基于超聲波的盾構(gòu)切刀磨損無線檢測(cè)系統(tǒng)研究

劉招偉, 王百泉, 尚 偉

(1. 中鐵電氣化局集團(tuán)公司， 北京 100036； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 511455)

基于超聲波的盾構(gòu)切刀磨損無線檢測(cè)系統(tǒng)研究

劉招偉1, 王百泉2, 尚 偉2

(1. 中鐵電氣化局集團(tuán)公司， 北京 100036； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院, 廣東 廣州 511455)

刀具磨損檢測(cè)已經(jīng)成為盾構(gòu)法施工隧道的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是施工遇到的最大難題之一。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探查復(fù)雜地質(zhì)條件下刀具磨損情況，掌握刀具磨損變化規(guī)律，及時(shí)更換刀具，減少盾構(gòu)被迫停機(jī)次數(shù)，加快施工進(jìn)度，結(jié)合超聲波檢測(cè)技術(shù)及無線通訊技術(shù)，研發(fā)一套盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明： 1)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果一致性較好，超聲波檢測(cè)技術(shù)可用于盾構(gòu)刀具磨損檢測(cè)； 2)433 MHz頻段無線通訊技術(shù)傳輸信號(hào)準(zhǔn)確、可靠，可用于盾構(gòu)刀具在線實(shí)時(shí)測(cè)量； 3)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，其方案設(shè)計(jì)合理，具有抗振、抗干擾和防水的性能。

盾構(gòu)； 切刀； 磨損； 超聲波； 無線； 檢測(cè)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)工程建設(shè)迎來了快速發(fā)展時(shí)期。盾構(gòu)是一種用于隧道開挖的大型高科技施工裝備，它具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)法已經(jīng)成為隧道開挖常用的方法。

盾構(gòu)在穿越軟硬不均段及中風(fēng)化花崗巖等不良地質(zhì)體時(shí)會(huì)出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、刀盤扭矩增大和掘進(jìn)困難等現(xiàn)象，致使被迫停機(jī)、開艙換刀。這樣會(huì)增大卡盾、掌子面坍塌等施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也嚴(yán)重威脅換刀人員的安全，對(duì)隧道施工周期、成本造成嚴(yán)重影響，故需要對(duì)盾構(gòu)刀具檢測(cè)進(jìn)行深入研究。工程中已有較多的應(yīng)用方法，其中開艙檢驗(yàn)法的檢測(cè)結(jié)果最為準(zhǔn)確，但是風(fēng)險(xiǎn)較大。文獻(xiàn)[1]對(duì)氣味法、液壓法等感應(yīng)方法進(jìn)行了說明； 文獻(xiàn)[2]對(duì)通電式刀具檢測(cè)法進(jìn)行了研究。以上方法只能在刀具磨損到一定程度時(shí)產(chǎn)生指示，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。掘進(jìn)參數(shù)分析法原理上能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)刀具磨損狀態(tài)。文獻(xiàn)[3-7]對(duì)該方法進(jìn)行了系列研究，但是由于影響盾構(gòu)刀具磨損的因素較多，數(shù)據(jù)量較少，其準(zhǔn)確性不高。文獻(xiàn)[8]分析了多種檢測(cè)方法，指出超聲波檢測(cè)法是唯一可進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)磨損的方法。文獻(xiàn)[9]分析了盾構(gòu)刀具磨損檢測(cè)的發(fā)展方向，指出超聲波傳感器可用于盾構(gòu)切刀的磨損檢測(cè)。文獻(xiàn)[10]研究了新型超聲波式盾構(gòu)刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)，提出RS-485通訊方式可實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，具有實(shí)時(shí)顯示的功能。文獻(xiàn)[11]對(duì)盾構(gòu)刀具磨損超聲波檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，提出探頭與測(cè)線連接部位容易滲入液體，影響檢測(cè)結(jié)果。盾構(gòu)刀盤在工作狀態(tài)下是轉(zhuǎn)動(dòng)的，RS-485 通訊方式布線有困難，文獻(xiàn)[10-11]只進(jìn)行了室內(nèi)研究，缺乏現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例，難以推廣應(yīng)用。

