一种滚刀载荷监测智感刀盘、刀盘控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及掘进机装备技术领域，更具体涉及一种滚刀载荷监测智感刀盘、刀盘控制系统及控制方法。

背景技术

随着我国水利工程、地铁隧道、煤矿巷道等基础建设项目的蓬勃发展，地下空间开发需求日益增加。全断面硬岩掘进机(tunnel boring machine, TBM)作为集机械、电子、液压、控制等技术于一体的自动化掘进成套设备，其原理是在多组液压油缸的共同驱动作用下，使刀盘对掌子面施加极大的推力，同时利用电机或液压马达驱动刀盘旋转，刀盘上安装有若干把滚刀，通过滚刀对岩石的挤压作用实现隧道掌子面的多点破碎。在隧道工程建设中起到重要作用。

然而，滚刀作为破碎岩石的关键部件，工作过程中会承受极大的破岩时变载荷，导致崩刃、断裂等滚刀失效形式频频发生。

有鉴于此，有必要对现有技术中的刀盘结构予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于公开一种滚刀载荷监测智感刀盘、刀盘控制系统及控制方法，以解决上述技术问题，提供一种可以有效测出单滚刀破岩载荷与刀盘整体掘进载荷的智感刀盘，同时基于智感刀盘的实时载荷与刀盘布置方案、刀盘转速转角信息判断每把滚刀运动路径上的岩体状态，进而描绘出掌子面的岩体节理、抗压强度、构造带等围岩特征，通过合理的掘进参数调控准则，实现刀盘掘进参数的智能控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种滚刀载荷监测智感刀盘，包括：

刀盘本体，其掘进面开设有多个安装槽；

多组刀箱，对应所述安装槽一一固定布置，包括：

刀箱外壳，具有供滚刀安装的凹槽，所述凹槽内布置有刀座，所述滚刀固定在刀座上；

载荷检测装置，固定布置于所述滚刀与所述刀箱外壳的载荷传递路径上，包括：

弹性立柱，具有四根，且处于空间均匀布置，用于固定连接刀座与刀箱外壳,能够将滚刀所受的空间载荷转换为弹性立柱的应变量；

应变片，布置有12n，其中n为大于1的整数，且同等数量均匀间隔粘贴在每根所述弹性立柱的外周表面，用于捕捉每根弹性立柱的应变量并转化为电阻变化量；

四根所述弹性立柱之间的应变片通过三条线路组成相互独立的三组惠斯通全桥电路，其分别为法向载荷测量电路、滚动载荷测量电路、侧向载荷测量电路，以将不同弹性立柱的应变量进行叠加解算，使滚刀所受的空间载荷分解为法向、滚动和侧向三个相互垂直的方向；

每组惠斯通全桥电路均连接有电源模块，以输出与载荷变化量呈线性相关的电信号；

所述智感刀盘还包括信号放大模块与无线传输模块，三组惠斯通全桥电路输出的电信号能够经过信号放大模块放大并通过无线传输模块传递至上位机监测系统，实现对每把滚刀破岩荷载的无线监测。

作为本发明的进一步改进，所述应变片为双轴应变片，布置有24个，每根所述弹性立柱布置有6个双轴应变片，每根所述弹性立柱上位置相对的两个双轴应变片共同组桥，四根所述弹性立柱上位于同一方向的8个双轴应变片共同组桥，以形成一组惠斯通全桥电路。

作为本发明的进一步改进，所述应变片为单轴应变片，布置有48个，每根所述弹性立柱布置有12个单轴应变片，每两组相对的单轴应变片共同组桥，四根所述弹性立柱上位于同一方向的16个单轴应变片共同组桥，以形成一组惠斯通全桥电路。

作为本发明的进一步改进，所述应变片为金属电阻应变片，具体为金属箔状应变片。

作为本发明的进一步改进，四根所述弹性立柱呈矩形分布平行排列。

作为本发明的进一步改进，所述应变片外部配有金属保护壳，且在应变片与金属保护壳之间涂有硅橡胶。

作为本发明的进一步改进，四根弹性立柱为金属圆柱体，外表面加工有环状槽，为防止应力集中，环状槽的上下加工有圆角，弹性立柱的截面尺寸应根据预估静态载荷的2至3倍进行选择，以防止载荷波动过大所引起的弹性立柱损坏或者受载应变量超出应变片的量程范围。

