新型超聲波式盾構(gòu)刀具磨損檢測系統(tǒng)研究

呂瑞虎，王光輝，劉 濤

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽，471009)

新型超聲波式盾構(gòu)刀具磨損檢測系統(tǒng)研究

呂瑞虎，王光輝，劉 濤

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽，471009)

為準(zhǔn)確檢測刀具耐磨塊磨損量，研判換刀時(shí)機(jī)，減少刀具成本，確保施工安全，以超聲波檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，并參閱國內(nèi)外相關(guān)工程技術(shù)資料，對(duì)盾構(gòu)刀具磨損檢測系統(tǒng)的研發(fā)背景、研發(fā)思路、結(jié)構(gòu)組成部分及電腦客戶端進(jìn)行全面、深入的研究與設(shè)計(jì)。

盾構(gòu)；刀具；磨損；超聲波；檢測

目前，盾構(gòu)刀具磨損的檢測方法主要有開倉檢查、異味添加劑、掘進(jìn)參數(shù)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(shù)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(lǐng)域內(nèi)可進(jìn)一步探索的空間很大。本文以目前超聲波檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)工程技術(shù)資料，設(shè)計(jì)并研發(fā)出新型盾構(gòu)刀具磨損超聲波式檢測系統(tǒng)，對(duì)其原理及結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行介紹。

1 盾構(gòu)刀具磨損檢測系統(tǒng)的總體方案研究

超聲波檢測系統(tǒng)主要包括：待檢刀具、超聲波換能器、信號(hào)線、檢測儀、中心回轉(zhuǎn)體、電滑環(huán)、電力線、客戶端、電源等，檢測系統(tǒng)總裝如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總裝圖

該超聲波式檢測系統(tǒng)的具體連接要點(diǎn)包括：①超聲波換能器固定于刀具內(nèi)，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(hào)線連接；③檢測儀安裝及防護(hù)直接關(guān)系到系統(tǒng)工作性能的可靠性和穩(wěn)定性，檢測儀應(yīng)安裝在刀盤內(nèi)部空腔內(nèi)，且須采取嚴(yán)密的防水、防振措施，確保檢測儀在盾構(gòu)掘進(jìn)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(gè)獨(dú)立單元按序連接組合成一個(gè)有機(jī)整體，并采取相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)措施，是確保系統(tǒng)整體工作性能及檢測效果的重要環(huán)節(jié)；④檢測儀的信號(hào)線與電滑環(huán)連接，電滑環(huán)通過信號(hào)線與PC機(jī)連接；⑤采用超聲波式實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)對(duì)切刀或刮刀耐磨塊厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)量測，安裝電滑環(huán)，以有線方式傳輸信號(hào)至尾盾控制室，由PC機(jī)接收，將其檢測結(jié)果顯示于串口調(diào)試窗口內(nèi)；同時(shí)，電力經(jīng)由電滑環(huán)輸送至檢測儀，保證系統(tǒng)的持續(xù)工作。

2 數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇研究

超聲波式新型檢測系統(tǒng)可采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，包括有線傳輸方式和無線傳輸方式。相對(duì)而言，有線傳輸方式的諸多優(yōu)點(diǎn)使其更適應(yīng)檢測環(huán)境；無線傳輸方式在實(shí)際工況下存在一定的局限性，其應(yīng)用受到限制。

2.1 有線傳輸方式

超聲波新型檢測系統(tǒng)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(fā)專用超聲波檢測儀，將多個(gè)超聲波換能器通過特定的措施分別埋設(shè)于待測刀具內(nèi)，超聲波換能器均通過信號(hào)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(tǒng)連接。檢測儀將超聲模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，處理后的數(shù)字信號(hào)通過485總線以RS485通信方式傳輸至信息后處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多通道超聲信號(hào)的實(shí)時(shí)發(fā)送、實(shí)時(shí)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(yōu)點(diǎn)如下。