采用超聲波檢測(cè)技術(shù)和無線通訊技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)進(jìn)行研究，并研制出一套檢測(cè)系統(tǒng)。相對(duì)于現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)而言，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠在線實(shí)時(shí)檢測(cè)盾構(gòu)切刀的磨損狀態(tài)，精度和準(zhǔn)確性較高，且采用無線通訊技術(shù)，可以解決布線困難的問題，使檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、可靠，便于推廣應(yīng)用。本文將對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)的可行性、傳感器安裝、信號(hào)通訊、數(shù)據(jù)處理以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1 盾構(gòu)刀具磨損超聲波檢測(cè)的可行性研究

1.1測(cè)量原理可行性分析

超聲波測(cè)厚是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)超聲波換能器發(fā)射的超聲波脈沖通過被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回超聲波換能器，通過精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來確定被測(cè)材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的各種材料均可采用此原理測(cè)量。按此原理設(shè)計(jì)的測(cè)厚儀可對(duì)各種板材和各種加工零件進(jìn)行精確測(cè)量，也可以對(duì)生產(chǎn)設(shè)備中各種管道和壓力容器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)它們?cè)谑褂眠^程中受腐蝕后的減薄程度，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、造船、航空和航天等各個(gè)領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于其只要求接觸被測(cè)工件的一面即可完成厚度測(cè)量。盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)對(duì)象為合金刀頭，在工作時(shí)無法直接測(cè)量其工作面的磨損量，可在合金刀頭底面采用超聲波檢測(cè)其厚度，根據(jù)合金刀頭厚度的變化，從而達(dá)到測(cè)量其磨損量的目的。

1.2超聲波換能器性能分析

超聲波換能器安裝固定在盾構(gòu)切刀刀體內(nèi)部，是檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。由于其工作在高溫、潮濕、劇烈振動(dòng)的惡劣環(huán)境中，選用性能穩(wěn)定、可靠的換能器是超聲波無線檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)的首要任務(wù)。

常見超聲波換能器技術(shù)參數(shù)如下。

1)測(cè)量精度： ±(0.5%H+0.01) mm，H為被測(cè)物實(shí)際厚度。

2)分辨率： 0.1 mm/0.01 mm。

3)測(cè)量范圍： 0.65～600 mm。

4)聲速范圍： 1 000～9 999 m/s。

5)工作頻率： 0.4～5 MHz。較低的頻率用于粗晶材料和衰減較大材料的檢測(cè)，較高頻率用于細(xì)晶材料和高靈敏度材料的檢測(cè)。

盾構(gòu)切刀耐磨塊厚度一般為40～60 mm。在磨損檢測(cè)中，主要是研究切刀磨損規(guī)律、掌握切刀磨損量，為盾構(gòu)換刀作業(yè)提供參考。結(jié)合超聲波換能器相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，其測(cè)量精度、分辨率、測(cè)量范圍等均滿足切刀耐磨塊厚度的測(cè)量要求。鑒于切刀耐磨塊合金屬于細(xì)晶材料，宜采用5 MHz高頻檢測(cè)。

2 檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式研究

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸方式包括有線傳輸方式和無線傳輸方式。有線傳輸方式受限于刀盤刀具的工作環(huán)境，故不推薦采用。相比較而言，無線傳輸方式更適合用于盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)的需求。下文對(duì)有線傳輸方式進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，重點(diǎn)介紹信號(hào)的無線傳輸。

