0 引言
滚刀及刮刀作为TBM 直接与岩石接触的部件,极易磨损,由于磨损破坏而引起的刀具检查、刀具更换占施工总时间的30% ~ 40%,刀具更换费用占施工成本的1 /3[1 - 2]。过度磨损会增大刀具及刀盘的温度及振动而加速刀具破坏[3],因此有必要进行刀具磨损实时监测,对磨损超限及已经破坏的刀具进行更换。目前监测刀具磨损量的方法主要有: 维尔特公司研发的一种有异味添加剂的滚刀[4]; 王茂[5]设计的一种基于液压油系统的滚刀磨损监测系统; 张斌等[6]设计研究的一种光栅式滚刀磨损在线监测系统; 海瑞克公司研发的预埋压力传感器和预埋线圈的刮刀[4]; 张明富等[7]设计的一种通过超声波回声定位监测刮刀磨损量的方法; 侯振德等[8]设计的一种电阻棒,能感知刮刀磨损量的大小。以上使用液压式传感器或异味气体的方法只有当滚刀磨损至破坏失效时才能监测到磨损信号,此时再采取措施显然有些措手不及,而光栅式滚刀磨损在线监测系统的激光束会受岩渣等的阻挡,使测量结果不准确。海瑞克公司以及文献[7 - 8]所设计的方法虽然可以实现对刮刀磨损量的实时监测,但不足之处在于均需对刮刀进行改进,这可能会对刮刀整体结构的强度和稳定性产生影响。为解决这些问题,本文研发了刀具磨损实时监测系统。
刀盘振动会引起螺栓松动、轴承磨损等很多问题,甚至导致刀盘解体[9],有必要对其进行研究。现阶段通过理论研究、数值模拟[10]等难以获得刀盘振动准确值,且由于工作环境极其恶劣,对于传感器的选取及数据传输有很多难以解决的问题,对刀盘振动现场监测难度很大,少有人涉及。本文对吉林引松工程隧道掘进机进行刀盘振动现场监测,分析振动响应,以期为合理设计刀盘及设置掘进参数提供依据。
1 滚刀磨损实时监测技术
1. 1 工作原理
TBM 滚刀磨损实时监测系统由磨损感知模块、数据处理模块及无线传输模块3 部分组成。刀圈磨损量的感知通过电涡流传感器实现,输出信号通过处理器运算处理后由无线发射模块以信号的形式发射,在刀盘的另一端TBM 主控室内就可以通过无线接收模块接收到信号,从而实时获得磨损信号,实现对刀具磨损的实时监测。
1. 2 电涡流传感器
电涡流传感器是一种利用金属材料在交变磁场中的电涡流效应制成的传感器[11]。将其置于刀座与滚刀之间,焊接于刀座上,能够非接触地测量传感器探头到滚刀的距离,并转化为电压信号。随着滚刀的磨损,二者之间距离变大,电涡流传感器的输出电压随之变化。
由于电涡流传感器对测量金属体的表面积有一定要求,且本身也可能存在一定的测量误差,故在应用前需要对其进行输出电压与磨损量的标定,如图1 所示。采用直径为30 mm、量程为40 mm 的电涡流传感器和43. 18 cm( 17 英寸) 滚刀刀圈,得到磨损量与输出电压之间的关系,如图2 所示。
从图2 可以看出,磨损量与输出电压之间为一一对应的关系,因而在应用时可以通过获取的电压值直接转化为磨损量值,从而实现对滚刀刀圈磨损量的实时感知。
图1 磨损量与电压关系的标定
图2 磨损量与传感器输出电压的关系
1. 3 数据处理模块
电涡流传感器输出电压最大值为10 V,超过了处理器ADC 模块的参考电压3. 3 V,需要进行衰减; 同时,在对电压信号进行采样时可能会受到TBM 工作的影响而掺杂高频噪音,需要进行低通滤波。调理电路主要分为滤波部分和电压衰减部分,二者通过OPA2234 元件实现两级运放,最终频率高于20. 2 Hz的噪音信号被滤除,电压值衰减为0. 68 ~ 2. 77 V,能够进行A/D 转换。
数据处理采用STC80C51 单片机[12],处理速度快,抗干扰能力强,包含ADC 模块,双串口,带4 路PWM,有良好的加密性。单片机功能模块及应用系统如图3 所示。
滚刀磨损实时监测系统中,单片机通过引脚与电涡流传感器相连,读取传感器输出电压值,由内置的A/D 转换模块将模拟电压信号转换为数字信号,并在单片机内部编程进行数据处理; 然后根据电涡流传感器的标定曲线将所测电压值转换为刀圈实际磨损量;最后通过外联的无线信号发射模块将数据发送出去。
1. 4 无线信号收发模块
