電渦流傳感器輸出電壓最大值為10 V，超過(guò)了處理器ADC模塊的參考電壓3.3 V，需要進(jìn)行衰減；同時(shí)，在對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)可能會(huì)受到TBM工作的影響而摻雜高頻噪音，需要進(jìn)行低通濾波。調(diào)理電路主要分為濾波部分和電壓衰減部分，二者通過(guò)OPA2234元件實(shí)現(xiàn)兩級(jí)運(yùn)放，最終頻率高于20.2 Hz的噪音信號(hào)被濾除，電壓值衰減為0.68～2.77 V，能夠進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)處理采用STC80C51單片機(jī)[12]，處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)，包含ADC模塊，雙串口，帶4路PWM，有良好的加密性。單片機(jī)功能模塊及應(yīng)用系統(tǒng)如圖3所示。

滾刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，單片機(jī)通過(guò)引腳與電渦流傳感器相連，讀取傳感器輸出電壓值，由內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在單片機(jī)內(nèi)部編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； 然后根據(jù)電渦流傳感器的標(biāo)定曲線將所測(cè)電壓值轉(zhuǎn)換為刀圈實(shí)際磨損量； 最后通過(guò)外聯(lián)的無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

1.4 無(wú)線信號(hào)收發(fā)模塊

選用Zigbee無(wú)線信號(hào)收發(fā)裝置[13]，它是一種低成本、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。設(shè)備體積小，方便安裝，適用于TBM刀盤狹小的工作環(huán)境；設(shè)備功率低，電源可長(zhǎng)期使用，避免頻繁進(jìn)出刀盤更換電源；設(shè)備傳輸信號(hào)穩(wěn)定，受TBM工作等噪音的影響較小，傳輸距離遠(yuǎn)，可以滿足實(shí)際使用要求。

Zigbee無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊位于刀盤背面(具體位置可現(xiàn)場(chǎng)選擇，以距離近、安全、不影響TBM工作為基本要求)，它將單片機(jī)處理后所得的磨損量數(shù)據(jù)傳送出去，被接收模塊接收后，以圖表等形式顯示于電腦終端，便于操作。

2 刮刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 工作原理

自主完成刮刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)也由磨損感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及無(wú)線傳輸模塊3部分組成。工作原理為： 電阻格柵貼合于刮刀表面，隨刮刀的磨損而磨損，電阻格柵阻值的變化引起閉合電路中定值電阻兩端的電壓變化；單片機(jī)處理器捕捉定值電阻兩端的電壓，并將模擬電壓信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)之后通過(guò)無(wú)線發(fā)射裝置發(fā)出；無(wú)線接收裝置接收數(shù)字信號(hào)，處理器依據(jù)電壓信號(hào)與磨損值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為磨損量，顯示在電腦終端，如圖4所示。

圖4 刮刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

2.2 電阻格柵

相比阻值較小的鎳鎘電阻絲，選用阻值范圍更大并且尺寸較小的碳膜電阻。由于刮刀磨損量超過(guò)2 cm就會(huì)嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率，需及時(shí)換刀，故用13根碳膜電阻等間距并聯(lián)而成、有效磨損測(cè)量距離為2 cm的電阻格柵，并用固化后的環(huán)氧樹脂透明AB膠作為外層保護(hù)劑，如圖5所示，其靈敏度為1.4 mm。

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之前，需事先對(duì)定值電阻兩端電壓值(回路電壓)與磨損量的定量關(guān)系通過(guò)磨損試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。磨損回路中，電阻格柵和定值電阻串聯(lián)相接，電源電壓為3.2 V，定值電阻阻值為500 Ω，碳膜電阻阻值為2 kΩ。利用電磨機(jī)對(duì)電阻格柵均勻打磨，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，磨損量與輸出電壓之間呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖5 電阻格柵

圖6 電阻格柵磨損量與回路電壓關(guān)系

Fig. 6 Relationship between wear amount of resistance grid and voltage

2.3 單片機(jī)處理系統(tǒng)

刮刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用與TBM滾刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同一型號(hào)的STC80C51單片機(jī)，二者功能模塊及應(yīng)用系統(tǒng)均相同，不同的是，單片機(jī)通過(guò)引腳與定值電阻相連，讀取其兩端電壓值。

2.4 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境惡劣，利用有線方式傳遞信號(hào)難度很大，因此，選用NRF24L01無(wú)線收發(fā)器作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊[14]。它具有良好的兼容性和擴(kuò)展性，幾乎可以連接到所有類型的單片機(jī)芯片，完成數(shù)據(jù)無(wú)線傳送工作；設(shè)備傳輸速率快、體積小、工作電壓低，可由單片機(jī)的電源提供電源供給而無(wú)需自帶電源。

NRF24L01無(wú)線發(fā)射裝置位于刀盤背后的防水盒內(nèi)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)發(fā)出，被無(wú)線接收裝置接收后，由處理器再轉(zhuǎn)換為磨損量，最終顯示在電腦終端。