2.1有線傳輸方式

采用有線傳輸方式時(shí)，數(shù)據(jù)線和電源線的安裝是難以解決的問題。需通過盾構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)接頭安裝特殊的旋轉(zhuǎn)接口，在中心旋轉(zhuǎn)接頭出廠前進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造完成。旋轉(zhuǎn)接口存在磨損，影響使用壽命，且工作環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)水平條件下難以解決，故不建議使用。

2.2無線傳輸方式

無線通訊技術(shù)是采用調(diào)制技術(shù)將特征信號(hào)與高頻載波合成，利用高頻載波傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，將特征信號(hào)傳播到遠(yuǎn)處的信號(hào)接收裝置。該裝置可以將接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，獲取有價(jià)值的特征信號(hào)。

相對(duì)于有線傳輸方式，無線傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)無線傳輸方式布線簡(jiǎn)便，集成化程度高。

2)不需要對(duì)盾構(gòu)中心旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行專門設(shè)計(jì)、制造，即可實(shí)現(xiàn)刀具檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸功能。

目前，常用的無線通訊技術(shù)主要有ZigBee、藍(lán)牙、紅外、Wi-Fi和433 MHz等。ZigBee有效傳輸距離較短，穿透障礙物的能力較差。藍(lán)牙技術(shù)主要用于手機(jī)、電腦及其附件之間的無線數(shù)據(jù)通訊，傳輸距離短、速率低，在2 m內(nèi)易受其他信號(hào)干擾。紅外通訊技術(shù)波長(zhǎng)短、繞射能力差，適合近距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線傳輸，易受障礙物影響。Wi-Fi無線通訊技術(shù)工作頻率高、波長(zhǎng)小、繞射能力差，遇到障礙物時(shí)，無線信號(hào)的覆蓋強(qiáng)度會(huì)減弱，影響傳輸效果。433 MHz工作頻段的無線通訊技術(shù)頻率低，波長(zhǎng)較大，信號(hào)傳輸過程衰減較小，繞射能力強(qiáng)，無線通訊的有效傳輸距離可大于10 m，可確保在通訊環(huán)境惡劣的場(chǎng)合下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠傳輸。

無線信號(hào)在空氣中傳輸時(shí)的損耗

Los=32.44+20lgd+20lgf。

(1)

式中： Los為傳輸損耗，dB；d為距離，km；f為工作頻率，MHz。

由式(1)可知： 1)傳輸過程信號(hào)的損耗與工作頻率成正比，即工作頻率越高傳輸過程的損耗越大； 2)在同樣傳輸損耗的情況下，無線傳輸距離與工作頻率成反比，即工作頻率越高無線傳輸距離越短。

結(jié)合盾構(gòu)切刀的工作環(huán)境，因地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無線信號(hào)傳輸易受干擾。若無線信號(hào)的發(fā)射頻率過小，則發(fā)射信號(hào)不能到達(dá)接收端； 若發(fā)射頻率過大，則耗費(fèi)電池電量較大，無法保證長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)提供電量，同時(shí)信號(hào)的有效傳輸距離也會(huì)降低。文獻(xiàn)[12-16]對(duì)地層中無線通訊技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為300～1 000 MHz為比較適合盾構(gòu)環(huán)境下的無線傳輸工作頻率； 并且市場(chǎng)上該類產(chǎn)品較多，技術(shù)較為成熟，故采用433 MHz頻段的無線通訊技術(shù)。該頻段無線電波波長(zhǎng)較大，具有較強(qiáng)的繞射能力，可穿越泥漿巖石層，在一定角度范圍內(nèi)，確保接收端都能夠接收到無線信號(hào)。

3 盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)無線通訊裝置方案設(shè)計(jì)

盾構(gòu)切刀磨損檢測(cè)無線通訊裝置主要包括超聲波換能器、檢測(cè)刀具、耦合劑、數(shù)據(jù)采集與發(fā)射(無線模塊)、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送(無線模塊)、數(shù)據(jù)處理等，如圖1所示。

