一種應(yīng)用于常壓換刀盾構(gòu)機(jī)的無線滾刀監(jiān)測系統(tǒng)

殷 謙 謝紅武 黃克功 成 思

1 盾構(gòu)機(jī)滾刀監(jiān)測意義

滾刀是盾構(gòu)機(jī)的重要部件之一，施工過程當(dāng)中，盾構(gòu)機(jī)要穿越不同地層，滾刀的實際工作狀態(tài)將會直接影響盾構(gòu)機(jī)施工進(jìn)度和工程安全。

大直徑常壓換刀盾構(gòu)機(jī)由于刀盤直徑大，掛接滾刀多，施工距離長，整個施工周期中需要多次更換滾刀，所以需要實時監(jiān)測刀具狀態(tài)。由于盾構(gòu)機(jī)工作過程中，刀盤是處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，各種檢測傳感器的信號線需要通過滑環(huán)才能將信號線引出，進(jìn)而完成滾刀狀態(tài)檢測，為了避免線纜連接問題，需要采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[1]。

本文提出了一種應(yīng)用于大直徑常壓換刀盾構(gòu)機(jī)的無線滾刀監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確完成滾刀偏磨、崩刃、回退等異常損壞的預(yù)報，指導(dǎo)施工人員及時更換刀具，避免因為換刀不及時帶來的對其他刀具或刀盤進(jìn)一步損壞和經(jīng)濟(jì)損失。在線監(jiān)測滾刀狀態(tài)也能夠減少停機(jī)檢查刀具所耗損的工程進(jìn)度，提高了隧道掘進(jìn)機(jī)的工作效率，節(jié)省了施工的綜合成本。同時，無線的方式也避免了刀盤布線，提高可靠性的同時，也降低了設(shè)備成本。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

應(yīng)用于常壓換刀盾構(gòu)機(jī)的刀具無線監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）采用ISM 工業(yè)頻段。系統(tǒng)由4 部分構(gòu)成，分別是：終端節(jié)點、主節(jié)點、室內(nèi)采集單元和上位機(jī)。如圖1 所示。

終端節(jié)點負(fù)責(zé)滾刀傳感器信號的接收、采集以及處理，同時將采集后的數(shù)字化信號通過無線通信的方式發(fā)送到主節(jié)點。

主節(jié)點實現(xiàn)上位機(jī)的命令數(shù)據(jù)下發(fā)和終端節(jié)點數(shù)據(jù)的上傳功能。

室內(nèi)采集單元實現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換功能和主節(jié)點供電功能。

上位機(jī)是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)最終的接收和處理的硬件載體。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的終端節(jié)點與主節(jié)點之間采用無線通信方案，工作在ISM 頻段，采用LoRa 擴(kuò)頻通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、低功耗的無線通信[2]。終端節(jié)點采用鋰離子電池供電，實時采集滾刀溫度、轉(zhuǎn)速和磨損量等參數(shù)。

主節(jié)點與室內(nèi)采集單元之間采用線纜通信方式，通信接口采用RS485 總線接口。主節(jié)點負(fù)責(zé)向各個終端節(jié)點發(fā)送指令，同時向室內(nèi)采集單元上傳終端節(jié)點的采集數(shù)據(jù)。

上位機(jī)的軟件通過RS232 總線與室內(nèi)采集單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，能對采集到的滾刀工作狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理、實時顯示、存儲，同時能夠?qū)χ鞴?jié)點和終端節(jié)點進(jìn)行工作參數(shù)配置，并能進(jìn)行通信狀態(tài)測試等。

2.3 滾刀參數(shù)監(jiān)測

考慮測量傳感器的安裝和成本，目前只對滾刀進(jìn)行溫度、轉(zhuǎn)速、磨損量三個參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

a）滾刀溫度檢測

通過在滾刀附近布置溫度傳感器，采集滾刀工作區(qū)溫度，從而間接測量滾刀溫度。設(shè)計采用MICROCHIP 公司的MCP9804 芯片，溫度測量范圍-40℃至+125℃，溫度測量誤差±1℃。傳感器工作電流200μA，關(guān)斷電流低至0.1μA，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗測量。芯片采用I2C 總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

b）滾刀轉(zhuǎn)速檢測

在滾刀的圓周方向均勻布置四顆感應(yīng)磁鐵，滾刀旁布置霍爾傳感器，在滾刀轉(zhuǎn)動時，利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生脈沖電流，通過計算兩次脈沖之間的時間差值，從而計算出滾刀的轉(zhuǎn)速[3]。

滾刀轉(zhuǎn)速計算。根據(jù)刀盤轉(zhuǎn)速ω1、滾刀所在位置距刀盤中心距離r1 和滾刀自身半徑r2，計算滾刀理論轉(zhuǎn)速ω2=（ω1×r1）/r2。其中ω1 額定轉(zhuǎn)速2.5r/min，r1 取刀盤半徑極限值7500mm，r2 取18 寸滾刀半徑228mm，計算滾刀最大轉(zhuǎn)速約為82r/min。

c）滾刀磨損檢測

考慮到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)面會產(chǎn)生大量泥水、巖石碎屑等，同時滾刀在盾構(gòu)機(jī)工作時是處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)的。故采用非接觸式的電感式接近傳感器[4]。