选用Zigbee 无线信号收发装置[13],它是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通讯技术。设备体积小,方便安装,适用于TBM 刀盘狭小的工作环境; 设备功率低,电源可长期使用,避免频繁进出刀盘更换电源;设备传输信号稳定,受TBM 工作等噪音的影响较小,传输距离远,可以满足实际使用要求。
图3 单片机功能模块及应用系统
Zigbee 无线信号发射模块位于刀盘背面( 具体位置可现场选择,以距离近、安全、不影响TBM 工作为基本要求) ,它将单片机处理后所得的磨损量数据传送出去,被接收模块接收后,以图表等形式显示于电脑终端,便于操作。
2 刮刀磨损实时监测技术
2. 1 工作原理
自主完成刮刀磨损实时监测系统的研制。该系统也由磨损感知模块、数据处理模块及无线传输模块3 部分组成。工作原理为: 电阻格栅贴合于刮刀表面,随刮刀的磨损而磨损,电阻格栅阻值的变化引起闭合电路中定值电阻两端的电压变化; 单片机处理器捕捉定值电阻两端的电压,并将模拟电压信号处理为数字信号之后通过无线发射装置发出; 无线接收装置接收数字信号,处理器依据电压信号与磨损值之间的对应关系将电压信号转换为磨损量,显示在电脑终端,如图4 所示。
图4 刮刀磨损实时监测系统原理图
2. 2 电阻格栅
相比阻值较小的镍镉电阻丝,选用阻值范围更大并且尺寸较小的碳膜电阻。由于刮刀磨损量超过2 cm就会严重影响掘进机的掘进效率,需及时换刀,故用13 根碳膜电阻等间距并联而成、有效磨损测量距离为2 cm 的电阻格栅,并用固化后的环氧树脂透明AB 胶作为外层保护剂,如图5 所示,其灵敏度为1. 4 mm。
在现场应用之前,需事先对定值电阻两端电压值( 回路电压) 与磨损量的定量关系通过磨损试验进行标定。磨损回路中,电阻格栅和定值电阻串联相接,电源电压为3. 2 V,定值电阻阻值为500 Ω,碳膜电阻阻值为2 kΩ。利用电磨机对电阻格栅均匀打磨,试验结果如图6 所示,磨损量与输出电压之间呈现出一一对应的关系。
图5 电阻格栅
图6 电阻格栅磨损量与回路电压关系
2. 3 单片机处理系统
刮刀磨损实时监测系统采用与TBM 滚刀磨损实时监测系统同一型号的STC80C51 单片机,二者功能模块及应用系统均相同,不同的是,单片机通过引脚与定值电阻相连,读取其两端电压值。
2. 4 无线数据传输模块
掘进机工作环境恶劣,利用有线方式传递信号难度很大,因此,选用NRF24L01 无线收发器作为无线数据传输模块[14]。它具有良好的兼容性和扩展性,几乎可以连接到所有类型的单片机芯片,完成数据无线传送工作; 设备传输速率快、体积小、工作电压低,可由单片机的电源提供电源供给而无需自带电源。
NRF24L01 无线发射装置位于刀盘背后的防水盒内,将电压信号转换成的数字信号发出,被无线接收装置接收后,由处理器再转换为磨损量,最终显示在电脑终端。
3 TBM 刀盘振动监测分析
3. 1 TBM 刀盘振动监测系统
该系统包括无线加速度传感器、无线网关和数据采集处理软件。
三轴加速度传感器型号为A302EX。它是基于压电效应原理,通过测量输出电压来实现对3 个相互垂直方向上加速度的测量。能将数据通过内部自带的无线信号发射装置发出,避免了布线困难的问题,体积小,能满足刀盘振动的现场监测。
无线网关型号为BS951,由无线数据收发节点控制、协议转换、标准ModBus 协议通信等模块组成,能同时接收数十个无线加速度传感器发射的信号,以实现对刀盘不同位置处振动情况的监测。
数据采集处理软件为BeeData,安装该软件的电脑终端与无线网关有线连接,可以对无线网关接收的刀盘振动数据信号进行显示、存储及分析。
3. 2 刀盘振动现场监测
由于刀盘背部空间的限制,不能同时安装多个传感器,仅在距离主轴约2 m 的位置处安装了加速度传感器。整个监测系统的安装如图7 所示。需要注意的是,传感器会受到岩渣的剧烈冲击,所以特制了保护壳,如图8 所示。为防止电磁屏蔽,保证信号的有效传输,在保护壳上切割出很多不规则的圆孔。
图7 监测系统安装示意图