1—檢測(cè)刀具(含超聲波換能器、耦合劑)； 2—數(shù)據(jù)采集與發(fā)射(含電源)； 3—刀盤； 4—前盾； 5—前盾氣墊艙； 6—中盾； 7—數(shù)據(jù)接收與發(fā)送； 8—信號(hào)線； 9—數(shù)據(jù)處理終端。

圖1盾構(gòu)刀具磨損超聲波檢測(cè)裝置原理示意圖

Fig. 1 Sketch of working principle of ultrasonic device for shield cutting tool wear detection

檢測(cè)裝置采用超聲波換能器對(duì)切刀耐磨塊的厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并由數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊以433 MHz無線通訊方式將數(shù)據(jù)信息傳至數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊，再由數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊以RS-485總線通訊技術(shù)將信號(hào)傳至盾構(gòu)控制室內(nèi)PC機(jī)，并由盾構(gòu)刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該裝置具有自動(dòng)測(cè)量、手動(dòng)測(cè)量、電量顯示、報(bào)警和數(shù)據(jù)自動(dòng)保存等功能。

3.1數(shù)據(jù)采集與發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與發(fā)射系統(tǒng)由檢測(cè)刀具、超聲波換能器、數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊、防護(hù)罩等組成，如圖2所示。

1—合金刀頭； 2—耦合劑； 3—超聲換能器； 4—刀體； 5—彈簧； 6—頂桿； 7—數(shù)據(jù)線； 8—鎖緊密封頭； 9—保護(hù)罩； 10—信號(hào)采集與發(fā)射模塊； 11—防護(hù)罩； 12—頂桿； 13—環(huán)氧板； 14—法蘭。

圖2數(shù)據(jù)采集與發(fā)射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

Fig. 2 Sketch of data acquisition and emission structure design

在不影響盾構(gòu)切刀強(qiáng)度與使用功能的條件下，對(duì)切刀進(jìn)行適應(yīng)性改造，以便于超聲波換能器的安裝，從而保證數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。根據(jù)換能器外型尺寸的大小，在切刀刀體尾部端面上加工一個(gè)通孔，孔徑大小以恰好放入換能器為宜，孔的末端有部分螺紋，用于安裝頂桿。在頂桿尾端螺紋上涂抹密封膠，采用頂桿與彈簧將超聲換能器壓緊在切刀耐磨塊底部。

同時(shí)，超聲換能器數(shù)據(jù)線由頂桿中間預(yù)留孔內(nèi)引出，和數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊連接，在數(shù)據(jù)線引出和接入孔處使用鎖緊螺母進(jìn)行鎖緊密封。再由耦合劑預(yù)留孔向換能器處注入耦合劑，并封堵預(yù)留孔，防止耦合劑泄漏和外界泥土、水等雜質(zhì)侵入，從而影響超聲換能器的正常工作。在切刀尾部設(shè)計(jì)防護(hù)罩，防止數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊、數(shù)據(jù)線等被渣土重?fù)舳鴮?dǎo)致?lián)p壞。數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊數(shù)據(jù)信息由環(huán)氧板一側(cè)發(fā)射出去。

3.2數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收與發(fā)送系統(tǒng)由固定法蘭、環(huán)氧樹脂板、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)線接口等組成，如圖3所示。該部分結(jié)構(gòu)是由盾構(gòu)盾體前隔板電液通道進(jìn)行改造而成，將環(huán)氧樹脂板、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊聯(lián)接在固定法蘭上，固定法蘭安裝在盾構(gòu)前盾前側(cè)隔板上。數(shù)據(jù)與電源線由盾構(gòu)主控室PC機(jī)沿盾構(gòu)專用電液通道接入前盾，通過電液通道尾部接口接入數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊，并對(duì)接口進(jìn)行密封處理。

盾構(gòu)切刀磨損量數(shù)據(jù)信息由數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊通過環(huán)氧樹脂板一側(cè)接收，經(jīng)由數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊處理后，由數(shù)據(jù)線傳至主控室PC機(jī)，并形成刀具磨損曲線及信息文檔。

