TBM掘进刀具磨损实时监测技术及刀盘振动监测分析

?

TBM掘进刀具磨损实时监测技术及刀盘振动监测分析

张晓波1， 2， 刘泉声1， 2， 张建明3

(1. 武汉大学土木建筑工程学院， 湖北 武汉 430072； 2. 武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室，湖北 武汉 430072； 3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

摘要：受制于施工环境，TBM(tunnel boring machine)刀具磨损及刀盘振动实时监测问题一直难以解决。基于此，对滚刀和刮刀分别提出了基于电涡流传感器及电阻格栅的磨损实时监测系统，并通过试验建立了输出电压信号与磨损量之间的关系； 同时，对吉林引松工程直径为8.03 m的隧道掘进机进行刀盘振动现场监测,并对振动响应进行时域及频域分析。结果表明： 在一定地质条件下，随着贯入度的增大，刀盘振动值逐渐变大； 刀盘空转频域曲线表现为局部峰值、整体幅值较小的特点，正常掘进时振动幅值明显较大的几个频率范围与刀盘空转时几个波峰对应的频率范围相同，在制作刀盘时其固有频率要尽量避开这几个频率范围，防止产生共振。

关键词：TBM； 刀具磨损； 电涡流传感器； 电阻格栅； 刀盘振动监测； 振动响应分析

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

Fig. 1 Calibration of relationship between wear amount and voltage

图2 磨损量与传感器输出电压的关系

Fig. 2 Relationship between wear amount and voltage

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

Fig. 3 MCU function modules and application system

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

Fig. 4 Working principle of monitoring system for scrape cutter wear

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

Fig. 5 Resistance grid

图6 电阻格栅磨损量与回路电压关系

Fig. 6 Relationship between wear amount of resistance grid and voltage

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

Fig. 7 Sketch diagram of monitoring system installation

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

Fig. 8 Vibration sensor shell

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。

(a) 第1掘进段

(b) 第2掘进段

图9 TBM 2个掘进循环段刀盘振动时域图

Fig. 9 Vibration curves of cutterhead

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24 m/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。

(a) 刀盘空转

(b) 第1掘进段

(c) 第2掘进段

图10 刀盘空转及正常掘进振动频域图

Fig. 10 Vibration spectra of cutterhead when it idling or normally boring

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。

参考文献(References)：

[1] 万治昌，沙明元，周雁领. 盘形滚刀的使用与研究(1)：TB880E型掘进机在秦岭隧道施工中的应用[J]. 现代隧道技术，2002，39(5)：1-11. (WAN Zhichang，SHA Mingyuan， ZHOU Yanling. Study of disk cutters for hard rock： Application of TB880E TBM in Qinling Tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology，2002，39(5)：1-11.(in Chinese))

[2] 张勇智. 硬岩隧洞掘进机(TBM)刀具的管理[J]. 现代隧道技术，2007，44(1)：70-72. (ZHANG Yongzhi. Management of cutterheads of TBM for hard rock boring[J]. Modern Tunnelling Technology，2007，44(1)： 70-72. (in Chinese))

[3] 张厚美. 盾构隧道的理论研究与施工实践[M]. 北京： 中国建筑工业出版社，2010： 163-172. (ZHANG Houmei. Theoretical research and construction practice of shield tunnel[M]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2010： 163-172. (in Chinese))

[4] 张厚美. 复合地层中盾构刀具磨损的检测方法研究[C]//大直径隧道与城市轨道交通工程技术： 2005上海国际隧道工程研讨会文集.上海：土木工程学会，2005： 461-471. (ZHANG Houmei. Monitoring methods for cutter wear of shield in complex strata[C]//Construction Technology for Large-diameter Tunnel and Urban Rail Transit: Proceedings of 2005 Shanghai International Forum on Tunneling. Shanghai: China Civil Engineering Society, 2005: 461-471. (in Chinese))

[5] 王茂. 具有磨损指示功能的滚刀： 201110165313.9 [P]. 2011-11-23. (WANG Mao. Hob cutter with wear indication: 201110165313.9 [P]. 2011-11-23. (in Chinese))

[6] 张斌，刘建琴，郭伟，等. TBM滚刀磨损检测装置: 201310111123.8 [P]. 2013-08-07. (ZHANG Bin, LIU Jianqin, GUO Wei, et al. Monitoring device for hob cutter of TBM: 201310111123.8 [P]. 2013-08-07. (in Chinese))

[7] 张明富，袁大军，黄清飞，等. 砂卵石地层盾构刀具动态磨损分析[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(2)： 397-402.(ZHANG Mingfu，YUAN Dajun，HUANG Qingfei，et al. Analysis of dynamic abrasion of shield cutters in sandy cobble stratum[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008， 27(2)： 397-402. (in Chinese))

