[发明专利]刀具及其磨损在线监测装置

说明书

本发明公开了一种刀具及其磨损在线监测装置，该装置包括由N个阻值相等的电阻串联构成的检测支路、测量支路、监测端和电源模块；检测支路与电源模块的输出端电性连接，测量支路并联于检测支路的两端，测量支路与所述监测端通信连接，测量支路采用无线传能以及无线+有线信号传输；检测支路中每个电阻的两端均短接，且N个电阻的短接线依次沿刀头前端铺设；监测端用于根据测量支路的测量值计算磨损量。本发明采用N个阻值相等的电阻串联构成检测支路，使刀头的磨损量与检测支路的输出电压呈线性关系，提高了磨损检测精度，计算更为简单；无线传能线圈采用非对称布置，提高了传能效率；采用无线+有线信号传输方式，提高了信号传输质量。

技术领域

本发明属于刀具磨损监测技术，尤其涉及一种刀具及其磨损在线监测装置。

背景技术

在TBM实际掘进过程中，刀具磨损会严重引起掘进速度下降、掘进效率降低等问题，更严重可能会导致工程事故。由于刀具安装在TBM或盾构的最前方，在施工过程中不易直接观察刀具的磨损情况，并且直接观察刀具磨损的风险较大，因此刀具磨损是掘进机设计、制造、施工中的研究重点之一。

目前，国内外学者对刀具磨损进行了大量的研究，研究内容包括刀具磨损检测方法、刀具寿命预测、刀具磨损与掘进参数相关性研究、刀具磨损仿真方法等。

刀具磨损状态直接影响TBM破岩效率和掘进状态。然而TBM刀具破岩工作环境恶劣，目前存在的检测方法有直接检测方法，具体包括：开舱检测法、异味添加剂、液压检测法、超声波检测法、电阻传感器检测法、电涡流检测法等；间接检测法，具体包括腐蚀性试验分析法、掘进参数分析法、岩渣形状分析法等。其中，电阻传感器检测法应用较广，电阻传感器检测法是指在刀具内部布置电阻棒，刀具磨损时，电阻棒也会随之磨损，从而引起阻值改变，最终通过测量电阻棒的阻值，计算刀具磨损量，即可监测刀具的磨损情况。电阻传感器检测法一般采用电阻并联法，随着并联电阻数量增加，分辨率减小，误差变大，导致并联的级数受到限制，可参见名称为“基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置”的专利文献（申请公布号为CN102288099A），设计电阻排式刀具磨损传感器，内嵌于盾构机的刀具内，与刀具同时磨损，从而实现刀具磨损的监测。

在各类直接检测法中，开舱检测法、异味添加剂和液压检测法均无法实现刀具磨损的实时监测；超声波检测法和电涡流检测法所用的传感器虽然精密，仍需施工现场搭载试验的验证；采用电阻传感器法的检测电路中，电阻一般采用并联形式，磨损与传感器检测数据呈非线性关系，测量精度有待提升。在各类间接监测法中，腐蚀性试验分析法、掘进参数分法和岩渣形状分析法无法得到刀具磨损的直接结果，需要通过刀具磨损与掘进参数、岩渣形状、腐蚀性指标等参数之间的关系反推或预测磨损情况，这种方法存在滞后性和不确定性，无法实时指导施工。

用于隧道掘进机的开采工具的内部结构还需进一步改善。首先，刀具工作在带压环境中，电气系统安装在常压环境内，两者之间不可避免的需要电缆进行电气连接，需要进行承压，承压装置一旦失效，换刀时压力将会泄漏，泥浆、渣土等物质进入中心仓，对工作人员造成极大威胁，例如一种软土刀具及盾构机（申请号为202111180663.2），其中，刀头和刀筒的内腔之间通过非金属承压密封隔绝，可以解决上述问题，但是金属承压块的结构及性能还存在优化空间。其次，刀具和电气系统分别在带压和常压的工作环境，有必要将两者隔绝，但是这带来的难题是集成在刀具上的磨损传感器需要以无线传能和无线传输的形式从电气系统获取电能和发送、接收信号，例如一种用于隧道掘进机的开采工具和隧道掘进机（申请号为201820392592.X），其中，线路装置在刀具头和工具架之间具有无线的无插头的耦联模块，其构造具有接口和电感的耦联件，该接口具有相互间隔的发射/接收元件，用于连接至一个磨损传感器或者每个传感器的电气线路和控制磨损状态指令的模块，实现两者之间的无线传能及传输功能，但是传能效率和传输质量还有待提升。

发明内容

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供一种刀具及其磨损在线监测装置，以解决传统技术中存在监测准确度低、安装操作复杂和传能效率低的问题。