(a) 右視圖

(b) 主視圖

(c) 局部視圖

1—固定法蘭； 2—環(huán)氧樹脂板； 3—數(shù)據(jù)接收與發(fā)送； 4—數(shù)據(jù)線接口。

圖3數(shù)據(jù)接收與發(fā)送單元
Fig. 3 Data receiving and sending cell

3.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

結(jié)合盾構(gòu)切刀磨損超聲波無線檢測(cè)系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)了盾構(gòu)刀頭磨損在線測(cè)量系統(tǒng)，主界面主要分為命令控制區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、波形顯示區(qū)和狀態(tài)顯示區(qū)。操作界面可顯示刀具磨損量、電源剩余電量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、耦合劑報(bào)警、磨損量報(bào)警和通訊報(bào)警等功能，如圖4所示。

圖4 刀具磨損數(shù)據(jù)采集用戶界面Fig. 4 User interface of cutting tool wear data acquisition

在用戶界面上設(shè)置了3把檢測(cè)刀具的相應(yīng)功能。打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用軟件后，首先在命令控制區(qū)選擇需要采集的磨損刀具的編號(hào)，然后單擊“開始采集”命令。采集到的數(shù)據(jù)將會(huì)在數(shù)據(jù)顯示區(qū)和波形顯示區(qū)共同顯示，并及時(shí)以采集的時(shí)間為文件名，以excel文件格式自動(dòng)保存，以便后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)顯示區(qū)，每把檢測(cè)刀具的數(shù)據(jù)采集與發(fā)射模塊的電池電量也將顯示出來，為及時(shí)更換電池或充電提供可靠的信息。波形顯示區(qū)左上角的曲線工具可以實(shí)現(xiàn)波形的拉伸、移動(dòng)和縮放等操作，以便于觀察。在檢測(cè)過程中，刀具檢測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)顯示在狀態(tài)顯示區(qū)，“通訊”信號(hào)燈亮表示所選檢測(cè)刀具的通訊系統(tǒng)正常工作，不亮表示未被選擇或者出現(xiàn)故障。“耦合劑”指示燈用來顯示超聲換能器與合金刀頭是否耦合良好，燈亮表示耦合狀態(tài)良好，不亮表示未被選擇或者耦合出現(xiàn)故障。“報(bào)警燈”用于顯示是否達(dá)到規(guī)定的磨損量，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的磨損量時(shí)，該指示燈亮。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1工程概況

南昌市軌道交通2號(hào)線一期工程土建04標(biāo)段路線起于地鐵大廈站(不含)，止于陽(yáng)明公園站(不含)，含2站4區(qū)間及1座中間風(fēng)井，區(qū)間隧道下穿贛江，線路全長(zhǎng)4 339 m。其中，紅谷中大道站—陽(yáng)明公園站區(qū)間長(zhǎng)度為2 343 m，隧道穿越軟硬不均、全斷面泥質(zhì)粉砂巖等地層，巖石強(qiáng)度為30 MPa。區(qū)間整體如圖5所示。

圖5 區(qū)間整體圖Fig. 5 Plan of layout of project

4.2檢測(cè)系統(tǒng)使用情況

為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集和分析，在中鐵161號(hào)盾構(gòu)安裝了3套刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)。 2016年10月1日—2017年1月11日，盾構(gòu)掘進(jìn)714環(huán)，共計(jì)856.8 m。期間經(jīng)過236 m上軟下硬地層，620.8 m全斷面泥質(zhì)粉砂巖。截至目前，盾構(gòu)切刀磨損超聲波無線檢測(cè)系統(tǒng)工作正常，刀具合金厚度初始值、磨損量檢測(cè)數(shù)據(jù)、開艙檢測(cè)數(shù)據(jù)等如圖6、圖7和表1所示。