1）超聲波檢測儀安置于刀盤背部或刀盤內(nèi)部，可連接多個(gè)超聲波換能器，滿足施工現(xiàn)場對(duì)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(shè)備和測線的防護(hù)工作量，并在一定程度上提高整個(gè)超聲波檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2）放置于盾構(gòu)控制室內(nèi)的整流器，可直接安插在普通220V交流電插座上，經(jīng)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(tǒng)精簡，操作簡捷，且具有強(qiáng)大而持久的續(xù)航能力，為超聲波檢測儀提供實(shí)時(shí)、持久的動(dòng)力保障。相對(duì)于續(xù)航能力有限的電池供電方式，該方式優(yōu)勢明顯。

3）盾構(gòu)材質(zhì)與土倉內(nèi)的土體會(huì)嚴(yán)重影響無線傳輸信號(hào)的有效、實(shí)時(shí)傳輸，有時(shí)不得不在停機(jī)或特定時(shí)段檢測，效率低下且信號(hào)極不穩(wěn)定，而新型超聲波檢測儀不易受盾構(gòu)機(jī)械構(gòu)造及工作狀態(tài)的限制，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀具耐磨塊厚度的實(shí)時(shí)檢測。

4）通過二次研發(fā)，超聲波檢測儀易于擴(kuò)展更多的檢測通道，理論可增至256通道，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全部固定類刀具耐磨塊厚度的實(shí)時(shí)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(gòu)出廠前在中心回轉(zhuǎn)體及刀盤內(nèi)部開孔或刻槽以敷設(shè)485傳輸總線并安裝導(dǎo)電滑環(huán)，組裝工藝復(fù)雜，技術(shù)水平要求較高，且對(duì)盾構(gòu)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其它性能產(chǎn)生較大影響；另外，從檢測儀的安裝到有條件進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的周期較長，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)施難度較大。

2）數(shù)個(gè)超聲波換能器與一臺(tái)檢測儀的現(xiàn)實(shí)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(nèi)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(nèi)，須使用較長的模擬信號(hào)線以連接超聲波換能器與檢測儀，因此模擬信號(hào)線的長短取決于盾構(gòu)刀盤直徑的大小，而模擬信號(hào)線較長會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰減與噪聲干擾的增加，超過5m信號(hào)幾乎失真。如若突破5m傳輸瓶頸，則須對(duì)檢測儀進(jìn)行深入研發(fā)，周期長，成本高。

3）須對(duì)普通檢測儀進(jìn)行深入研發(fā)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(shù)據(jù)暫存于內(nèi)存中，爾后利用專業(yè)軟件導(dǎo)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(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的功能。因此，分步式有線傳輸方式須對(duì)普通便攜式檢測儀進(jìn)行技術(shù)更新，將檢測儀原有的232通訊方式轉(zhuǎn)變?yōu)?85通訊方式，并具備實(shí)時(shí)顯示功能，實(shí)現(xiàn)單通道超聲信號(hào)的發(fā)射、接收，將超聲模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、檢波、平滑等一維信號(hào)處理）；經(jīng)技術(shù)更新后的檢測儀接收操作臺(tái)主控計(jì)算機(jī)的控制指令，按照所設(shè)定工藝參數(shù)進(jìn)行檢測，并將一維信號(hào)通過485總線傳回主控計(jì)算機(jī)，用于進(jìn)一步的分析處理，主要關(guān)鍵技術(shù)包括實(shí)時(shí)顯示、信號(hào)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(yōu)點(diǎn)如下。

1）可直接對(duì)普通檢測儀進(jìn)行技術(shù)更新，且更新的范圍小，僅包括數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)單個(gè)檢測儀來說實(shí)現(xiàn)的技術(shù)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(dú)立的檢測單位均與操作臺(tái)主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，當(dāng)某個(gè)檢測儀發(fā)生故障不能正常工作時(shí)，其它檢測儀均可正常工作，為整個(gè)檢測系統(tǒng)設(shè)置了多道安全防線。

3）檢測儀安裝在待測刀具對(duì)應(yīng)的刀盤背部或內(nèi)部，連接檢測儀和超聲波換能器的數(shù)據(jù)線可控制在5m以內(nèi)，這樣的布局可擺脫刀盤直徑對(duì)模擬信號(hào)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(gè)檢測系統(tǒng)冗余復(fù)雜，在一定程度上降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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