電感式接近傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測面產(chǎn)生一個交變電磁場，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測面時，金屬中產(chǎn)生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號通過整形放大轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的開關(guān)信號，經(jīng)功率放大后輸出。考慮到測量信號距離采集電路超過1 米，采用電流傳輸，磨損測量輸出電流信號，輸出范圍4 mA-20 mA。傳感器工作原理如圖2 所示。

圖2 傳感器工作原理

振蕩電路中的線圈產(chǎn)生一個高頻磁場。當(dāng)目標(biāo)物接近磁場時，由于電磁感應(yīng)在目標(biāo)物中產(chǎn)生一個感應(yīng)電流（渦電流）。隨著目標(biāo)物接近傳感器，感應(yīng)電流增強(qiáng)，引起振蕩電路中的負(fù)載加大。然后，振蕩減弱直至停止。傳感器利用振幅檢測電路檢測到振蕩狀態(tài)的變化，并輸出檢測信號。振幅變化的程度隨目標(biāo)物金屬種類的不同而不同，因此檢測距離也隨目標(biāo)物金屬的種類不同而不同。

3 低功耗設(shè)計

由于終端節(jié)點安裝在刀盤，拆卸較為復(fù)雜，不方便更換電池，所以需要一次充電能夠持續(xù)使用三周以上時間。所以，從以下幾個方面對功耗進(jìn)行優(yōu)化。

a）靜態(tài)功耗控制。采用低功耗器件，包括超低功耗微處理單元（MCU）[5]、低功耗溫度傳感器、高效率DC-DC 電源。對傳感器和無線通信電路單元采用獨立的電源分開供電，在系統(tǒng)停止采集數(shù)據(jù)時可以關(guān)閉傳感器電路和無線通信電路，進(jìn)一步降低功耗。

b）動態(tài)功耗控制。選擇合適的發(fā)射電壓、數(shù)據(jù)幀長度、通信速率，確保發(fā)射效率最優(yōu)，同時，接收電路采用休眠模式，即只有在收到發(fā)射信號時才會自動喚醒，降低接收電路功耗。

c）軟件系統(tǒng)聯(lián)動，優(yōu)化系統(tǒng)功耗。在盾構(gòu)機(jī)施工過程中，大約有一半以上的時間是沒有在掘進(jìn)狀態(tài)，通過上位機(jī)軟件讀取刀盤轉(zhuǎn)動參數(shù)，智能啟動、關(guān)閉系統(tǒng)，優(yōu)化作業(yè)時間，從而提高終端節(jié)點續(xù)航時間。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

該系統(tǒng)目前已經(jīng)裝備中鐵306 號盾構(gòu)機(jī)，并在汕頭海灣隧道項目中現(xiàn)場應(yīng)用。如圖3 所示。通過該系統(tǒng)監(jiān)測到的滾刀狀態(tài)參數(shù)，上位機(jī)軟件可以直接進(jìn)行刀具異常報警，通過多參數(shù)數(shù)據(jù)分析，可以對滾刀狀態(tài)進(jìn)行智能診斷。

圖3 終端節(jié)點現(xiàn)場圖

a）滾刀異常報警

根據(jù)在線檢測的滾刀狀態(tài)參數(shù)，包括滾刀溫度、轉(zhuǎn)速、磨損量，對比閾值數(shù)值，進(jìn)行滾刀異常判定。當(dāng)判定刀具狀態(tài)異常時，報警提示。例如溫度異常判定：計算24 小時內(nèi)停機(jī)時滾刀的平均溫度值，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)開始半小時后滾刀溫度比停機(jī)時平均溫度值溫升3 攝氏度以上，判定溫度異常。

圖4 滾刀監(jiān)測數(shù)據(jù)異常

b）滾刀偏磨診斷

結(jié)合磨損測量曲線的異常跳變和轉(zhuǎn)速階段性為0 值，可以判斷滾刀偏磨。如圖4 所示。當(dāng)判斷偏磨后，現(xiàn)場將偏磨滾刀拆出后，發(fā)現(xiàn)該滾刀確實出現(xiàn)偏磨的現(xiàn)象，如圖5 所示。

圖5 滾刀偏磨

5 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于常壓換刀盾構(gòu)機(jī)的無線刀具監(jiān)測系統(tǒng)。描述了系統(tǒng)組成方案和刀具參數(shù)測量方案，給出了系統(tǒng)設(shè)計過程中關(guān)于低功耗設(shè)計和可靠性設(shè)計的實現(xiàn)方法。最后介紹了系統(tǒng)上位機(jī)軟件的刀具異常報警判定和智能診斷刀具偏磨。

通過在汕頭海灣隧道盾構(gòu)機(jī)施工現(xiàn)場的應(yīng)用，該系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)常壓換刀盾構(gòu)機(jī)滾刀在線監(jiān)測，填補(bǔ)了國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)刀具無線監(jiān)測領(lǐng)域的空白，整體性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。相對于傳統(tǒng)的有線方式，能夠有效地降低刀盤設(shè)計復(fù)雜度，減少刀具在線監(jiān)測費用。同時，能夠向盾構(gòu)機(jī)操作人員提供刀具異常報警，并對刀具進(jìn)行智能診斷，保障施工安全。