[8] 侯振德，岳澄，亢一澜，等. 基于丝栅式的盾构机刀具磨损量在线监测装置： 201110190867.4 [P].2012-02-15. (HOU Zhende, YUE Cheng, KANG Yilan, et al. On-line monitoring device for cutter wear of TBM based on silk grid: 201110190867.4[P]. 2012-02-15. (in Chinese))

[9] 张红星，张宁川. 803E掘进机刀盘振动问题浅探[J]. 隧道建设，2007， 27(6)： 76-78，111. (ZHANG Hongxing，ZHANG Ningchuan. Brief discussion on cutterhead vibration of type 803E TBM[J]. Tunnel Construction， 2007， 27(6)： 76-78，111. (in Chinese))

[10] 杨静. TBM刀盘系统振动特性分析与掘进现场测试研究[D]. 大连：大连理工大学，2014. (YANG Jing. Vibration characteristics analysis of TBM cutterhead system and research on tunneling testing[D]. Dalian：Dalian University of Technology， 2014.(in Chinese))

[11] 李东利，孙志洪，任德志，等. 电涡流传感器在盾构滚刀磨损监测系统中的应用研究[J]. 隧道建设，2016，36(6)： 766-770. (LI Dongli， SUN Zhihong， REN Dezhi，et al. Study of application of eddy-current sensor to disc-cutter wear monitoring system of shield machines[J]. Tunnel Construction，2016，36(6)： 766-770. (in Chinese))

[12] 王长涛，韩忠华，夏兴华. 单片机原理及应用： C语言程序设计与实现[M]. 北京： 人民邮电出版社，2014： 98-158.(WANG Changtao, HAN Zhonghua, XIA Xinghua. Microcontroller principle and applications: C language programming[M]. Beijing： Posts & Telecom Press, 2014: 98-158.(in Chinese))

[13] 刘旭飞，李晓辉，梁新宇. 基于ZigBee技术的无线数据传输系统及抗干扰分析[J]. 电脑知识与技术，2012，8(10)：2412-2414. (LIU Xufei，LI Xiaohui， LIANG Xinyu. System of wireless data communication and analysis of anti-interference based on ZigBee technology[J]. Computer Knowledge and Technology，2012，8(10)：2412-2414.(in Chinese))

[14] 刘志平，赵国良. 基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J]. 应用科技，2008，35(3)： 55-58. (LIU Zhiping，ZHAO Guoliang. Short-range wireless data transmission based on nRF24L01[J]. Applied Science and Technology，2008， 35(3)： 55-58. (in Chinese))

[15] 曹伟丽. 快速傅里叶变换的原理与方法[J]. 上海电力学院学报，2006，22(2)： 192-194. (CAO Weili. Principle and methodology of the fast fourier transform[J]. Journal of Shanghai University of Electric Power， 2006， 22(2)： 192-194. (in Chinese))

Real-time Monitoring Technology for Wear of Cutters and Monitoring andAnalysis of Cutterhead Vibration of TBM

ZHANG Xiaobo1, 2, LIU Quansheng1, 2, ZHANG Jianming3

(1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China; 2. Key Laboratoryof Safety for Geotechnical and Structural Engineering of Hubei Province, Wuhan University, Wuhan 430072,Hubei, China; 3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, Hubei, China)

Abstract：The real-time monitoring of cutter wear and cutterhead vibration of TBM (tunnel boring machine) are difficult due to the limit of construction environment. As a result, the real-time monitoring systems for wear of hob cutter and scrape cutter of TBM based on eddy-current sensor and resistance grid are proposed; and then the relationship between the output voltage signals and the wear amount is established by test. Meanwhile, the field monitoring of cutterhead vibration of a TBM with diameter of 8.03 m used in Songhua River Water Diversion Project in Jilin province is carried out; and the vibration response is analyzed. The results show that: 1) The vibration value increases with the penetration increases under certain geological conditions. 2) The frequency-domain curve shows the characteristics of local peaks and small overall amplitudes when the cutterhead is idling. Several frequency ranges with larger amplitudes when TBM normally boring are equal to peaks when TBM idling. As a result, the above-mentioned ranges should be avoided when manufacturing.

Keywords：TBM; cutter wear; eddy-current sensor; resistance grid; cutterhead vibration monitoring; vibration response analysis

收稿日期：2016-08-26;

修回日期：2017-01-04

基金项目：国家重点基础研究发展计划“973”项目(2015CB058102， 2014CB046904)

第一作者简介：张晓波(1991—)，男，河南郑州人，武汉大学岩土工程专业在读硕士，研究方向为TBM掘进智能化。E-mail： [e-mail]。

DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.019

中图分类号：U 455.3

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2017)03-0380-06