[发明专利]盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统

说明书

本发明公开了一种盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统，监测系统包括滚刀应力检测传感器、滚刀应力检测传感器供电模组和滚刀应力信号发射盒，所述滚刀应力检测传感器包括两组嵌装在盾构机滚刀压块上的应变片，所述应变片与同样固定在盾构机滚刀压块上的滚刀应力检测传感器供电模组电连接，同时通过安装在滚刀端盖上的滚刀应力信号发射盒向工控机传送滚刀电压数据。本发明采用对滚刀压块电压信号运用二元一次线性拟合方法得到滚刀垂直力、滚动力解耦公式的计算方式得到滚刀载荷的检测结果，计算过程简单，结果精准可靠，可适用于封闭、恶劣、处理数据设备条件有限的施工环境。

技术领域

本发明涉及一种盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统，属于盾构设备监测技术。

背景技术

盘形滚刀作为一种挖掘坚硬岩石的刀具，常应用于盾构机和TBM等大型掘进设备上，滚刀的工作性能直接影响着隧道掘进机的掘削效果和施工速度。

由此，国内外很多学者针对上述问题，研发了各具特色的TBM滚刀载荷测量方法。王少华等在“TBM掘进中滚刀受力实时监测方法研究”中提出，分别在左右两个垫块上各安装两个传感器，两个传感器分别测量垫块在法向方向和侧向方向的载荷；孙振川等在“一种盘形滚刀测力结构”通过在刀座两侧板设置传感器安装槽，测力传感器一端通过螺栓与刀座连接，另外一端通过螺栓卡块组件与刀轴相连，实现滚刀所受垂直力的测量；陈超等在“在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置”中提出了一种通过在压块上粘贴四个应变片的方式实现测量单个滚刀所受垂直力和滚动力的方法；陈永龙在“单刀盘形滚刀破岩时的受力测试”选择刀轴作为传感元件，将其近似看作一根双向弯曲梁，在其上粘贴电阻应变片来测量滚刀受力；Entacher等在固定滚刀的螺栓中埋入应变片，通过测量这些螺栓预紧力在滚刀受力时的变化情况来计算滚刀破岩力。

以上的滚刀受力检测的检测方式存在如下问题：

(1)应变片安装在刀轴上，需要在刀轴上开槽，开槽不仅影响滚刀刀轴的受力强度，而且滚刀更换过程中对刀轴的影响较大；(2)将应变片埋入螺栓，虽然预测效果不错，但是在实际的工程运用中将应变片埋入螺栓的操作复杂，阻碍了该方法的推广；(3)无论是安装在刀轴还是刀座上的传感器，都只能分别检测单一方向的受力载荷，在需要对滚刀进行多方位监测的时候，需要布置更多数量的传感器，结构线路复杂，成本高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有盾构机盘形滚刀的受力监测方式存在的上述问题，提供一种新的盾构机滚刀载荷监测方法和监测系统。

本发明采用如下技术方案实现：

盾构机滚刀载荷监测方法，包括如下步骤：

步骤一、通过软件对盾构机滚刀模拟加载，采用两组应变片检测盾构机滚刀受力，数值模拟得到盾构机滚刀在垂直力和滚动力载荷条件下的应变数据；

步骤二、处理步骤一的应变数据得到两组传感器的应变和及应变差数据，然后对上述数据进行线性拟合，以应变和、应变差为自变量，以垂直力Fv、弯矩M为因变量建立二元一次线性方程如式(1)，

计算式(1)中的K和B，其中，K为标定系数矩阵，代表载荷与应变的数值关系，数值为载荷-应变线性回归函数的斜率，B为载荷-应变线性回归函数常数项矩阵，ε为应变矩阵，ε₁₁、ε₁₂分别为应变和值、应变差值；

步骤三、建立电压-应变线性回归函数；

步骤四、在盾构机滚刀实时载荷监测中，根据步骤三所得电压和应变的函数关系，用电压和、电压差表示式(1)中的应变数据，用滚动力Fr表示弯矩M，通过式(2)由电压解耦计算得到盾构机在相应工况下的垂直力Fv和滚动力Fr，