3 TBM刀盤振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 TBM刀盤振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括無(wú)線加速度傳感器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)采集處理軟件。

三軸加速度傳感器型號(hào)為A302EX。它是基于壓電效應(yīng)原理，通過(guò)測(cè)量輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)相互垂直方向上加速度的測(cè)量。能將數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部自帶的無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)出，避免了布線困難的問(wèn)題，體積小，能滿足刀盤振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

無(wú)線網(wǎng)關(guān)型號(hào)為BS951，由無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議通信等模塊組成，能同時(shí)接收數(shù)十個(gè)無(wú)線加速度傳感器發(fā)射的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀盤不同位置處振動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)采集處理軟件為BeeData，安裝該軟件的電腦終端與無(wú)線網(wǎng)關(guān)有線連接，可以對(duì)無(wú)線網(wǎng)關(guān)接收的刀盤振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及分析。

3.2 刀盤振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

由于刀盤背部空間的限制，不能同時(shí)安裝多個(gè)傳感器，僅在距離主軸約2 m的位置處安裝了加速度傳感器。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝如圖7所示。需要注意的是，傳感器會(huì)受到巖渣的劇烈沖擊，所以特制了保護(hù)殼，如圖8所示。為防止電磁屏蔽，保證信號(hào)的有效傳輸，在保護(hù)殼上切割出很多不規(guī)則的圓孔。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖

監(jiān)測(cè)位置在小河沿豎井段小里程端，樁號(hào)為66 345～66 349，巖性主要為石炭系中下統(tǒng)磨盤山組灰?guī)r(主要為黑色、白色相間)，Ⅳ級(jí)圍巖，巖溶較為發(fā)育，多裂隙，多填充。可能受前方破碎帶的影響(樁號(hào)66 200.0左右，影響范圍100～200 m)，掘進(jìn)有突水，出渣偶見泥漿。

圖8 振動(dòng)傳感器保護(hù)殼

3.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.3.1 刀盤振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)時(shí)域分析

現(xiàn)場(chǎng)共監(jiān)測(cè)到TBM 2個(gè)掘進(jìn)循環(huán)段的加速度時(shí)域信號(hào)。第1掘進(jìn)段為正常掘進(jìn)情況，如圖9(a)所示，第2掘進(jìn)段正常掘進(jìn)不久后便遭遇突水現(xiàn)象，被迫停止掘進(jìn)，如圖9 (b)所示。刀盤振動(dòng)主要表現(xiàn)為垂直于刀盤方向的軸向振動(dòng)[10]，故只分析該方向上的振動(dòng)情況。

(a) 第1掘進(jìn)段

(b) 第2掘進(jìn)段

由圖9可以看出： 在2個(gè)掘進(jìn)循環(huán)段中，TBM未掘進(jìn)時(shí)刀盤振動(dòng)值趨于零，隨著滾刀貫入度逐漸增加至穩(wěn)定值，TBM刀盤振動(dòng)值也逐漸增加至最大，當(dāng)一個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)，滾刀貫入度變?yōu)榱悖侗P振動(dòng)值迅速減小再次趨于零；刀盤振動(dòng)過(guò)程中加速度始終圍繞零值上下浮動(dòng)，偶有跳躍，但總體偏差不大； 滾刀貫入度達(dá)到穩(wěn)定值后，根據(jù)掘進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)2個(gè)掘進(jìn)循環(huán)段按比例分別取40個(gè)和14個(gè)有效極值點(diǎn)定量分析； 對(duì)于第1掘進(jìn)段，振動(dòng)最大值達(dá)33 m/s2，平均值為28 m/s2； 對(duì)于第2掘進(jìn)段，因突水只正常掘進(jìn)了很短一段時(shí)間就被迫停機(jī)，振動(dòng)最大值僅為24 m/s2，平均值為20.6 m/s2。

根據(jù)上述分析可以得出： 滾刀貫入度是刀盤振動(dòng)大小的一個(gè)主要影響因素，貫入度越大，TBM刀盤振動(dòng)越強(qiáng)烈； 當(dāng)振動(dòng)過(guò)于強(qiáng)烈時(shí)，可以適當(dāng)減小滾刀貫入度，減緩掘進(jìn)速率，以保證刀盤穩(wěn)定健康運(yùn)行。

3.3.2 刀盤振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)頻域分析

對(duì)刀盤振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)頻域分析[15]。刀盤空轉(zhuǎn)未切割巖石時(shí)的頻域圖及2個(gè)掘進(jìn)段正常掘進(jìn)時(shí)的頻域圖如圖10所示。

(a) 刀盤空轉(zhuǎn)

(b) 第1掘進(jìn)段

(c) 第2掘進(jìn)段

Fig. 10 Vibration spectra of cutterhead when it idling or normally boring

刀盤空轉(zhuǎn)時(shí)，滾刀未切割巖石，TBM電機(jī)、液壓系統(tǒng)等工作時(shí)引起刀盤在0～1、40～50、80～90、120～130、150～170、200～220 Hz內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)個(gè)波峰，但振動(dòng)值整體來(lái)看比較小，對(duì)TBM掘進(jìn)時(shí)的刀盤振動(dòng)影響不大。