本发明还公开了一种滚刀载荷监测智感刀盘控制系统，包括：

智感刀盘，能够对刀盘本体上布置的若干滚刀的破岩荷载进行无线监测；

上位机监测系统，用于记录接收所述智感刀盘的数据传输；

岩体识别系统，与所述上位机监测系统数据相连，能够对所监测的每把滚刀破岩的实时载荷状态、刀盘布置方案以及刀盘转速、转角信息进行处理，评价刀盘本体的整体载荷与集中受载区的局部载荷状态，并判断识别掌子面岩体节理、抗压强度以及构造带特征，以实现刀盘掘进参数的智能控制。

本发明还公开了一种滚刀载荷监测智感刀盘控制方法，包括以下步骤：

S1，通过智感刀盘收集各滚刀的破岩实时荷载，并传输至上位机监测系统中；

S2，所述岩体识别系统能够根据所监测的每把滚刀的破岩实时载荷与刀盘布置方案，获得刀盘上每把滚刀位置处的实时载荷大小，进而判断刀盘集中受载的局部区域，通过叠加刀盘上所有滚刀的载荷大小，能够计算出刀盘整体的受载状态；

S3，利用预先进行的滚刀载荷与岩石特性相关性试验，根据掘进时刀盘上各把滚刀的实时载荷，能够判断每把滚刀瞬时位置处的岩石特性，结合刀盘实时转角、滚刀布置方案信息，能够在掘进过程中判断每把滚刀运动路径上的岩体状态，进而描绘出掌子面处的节理、软硬不均、围岩强度地质状态；

S4，根据所述S3步骤得出的掌子面岩石地质状态与所述S2步骤计算出的刀盘整体受载状态信息，对刀盘掘进参数智能控制。

作为本发明的进一步改进，所述S1步骤中每个弹性立柱的轴向受载为滚刀载荷在三个方向上分解载荷的线性叠加，根据微应变原理，推导出滚刀受载时4个弹性立柱的应变量分别为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）一种滚刀载荷监测智感刀盘，包括刀盘本体、多组刀箱、刀箱外壳以及由弹性立柱、应变片、惠斯通全桥电路、电源模块组成的载荷检测装置，依靠滚刀载荷所引起的各弹性立柱应变量不同，通过惠斯通全桥电路感应各弹性立柱的应变量，输出指定方向载荷分量的电压信号并忽略其它方向载荷分量的影响，可以将滚刀所受空间载荷分解为三个方向上的载荷分量，利用信号放大模块、无线传输模块传递到上位机监测系统，可以无线监测各个滚刀破岩的实时载荷状态，判断刀盘整体与滚刀局部的载荷状况。

（2）一种滚刀载荷监测智感刀盘控制系统及控制方法，包括智感刀盘、上位机监测系统以及岩体识别系统，通过感知每把滚刀的实时载荷，可以推导出刀盘的局部载荷状态与整体载荷状态，利用预先进行的滚刀载荷与岩石特性相关性试验，根据掘进时刀盘上各把滚刀的实时载荷，能够判断每把滚刀瞬时位置处的岩石特性，描绘出掌子面处的节理、软硬不均、围岩强度地质状态，为刀盘掘进参数的控制提供实际依据，避免工作过程中滚刀承受极大的破岩时变载荷，导致崩刃、断裂等滚刀失效形式频频发生。

附图说明

图1为本发明一种滚刀载荷监测智感刀盘的结构示意图；

图2为本发明一种滚刀载荷监测智感刀盘中刀箱与滚刀的装配示意图；

图3为图2的半剖示意图；

图4为图2在另一个视角的半剖示意图，且剖视方向与图3的剖视方向垂直；

图5为本发明一种滚刀载荷监测智感刀盘中弹性立柱与应变片的位置示意图；

图6a、6b、6c分别为滚动载荷测量电路、法向载荷测量电路、侧向载荷测量电路的组桥图；

图7为本发明一种滚刀载荷监测智感刀盘中滚刀在刀盘上的安装参数示意图；

图8为本发明一种滚刀载荷监测智感刀盘控制系统的流程示意图。

图中：1、刀盘本体；2、刀箱；2.1～2.4、四根弹性立柱；2.1.1～2.4.6、6个双轴应变片；2.5、滚刀；2.6、安装楔块；2.7、刀座；2.8、刀箱外壳。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

