专利名称：一种用于隧道盾构施工中的刀具磨损检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种刀具磨损检测装置及方法，特别是指一种用于隧道盾构施工中的刀具磨损检测装置及方法，适用于盾构刀具的磨损检测。
背景技术：
随着我国现代化建设的加速，地铁隧道、市政隧道、公路水电隧道逐渐增多，盾构以其在隧道施工中得天独厚的优势，得到了广泛的应用。盾构刀具作为盾构掘进关键部件，直接决定了施工的效率、掘进的长度、掘进能力等，因此刀具的磨损检测在盾构隧道施工中显得尤为重要。国内外盾构厂家都在探索一种实用和智能的刀具磨损检测装置，通过了解日本三菱、德国海瑞克、美国罗宾斯、沈阳重工等不同厂家的磨损检测装置，总结现有的刀具磨损检测方式有三种一种是电气检测，包括金属探头检测、超声波检测等；一种是液压检测；还有一种是化学气体检测。电气检测一般通过一个设置在刀具内的传感器检测刀具磨损程度，例如金属探头传感器初始接触的是刀具金属内壳，当探头接触的金属磨掉以后，金属探头传感器将反馈回去一个信号，通过这个信号可以知道刀具的磨损量。但是电气磨损检测存在两个严重的缺陷，首先，在盾构机推进过程中，刀盘前面以及土仓的环境非常恶劣，电气元件一般很难在这样恶劣的环境下保证其工作的可靠性；其次，电气线路通过中心回转非常麻烦，增加了中心回转的加工难度。传统的液压磨损检测通过一条液压管路设置一个压力传感器，然后根据压力传感器来推算刀具的磨损量，这种检测方法由于电气元件设置在盾体里面，所以检测结果简单可靠，但是由于受中心回转的空间限制，通过的液压管路数量非常有限，因而能够测试的磨损量也非常有限，通常只有1-2个位置检测，不能有效反应刀具的磨损情况。化学气体检测装置通过在刀具空腔内压缩一定量易于检测的化学气体来测量刀具磨损量，当刀具磨损到空腔时，大量化学气体散发，一部分流通到螺旋机出土口，通过在螺旋机出土口附近设立的气体检测装置间接检测刀具的磨损量。这种化学气体检测方法的优点是设备简单，操作容易。缺点是在实际应用中，气体释放时难以检测并且很难确定释放刀具的位置。通过以上分析可以看出，传统磨损检测由于受中心回转轴尺寸的限制，在刀盘上实现多点多位置检测存在较大的困难。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置及方法，旨在解决现有的刀具磨损检测方法由于受盾构机中心回转轴尺寸的限制，在刀盘上难以实现对多点多位置进行检测的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下一种用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置，包括多个带油腔检测刀具、盾体液压系统、以及连接所述检测刀具油腔开口端与盾体液压系统的液压油输出管路、液压系统溢流回路的液压油管，该液压油管上设有压力传感器，每个油腔开口端的油管上对应设有溢流阀；所述液压油溢流回路上设有电磁压力阀，所述电磁压力阀、压力传感装置均连接自动控制系统。还包括报警装置，与所述自动控制系统连接。 所述检测刀具为内部开有不同深度盲孔的刀具。所述液压油输出管路上设有压力开关。所述的自动控制系统为PLC控制系统。一种用于隧道盾构施工中的刀具磨损检测装置的检测方法，步骤如下
步骤一、初始安装时，通过溢流阀设置检测刀具的磨损量对应的液压油油压；
步骤二、液压油泵提供油压，系统通过电磁压力阀建立初始压力，低于初始压力的溢流
阀全部开启；
步骤三、盾构掘进时，当刀具磨损超过检测刀中溢流阀设定所对应的最低磨损量时，该检测刀具内部油路开始泄油，系统原油压将出现下降，通过压力传感器检测出这个压力值，Plc程序判断，给出刀具磨损量已超过此设定值的报警信息；
步骤四、系统重新建压，Plc程序通过电磁压力阀重新建压，建压值低于在第一次报警对应的压力值，高于第二低磨损量检测刀中溢流阀所设定压力值，第一磨损检测刀中溢流阀关闭，其余检测刀具对应的溢流阀保持开启状态，为第二把检测刀检测磨损检测提供条件；
步骤五、当刀具磨损超过第二低磨损量检测刀中溢流阀所设定压力值时，系统工作原理类似最低磨损量检测刀检测过程分析，给出磨损量报警；
步骤六、系统重新建压，前一磨损检测刀溢流阀接着关闭，为下一把检测刀检测提供检测条件；
步骤七、如果继续掘进磨损，系统工作原理类似如上分析，通过系统液压压力值不同从而可以检测各个不同程度的磨损值。进一步的所述步骤一中的溢流阀根据所对应检测刀具内盲孔深度的不同设定不同的压力值。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果