3）分布式有線傳輸方式須對(duì)每個(gè)檢測儀進(jìn)行設(shè)備及線路的防護(hù)工作，工作量大，實(shí)施難度較大，成本較高。

這兩種有線傳輸方式各有利弊，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、查閱國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，確定如下原則：在滿足檢測要求的前提下，利用現(xiàn)有資源降低成本、縮短研發(fā)周期。鑒于以上分析，宜優(yōu)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(tǒng)實(shí)物總裝如圖4所示，該系統(tǒng)中僅配置一臺(tái)檢測儀。

圖4 超聲波式檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(xié)議連接，檢測儀和終端控制器分別有一個(gè)無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，模塊之間使用Zigbee通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)。通信距離根據(jù)實(shí)際情況確定，在可視情況下可達(dá)到1km。

研發(fā)藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射及接收裝置，藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射器與檢測數(shù)據(jù)讀取記錄裝置集成在一起，配備鋰電池，保證工作時(shí)長幾個(gè)月，采用藍(lán)牙信號(hào)發(fā)射數(shù)據(jù)，如無線部分故障也可由人員攜帶數(shù)據(jù)讀取設(shè)備帶壓進(jìn)倉對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取或?qū)?shù)據(jù)讀取記錄裝置取出后讀取。

藍(lán)牙信號(hào)接收裝置安裝在前盾前方，其電力線及信號(hào)線通過前盾敷設(shè)至前盾主控室。

無線傳輸方式優(yōu)點(diǎn)如下。

1）無線傳輸方式使用的信號(hào)線和電力線很少，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，集成化程度高，成本低。

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

無線傳輸方式缺點(diǎn)如下。

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

2）無線傳輸方式必須在盾構(gòu)停歇狀態(tài)下或泥水倉、土倉中的物質(zhì)較少，信號(hào)傳輸不受阻塞干擾時(shí)才有可能將信號(hào)傳出，數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性得不到有效保障，影響其推廣應(yīng)用。

綜上所述，盾構(gòu)材質(zhì)及渣土倉內(nèi)的土體會(huì)嚴(yán)重影響無線傳輸方式下信號(hào)的有效、實(shí)時(shí)傳輸，有時(shí)不得不在停機(jī)或特定時(shí)間段檢測，效率低下且信號(hào)極不穩(wěn)定。前人已有檢測信號(hào)無線傳輸?shù)南嚓P(guān)研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果反饋的信息來看，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，無線傳輸方式并不能滿足檢測儀的應(yīng)用要求。

3 存在的主要問題

盾構(gòu)刀具磨損超聲波檢測系統(tǒng)研究中存在如下問題。

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

2）針對(duì)檢測儀與線路的防護(hù)問題提出了解決方案與措施，但施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)判的復(fù)雜因素很多，檢測儀與線路的防護(hù)效果需要現(xiàn)場試驗(yàn)的最終驗(yàn)證。

3）電滑環(huán)與中心回轉(zhuǎn)體之間的耦合性能是否良好直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)必須結(jié)合中心回轉(zhuǎn)體的實(shí)際構(gòu)造及工況進(jìn)行更為深入、細(xì)致的研究。

4 結(jié) 語

新型盾構(gòu)刀具磨損檢測系統(tǒng)具備RS485通訊方式，具備連續(xù)檢測，實(shí)時(shí)顯示的功能，并通過電滑環(huán)的應(yīng)用解決了測線在盾構(gòu)運(yùn)行過程中的繞線問題；在盾構(gòu)停止掘進(jìn)或正常工作狀態(tài)下，超聲波式檢測系統(tǒng)均可精確地檢測出刀具磨損量。

盾構(gòu)正常工作狀態(tài)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(shè)置檢測周期，實(shí)時(shí)或周期性的檢測磨損量。當(dāng)檢測周期為0時(shí)，電腦客戶端可實(shí)時(shí)顯示檢測數(shù)據(jù)；用戶也可根據(jù)需要設(shè)置檢測周期，間隔顯示檢測數(shù)據(jù)；盾構(gòu)停機(jī)狀態(tài)下，無須人員進(jìn)入土倉內(nèi)即可快捷地檢測磨損量，既排除了安全隱患亦可節(jié)約成本。

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（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