监测位置在小河沿竖井段小里程端,桩号为66 345 ~ 66 349,岩性主要为石炭系中下统磨盘山组灰岩( 主要为黑色、白色相间) ,Ⅳ级围岩,岩溶较为发育,多裂隙,多填充。可能受前方破碎带的影响( 桩号66 200. 0 左右,影响范围100 ~ 200 m) ,掘进有突水,出渣偶见泥浆。
图8 振动传感器保护壳
3. 3 振动监测数据分析
3. 3. 1 刀盘振动加速度数据时域分析
现场共监测到TBM 2 个掘进循环段的加速度时域信号。第1 掘进段为正常掘进情况,如图9 ( a) 所示,第2 掘进段正常掘进不久后便遭遇突水现象,被迫停止掘进,如图9 ( b) 所示。刀盘振动主要表现为垂直于刀盘方向的轴向振动[10],故只分析该方向上的振动情况。
图9 TBM 2 个掘进循环段刀盘振动时域图
由图9 可以看出: 在2 个掘进循环段中,TBM 未掘进时刀盘振动值趋于零,随着滚刀贯入度逐渐增加至稳定值,TBM 刀盘振动值也逐渐增加至最大,当一个循环结束时,滚刀贯入度变为零,刀盘振动值迅速减小再次趋于零; 刀盘振动过程中加速度始终围绕零值上下浮动,偶有跳跃,但总体偏差不大; 滚刀贯入度达到稳定值后,根据掘进时间长短对2 个掘进循环段按比例分别取40 个和14 个有效极值点定量分析; 对于第1 掘进段,振动最大值达33 m/s2,平均值为28 m/s2 ; 对于第2 掘进段,因突水只正常掘进了很短一段时间就被迫停机,振动最大值仅为24m/s2,平均值为20. 6 m/s2。
根据上述分析可以得出: 滚刀贯入度是刀盘振动大小的一个主要影响因素,贯入度越大,TBM 刀盘振动越强烈; 当振动过于强烈时,可以适当减小滚刀贯入度,减缓掘进速率,以保证刀盘稳定健康运行。
3. 3. 2 刀盘振动加速度数据频域分析
对刀盘振动信号进行FFT( 快速傅里叶变换) 频域分析[15]。刀盘空转未切割岩石时的频域图及2 个掘进段正常掘进时的频域图如图10 所示。
图10 刀盘空转及正常掘进振动频域图
刀盘空转时,滚刀未切割岩石,TBM 电机、液压系统等工作时引起刀盘在0 ~ 1、40 ~ 50、80 ~ 90、120 ~130、150 ~ 170、200 ~ 220 Hz 内呈现一个个波峰,但振动值整体来看比较小,对TBM 掘进时的刀盘振动影响不大。
TBM 稳定掘进时,2个监测时间段内刀盘振动频谱整体趋势类似,刀盘振动幅值在各频率范围内均有分布,这可能与岩溶较为发育、多裂隙、多填充的围岩条件有关。稳定掘进过程中刀盘振动比较复杂,但在0 ~ 1、160 ~ 170、200 ~ 210、220 ~ 230 Hz 内振动幅值明显变大,与TBM 空转时的频域图对比可以发现,这几个频域段与空转时几个波峰对应的频域段相重合,可能与电机、液压系统主要振动频率在这几个频域段有关。因此,制作刀盘时应尽量避免其固有频率在这几个频域段内,防止产生共振。另外,第2 掘进段120 ~ 130 Hz 内也存在一个峰值,而在第1 掘进段此峰值不明显,可能受第2 掘进段掘进时间比较短的影响,TBM 刀盘振动频谱还没有完全稳定成形,这种情况可能会随着掘进时间的增加而消失。
4 结论与讨论
针对TBM 刀具磨损实时监测难题,对滚刀和刮刀分别研制了基于电涡流传感器及电阻格栅的磨损实时监测系统。试验结果表明,磨损量与输出电压之间呈现出一一对应的关系,配合无线传输模块能够实现刀具磨损的实时监测。但试验的室内环境与复杂的现场工况差别很大,后续工作有必要在施工现场对该系统进行优化设计,使之能够满足现场监测要求。
利用三轴加速度传感器对刀盘振动现场监测,结果表明TBM 在多裂隙Ⅳ级灰岩中掘进时,刀盘振动最大值达33 m/s2,平均值为28 m/s2。滚刀贯入度是刀盘振动大小的一个主要影响因素,贯入度越大,刀盘振动越强烈。正常掘进时几个频率范围内的振动幅值明显较大,这几个范围与刀盘空转时某几个波峰对应的频率范围相同,为防止产生共振,制作刀盘时其固有频率要尽量避开这几个频率范围。
目前,刀具磨损与刀盘振动实时监测系统是相互独立的,把二者整合为一个系统将能有效提高TBM 掘进的智能化程度,为主控室实时提供掘进机状态信息,以保证掘进机能安全高效地掘进。
摘自:隧道建设