本发明新型磨损检测装置通过一条液压油管连接盾体液压系统及多个检测刀具的油腔开口端，并在油腔开口端处的油管上设有具有不同溢流压力的、对应具有不同磨损量的检测刀具的溢流阀，以控制该检测刀具油腔内油压，实现了通过中心回转轴一条液压管路测量多个压力值、进而推算出检测刀具的不同磨损程度，检测多个检测刀具的磨损值；解决了传统液压检测不能单条液压回路检测多个压力值的缺陷，也解决了电气控制干扰大、不可靠、增加了中心回转加工难度等问题；另外，本发明控制过程简单可靠，磨损数据可以并入到盾构机原有的PLC控制系统。


下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图I是本发明实施例提供的一种刀具磨损检测装置的结构示意图。图2是本发明实施例提供的多个检测刀具的连接示意图。图3是本发明实施例提供的检测刀具的结构示意图。图4本发明实施例提供的双液压磨损检测装置的结构示意图。图5是本发明实施例提供的一种刀具磨损检测装置的检测方法流程图。附图标记1 一检测刀具、2 —溢流阀、3 —压力传感器、4 一电磁压力阀、5 —液压油箱、6—液位检测开关、7 —球阀、8 —滤芯、9 一压力开关、10 —液压油泵、11 一油腔。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。本发明磨损检测装置是通过检测刀具的磨损量来确定刀具的磨损程度，为盾构顺利推进提供有效的支持。参见图I — 2所示，一种用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置，包括多个带油腔11的检测刀具I、盾体液压系统、以及连接所述检测刀具I油腔开口端与盾体液压系统的液压油输出管路、液压系统溢流回路的液压油管A，该液压油管上设有压力传感器3，每个油腔开口端的油管上对应设有控制该检测刀具油腔内油压、具有一定压力值的溢流阀2 ;所述液压油溢流回路上设有电磁压力阀4，所述电磁压力阀4、压力传感装置均连接自动控制系统。参见图3，每个检测刀具设置相应的磨损量b，该磨损量b通过检测刀具顶端与内部油腔顶端的垂直距离来表征，不同的距离表示不同的磨损量，其中不同的磨损量对应的相应的、不同的液压油油压，例如，设置检测刀具磨损量b分别为3cm、6cm、10cm、15cm、20cm,其分别对应的液压油油压为13bar、ll bar、9bar、7bar、5bar。其中，所述盾体液压系统包括液压油箱5、液压油泵10及给所述液压油泵10提供动力的电机。具体的，本发明液压油箱容量为50L，采用2. 2kW电机带动液压油泵，可以提供15bar以上的压力。所述检测刀具I为内部开有不同深度盲孔的刀具。较优的，所述液压油箱上设有液位检测开关6。进一步的，所述液压油输出油路上设有检测油液过滤的压力开关9及过滤液压油的滤芯8。其中，在所述的封闭液压油管上设有球阀7。本发明检测装置还包括报警装置，与所述自动控制系统连接。另外，本发明装置中，在液压油输出管路上及液压油溢流回路上还设有防止液压油回流的溢流阀，在液压油箱与液压油泵连接的油路上设有球阀等装置。本发明所述的自动控制系统为PLC控制系统。该控制系统可以是独立的控制系统，也可以并入到盾构机的PLC控制系统中。多把检测刀具I设置在刀盘上，每把检测刀具对应刀盘液压回路里的一个溢流阀2，通过预设不同的溢流压力来检测系统压力值的变化，从而得到掘进过程中的刀具的磨损 程度。
本发明通过在刀盘上设置多把磨损检测刀具1，每把磨损检测刀具对应刀盘液压回路里的一个溢流阀2，通过预设不同的溢流压力来检测系统压力值的变化，从而得到掘进过程中的刀具磨损程度。本发明通过在需要检测刀具I内预设若干个具有一定压力值的溢流阀2来控制刀具油腔内的油压，在盾体液压系统提供的油压达到一定的压力时，刀具内相应的溢流阀2开通，当系统油压降低到一定压力时，刀具内相应的溢流阀2截止。本发明液压系统的油压通过一个液压油泵10和一个电磁压力阀4控制，电磁压力阀4的控制基于高精度的压力传感器3所测得的数据，压力传感器3精确度可达0. Olbar ；压力传感器3是系统建压的唯一判断来源，系统建压通过一个电磁压力阀4来控制溢流压力，使系统压力能报精确的保持为需要的压力。本发明检测装置包括液压控制系统和电气控制系统，液压控制系统通过溢流阀2控制刀具油腔内液压油的压力，电气控制系统通过压力传感器3检测系统油管内液压油的压力，然后通过电磁压力阀4调节系统液压油的压力。本发明通过液压系统和电气系统的配合，实现了单液压管路检测多个压力值，从而可以检测多个磨损量。本新型磨损检测装置应用在盾构机上，其主要部分安装在盾构机盾体上和刀盘部位，其中，液压油管设在中心回转轴里面，溢流阀设在刀盘内，检测刀具设在刀盘上相应的位置。