请参图1至图8所示出的本发明一种滚刀载荷监测智感刀盘的一种具体实施方式。

实施例一：

参图1所示，一种滚刀载荷监测智感刀盘，包括：刀盘本体1、刀箱2以及载荷检测装置；其中，刀盘本体1的掘进面开设有多个安装槽，可以使刀箱呈现不同的布置方案；刀箱2具有多组，对应安装槽一一固定布置，包括：刀箱外壳2.8，具有供滚刀2.5安装的凹槽，凹槽内布置有刀座，滚刀2.5通过安装楔块2.6固定在刀座2.7上；载荷检测装置，固定布置于滚刀2.5与刀箱外壳2.8的载荷传递路径上，包括：四根弹性立柱2.1～2.4、若干应变片以及三组惠斯通全桥电路；上述连接关系请参图2-4所示。

具体的，四根弹性立柱2.1～2.4呈矩形分布平行排列，用于固定连接刀座2.7与刀箱外壳2.8，能够将滚刀2.5所受的空间载荷转换为弹性立柱的应变量，弹性立柱均为圆形横截面且均匀分布在滚刀2.5运动方向的两侧，弹性立柱2.1与弹性立柱2.2中心的连线与滚刀2.5的运动方向垂直，弹性立柱2.1与弹性立柱2.4中心的连线与滚刀2.5的运动方向平行；

需要理解的是，应变片为金属电阻应变片，具体为金属箔状应变片，应变片布置有24个且同等数量均匀间隔粘贴在每根弹性立柱的外周表面，即每个弹性立柱外周均匀粘贴有6个双轴应变片2.1.1～2.4.6，每个双轴应变片包括可以感知轴向应变的金属栅和可以感知切向应变的金属栅用于捕捉每根弹性立柱的轴向与切向应变量并转化为电阻变化量。

在本实施例中，四根弹性立柱2.1～2.4之间的应变片通过三条线路组成相互独立的三组惠斯通全桥电路，具体的，每根弹性立柱上位置相对的两个双轴应变片共同组桥，四根弹性立柱2.1～2.4上位于同一方向的8个双轴应变片共同组桥，以形成一组惠斯通全桥电路，所组成桥路具有感知载荷、排除弯矩干扰、补偿温度变化的作用，四根弹性立柱2.1～2.4上的应变片分别组成可测量不同方向载荷的3组全桥电路，通过设计应变片的接线方式，可使每个电桥只检测处特定方向的载荷而忽略其他方向的载荷，3组全桥电路分别为法向载荷测量电路、侧向载荷测量电路，以将不同弹性立柱的应变量进行叠加解算，使滚刀所受的空间载荷分解为法向、滚动和侧向三个相互垂直的方向；

如图2所示，滚刀2.5在破碎岩石时的载荷可以分为法向载荷FV、滚动载荷FR、侧向载荷FS三个方向，载荷通过安装楔块2.6、刀座2.7、弹性立柱2.1～2.4、刀箱外壳2.8依次传递到刀盘本体1上，四根弹性立柱2.1～2.4根据所处的位置关系产生的不同的应变量，通过本发明实例的组桥方案可以检测滚刀2.5载荷并分解为三个相互垂直的方向。

每组惠斯通全桥电路均连接有电源模块，以输出与载荷变化量呈线性相关的电信号；智感刀盘还包括信号放大模块与无线传输模块，三组惠斯通全桥电路输出的电信号能够经过信号放大模块放大并通过无线传输模块传递至上位机监测系统，实现对每把滚刀破岩荷载的无线监测。

还需要理解的是，应变片外部配有金属保护壳，且在应变片与金属保护壳之间涂有硅橡胶，以密封保护应变片不受碎岩、地下水等环境损坏。

更具体的，四根弹性立柱2.1～2.4为金属圆柱体，外表面加工有环状槽，为防止应力集中，环状槽的上下加工有圆角，弹性立柱的截面尺寸应根据预估静态载荷的2至3倍进行选择，以防止载荷波动过大所引起的弹性立柱损坏或者受载应变量超出应变片的量程范围。

如图6a所示的滚动载荷检测电路，当滚刀2.5受到滚动载荷时，弹性支柱2.1、2.2产生Δε的应变变化量，弹性支柱2.3、2.4产生-Δε的应变变化量，惠斯通全桥电路的各个桥臂电阻值发生变化，导致输出电压发生变化，从而检测出滚刀2.5所受的滚动载荷。滚刀2.5受到法向载荷时，每个弹性立柱上发生Δε的应变变化量，表现为检测电路中的相邻桥臂阻值变化相同，电桥仍然满足平衡条件，电压输出无变化。滚刀2.5受到侧向载荷时，造成支柱2.1、2.4产生Δε的应变改变量，支柱2.2、2.3产生-Δε的应变改变量，叠加到电桥上表现为各桥臂阻值无变化，输出电压无变化。综上，电路可以检测出滚刀2.5所受的滚动载荷同时排除其他方向载荷的影响。