TBM穩(wěn)定掘進(jìn)時(shí)，2個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)刀盤振動(dòng)頻譜整體趨勢(shì)類似，刀盤振動(dòng)幅值在各頻率范圍內(nèi)均有分布，這可能與巖溶較為發(fā)育、多裂隙、多填充的圍巖條件有關(guān)。穩(wěn)定掘進(jìn)過(guò)程中刀盤振動(dòng)比較復(fù)雜，但在0～1、160～170、200～210、220～230 Hz內(nèi)振動(dòng)幅值明顯變大，與TBM空轉(zhuǎn)時(shí)的頻域圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，這幾個(gè)頻域段與空轉(zhuǎn)時(shí)幾個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的頻域段相重合，可能與電機(jī)、液壓系統(tǒng)主要振動(dòng)頻率在這幾個(gè)頻域段有關(guān)。因此，制作刀盤時(shí)應(yīng)盡量避免其固有頻率在這幾個(gè)頻域段內(nèi)，防止產(chǎn)生共振。另外，第2掘進(jìn)段120～130 Hz內(nèi)也存在一個(gè)峰值，而在第1掘進(jìn)段此峰值不明顯，可能受第2掘進(jìn)段掘進(jìn)時(shí)間比較短的影響，TBM刀盤振動(dòng)頻譜還沒(méi)有完全穩(wěn)定成形，這種情況可能會(huì)隨著掘進(jìn)時(shí)間的增加而消失。

4 結(jié)論與討論

針對(duì)TBM刀具磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難題，對(duì)滾刀和刮刀分別研制了基于電渦流傳感器及電阻格柵的磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，磨損量與輸出電壓之間呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，配合無(wú)線傳輸模塊能夠?qū)崿F(xiàn)刀具磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但試驗(yàn)的室內(nèi)環(huán)境與復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)工況差別很大，后續(xù)工作有必要在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)要求。

利用三軸加速度傳感器對(duì)刀盤振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明TBM在多裂隙Ⅳ級(jí)灰?guī)r中掘進(jìn)時(shí)，刀盤振動(dòng)最大值達(dá)33 m/s2，平均值為28 m/s2。滾刀貫入度是刀盤振動(dòng)大小的一個(gè)主要影響因素，貫入度越大，刀盤振動(dòng)越強(qiáng)烈。正常掘進(jìn)時(shí)幾個(gè)頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)幅值明顯較大，這幾個(gè)范圍與刀盤空轉(zhuǎn)時(shí)某幾個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的頻率范圍相同，為防止產(chǎn)生共振，制作刀盤時(shí)其固有頻率要盡量避開這幾個(gè)頻率范圍。

目前，刀具磨損與刀盤振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，把二者整合為一個(gè)系統(tǒng)將能有效提高TBM掘進(jìn)的智能化程度，為主控室實(shí)時(shí)提供掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)信息，以保證掘進(jìn)機(jī)能安全高效地掘進(jìn)。

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Real-time Monitoring Technology for Wear of Cutters and Monitoring andAnalysis of Cutterhead Vibration of TBM

ZHANG Xiaobo1, 2, LIU Quansheng1, 2, ZHANG Jianming3

(1.SchoolofCivilEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,Hubei,China; 2.KeyLaboratoryofSafetyforGeotechnicalandStructuralEngineeringofHubeiProvince,WuhanUniversity,Wuhan430072,Hubei,China; 3.ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The real-time monitoring of cutter wear and cutterhead vibration of TBM (tunnel boring machine) are difficult due to the limit of construction environment. As a result, the real-time monitoring systems for wear of hob cutter and scrape cutter of TBM based on eddy-current sensor and resistance grid are proposed; and then the relationship between the output voltage signals and the wear amount is established by test. Meanwhile, the field monitoring of cutterhead vibration of a TBM with diameter of 8.03 m used in Songhua River Water Diversion Project in Jilin province is carried out; and the vibration response is analyzed. The results show that: 1) The vibration value increases with the penetration increases under certain geological conditions. 2) The frequency-domain curve shows the characteristics of local peaks and small overall amplitudes when the cutterhead is idling. Several frequency ranges with larger amplitudes when TBM normally boring are equal to peaks when TBM idling. As a result, the above-mentioned ranges should be avoided when manufacturing.

TBM; cutter wear; eddy-current sensor; resistance grid; cutterhead vibration monitoring; vibration response analysis

2016-08-26;

2017-01-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2015CB058102， 2014CB046904)

張曉波(1991—)，男，河南鄭州人，武漢大學(xué)巖土工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)門BM掘進(jìn)智能化。E-mail： zxbwhu@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.019

U 455.3

A

1672-741X(2017)03-0380-06