為保證盾構(gòu)在全斷面泥質(zhì)粉巖順利掘進(jìn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)至419環(huán)時(shí)，項(xiàng)目部于2016年12月12—18日組織了開艙檢查和刀具更換工作。經(jīng)開艙檢查核對(duì)，3把檢測(cè)刀磨損量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)一致，證明盾構(gòu)切刀磨損超聲波無線檢測(cè)系統(tǒng)性能可靠，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，如圖8、圖9和表1所示。

圖6 初始界面 Fig. 6 Initial interface

圖7 檢測(cè)數(shù)據(jù)與曲線Fig. 7 Detection data and curves

表1 切刀磨損量部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 Part of statistics of cutter wear

圖8開艙檢查刀具
Fig. 8 Cutting tool checking by chamber opening

圖9 開艙測(cè)量刀具磨損Fig. 9 Cutting tool wear measuring by chamber opening

5 結(jié)論與討論

1)對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)在盾構(gòu)刀具磨損檢測(cè)方面的可行性進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了盾構(gòu)刀具超聲波無損檢測(cè)的可行性。

2)通過對(duì)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的研究，研發(fā)出一種超聲波式盾構(gòu)刀具耐磨塊磨損量無線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，完成了檢測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件配置，解決了盾構(gòu)刀具磨損超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、在線實(shí)時(shí)測(cè)量等技術(shù)難題。

3)提出了盾構(gòu)刀具超聲波無線檢測(cè)系統(tǒng)中超聲波換能器、刀具測(cè)點(diǎn)設(shè)置、信號(hào)采集與傳輸、實(shí)時(shí)顯示和分類報(bào)警等設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證安全可靠，解決了系統(tǒng)的安裝、抗振、抗干擾及防水設(shè)計(jì)等問題，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

4)由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間有限，該系統(tǒng)的耐久性及電池更換時(shí)間尚未有定論，一種系統(tǒng)的耐久性應(yīng)當(dāng)經(jīng)過多次且較長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證，可在今后繼續(xù)開展類似的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

5)經(jīng)過泥水盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，表明泥水盾構(gòu)刀具溫度對(duì)測(cè)量精度基本沒有影響。

6)該系統(tǒng)可用于檢測(cè)切刀、邊刮刀等固定類刀具，以及刀盤面板。

7)在土壓平衡盾構(gòu)上應(yīng)用該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究是今后研究的方向之一。

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StudyofWirelessDetectionSystemofShieldCutterWearBasedonUltrasonic

LIU Zhaowei1, WANG Baiquan2, SHANG Wei2

(1.ChinaCRECRailwayElectrificationBureauGroup,Beijing100036,China; 2.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

The cutting tool wear detection of shield has become one of the key technologies of shield tunneling construction; also it is one of the greatest difficulties during shield tunneling construction. In order to realize real-time detection of the wear conditions and wear laws of cutting tool in complex geology, timely cutting tool replacement, reduction of unpurposed shield stop and speeding up construction schedule, a series of shield cutting tool wear detection system is developed based on ultrasonic detection technology and wireless communication technology. The application of the system shows that: 1) The detection results of the system coincide with the monitoring results well, which illustrates that the ultrasonic technology is available for shield cutting tool wear detection. 2) The 433 MHz wireless communication technology is available for online real-time monitoring of shield cutting tool; and it shows high accuracy and reliability. 3) The detection system, has the characteristics of anti-vibration, anti-interference and water-proof; also it is stable and rational.

shield; cutter; wear; ultrasonic; wireless; detection

2017-04-05;

2017-07-20

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 計(jì)劃)(2015CB057803)； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408191)

劉招偉(1962—)，男，江西吉安人，2003年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，隧道及地下工程專業(yè)，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程技術(shù)管理工作。E-mail: 279272419@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.017

U 45

A

2096-4498(2017)11-1469-06