如图6b所示的法向载荷检测电路，当滚刀2.5受到法向载荷时，每个弹性立柱上发生Δε的应变变化量，表现在全桥电路中为相对桥臂的阻值发生相同方向的变化，相邻桥臂的阻值发生相反方向的变化，电路输出电压信号发生变化。滚刀2.5受到滚动载荷时，造成弹性立柱2.1、2.2产生Δε的应变改变量，弹性立柱2.3、2.4产生-Δε的应变改变量，表现在全桥电路中为相邻桥臂的阻值变化相同，输出电压无变化。滚刀2.5受到侧向载荷时，造成弹性立柱2.1、2.4产生Δε的应变变化量，弹性立柱2.2、2.3产生-Δε的应变变化量，表现在电桥中为各桥臂阻值无变化，输出电压无变化。综上，电路可以检测出滚刀2.5所受法向载荷同时排除其他方向载荷的影响。

如图6c所示的侧向载荷检测电路。滚刀2.5受到侧向载荷时，造成弹性立柱2.1、2.4产生Δε的应变变化量，弹性立柱2.2、2.3产生-Δε的应变变化量，表现在全桥电路中为相对桥臂的阻值发生相同方向的变化，相邻桥臂的阻值发生相反方向的变化，输出电压改变。滚刀2.5受到法向载荷时，每个弹性立柱上发生Δε的应变变化量，表现在全桥电路中为各桥臂阻值不发生变化，输出电压不发生变化。滚刀受到滚动力载荷时，造成弹性立柱2.1、2.2产生Δε的应变变化量，弹性立柱2.3、2.4产生-Δε的应变变化量，表现在电桥中为各桥臂阻值无变化，输出电压无变化。综上，电路可以检测出滚刀2.5所受侧向载荷同时排除其他方向载荷的影响。

参考图7所示，本发明还公开一种滚刀载荷监测智感刀盘控制系统，包括：智感刀盘，能够对刀盘本体上布置的若干滚刀的破岩荷载进行无线监测；上位机监测系统，用于记录接收智感刀盘的数据传输；岩体识别系统，与上位机监测系统数据相连，能够对所监测的每把滚刀破岩的实时载荷状态、刀盘布置方案以及刀盘转速、转角信息进行处理，评价刀盘本体的整体载荷与集中受载区的局部载荷状态，并判断识别掌子面岩体节理、抗压强度以及构造带特征，以实现刀盘掘进参数的智能控制。

本发明还公开一种滚刀载荷监测智感刀盘控制方法，基于一种滚刀载荷监测智感刀盘控制系统，包括以下步骤：S1，通过智感刀盘收集各滚刀2.5的破岩实时荷载，并传输至上位机监测系统中；S2，岩体识别系统能够根据所监测的每把滚刀2.5的破岩实时载荷与刀盘布置方案，获得刀盘上每把滚刀2.5位置处的实时载荷大小，进而判断刀盘集中受载的局部区域，通过叠加刀盘上所有滚刀2.5的载荷大小，能够计算出刀盘整体的受载状态；S3，利用预先进行的滚刀载荷与岩石特性相关性试验，根据掘进时刀盘上各把滚刀的实时载荷，能够判断每把滚刀瞬时位置处的岩石特性，结合刀盘实时转角、滚刀布置方案信息，能够在掘进过程中判断每把滚刀2.5运动路径上的岩体状态，进而描绘出掌子面处的节理、软硬不均、围岩强度地质状态；S4，根据S3步骤得出的掌子面岩石地质状态与S2步骤计算出的刀盘整体受载状态信息，对刀盘掘进参数智能控制。

具体的，S1步骤中每个弹性立柱的轴向受载为滚刀载荷在三个方向上分解载荷的线性叠加，根据微应变原理，能够推导出滚刀受载时4根弹性立柱2.1～2.4的应变量分别为：

S2步骤中，刀盘整体载荷的计算公式为：

其中

实施例二：

应变片为单轴应变片，每根弹性立柱布置有12个单轴应变片，每两组相对的单轴应变片共同组桥，四根弹性立柱上位于同一方向的16个单轴应变片共同组桥，以形成一组惠斯通全桥电路。其余技术特征均参考实施例一，在此不再赘述。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。