本发明通过在刀盘里面设置具有不同溢流压力的溢流阀对应具有不同磨损量的检测刀具，根据刀具液压回路的溢流情况，可以测得多个压力值，进而可以推算刀具的不同磨损程度；另外，通过在刀盘具有代表性的位置设置检测不同高度的检测刀具来确定刀盘上刀具的磨损情况。本发明刀具磨损检测装置、测量范围范围较广，可以涵盖3mm-20mm范围5个等级的磨损度检测；可以检测3mm、6mm、10mm、15mm、20_五个不同的磨损量,压力保持在3-15bar的范围，根据实际中的施工经验，这是一组比较合理的检测度。当然，在特殊地层中，这几个磨损数据还可以做出适当的调整。参见图I和图5，这种应用于隧道盾构施工中的刀具磨损检测装置的检测方法，步骤如下
步骤一、初始安装时,通过溢流阀2设置检测刀具I的磨损量b分别为3cm、6cm、10cm、15cm、20cm,其分别对应的液压油油压为13bar、11 bar、9bar、7bar、5bar,为了确保系统的精确性，可以设定更多的磨损监测点或者双套系统。步骤二、液压油泵10提供15bar以上的油压，通过滤芯8过滤液压油，初始时刻，电磁压力阀4设置溢流压力为14bar，所有检测刀具I以及对应的溢流阀2全部打开，此时整个系统的油压维持在14bar。步骤三、当磨损量超过3mm，对应3mm磨损量的检测刀具里面的溢流阀开始泄油，系统油压将不能再维持在14bar，此时系统油压只能保持在13bar，通过压力传感器3将测得这个压力值，迅速传递给Plc输入端，Plc程序判断，给出刀具磨损量已超过3mm报警信
息O
步骤四、系统重新建压过程当压力传感器3如果测得油压为13bar的同时，程序立即自动调节电磁压力阀4的溢流压力为12bar，预设溢流压力为13bar的溢流阀2及时关闭，阻止过多漏油，整个系统压力维持在12bar左右，对应3_磨损检测的刀具I内部油路不再使用，其余检测刀具对应的溢流阀保持开启状态。
步骤五、如果继续掘进一定距离后，刀具磨损量进一步加大，当刀具磨损超过6mm，对应6_磨损检测的刀具内部油路泄压，由于其溢流阀的作用，系统无法维持之前的12bar油压，继而维持6_磨损量对应的溢流阀2所预设的Ilbar油压，通过压力传感器3检测出这个压力值，Plc程序判断，给出刀具磨损量已超过6mm报警信息。步骤六、设在盾体位置的压力传感器3如果测得油压Ilbar的同时，程序立刻调节电磁压力阀4的溢流压力为lObar，预设压力为Ilbar的溢流阀立即关断，不再漏油，系统通过电磁压力阀4溢流返回液压油箱，此时整个系统的油压将维持在lObar，其中预设溢流压力为13bar、llbar的溢流阀继续保持关闭状态，其余检测刀具对应的溢流阀保持开启状态。步骤七、如果继续掘进磨损，系统工作原理类似如上分析。通过系统液压压力值不同从而可以检测各个不同程度的磨损值，为了确保系统的精确性，可以设定更多的磨损监测点。本发明磨损检测装置电气元件非常少，可以并入到盾构机PLC电气控制系统里面，本磨损检测装置具有智能化数据管理功能和人机界面，通过与盾构机PLC电气控制系统连接，通过PLC数据库管理，能够及时反馈刀具磨损量和报警点位置，安全可靠性高；通过计算各个阶段的磨损速度，结合地质报告作出相应的掘进操作调整。在实际应用中，如果地质条件比较恶劣，产生不均匀磨损时，将产生误报。在这样的情况下，可以考虑增加一套完全一样的磨损检测控制系统。参见图4，该磨损检测控制系统包括有两个液压油管B、C，该两个液压油管B、C分别相应连接多个检测刀具1，每个检测刀具设置有不同的磨损量，每个磨损量对应不同的压力值，具体磨损量及压力值可根据实际工作需要进行设定；对应每个检测刀具的油管上设有相应的溢流阀2，每个液压油管上设在球阀7及压力传感器3，每个液压油溢流回路上设有压力电磁阀4，液压油输出油路上设有压力开关9及滤芯8，通过包含有液压油箱5、液压油泵10及电机的液压系统提供所用的液压，所述液压油箱5上设有液位检测开关6 ;同时，为了使该装置更加有效，在液压油输出管路上还设有防止液压油回流的溢流阀、相应的单向开关阀，在液压油箱5与液压油泵10连接的油路上设有球阀7等装置。其具体原理同上述的刀具磨损检测装置，不再详细描述。只是当两个控制系统检测到同一磨损量，比如IOmm时，程序才认为刀具磨损已经达到这个程度，从而可以一定程度上减小误报，增加系统的可靠性和精确性，同时也在中心回转增加一条液压管路，检测刀具的合理布置也是一个非常重要的因素，合理布置的检测刀具可以准确的体现磨损。本磨损检测装置发明的意义重大，通过采集一定数量的磨损数据，结合相应的地质报告，可以得到一个完整的刀盘磨损分析数据报告，这对盾构刀盘的研究具有重要意义。本新型磨损检测装置发明，优点非常明显，刀盘里面没有任何电气元件，避免了电气干扰；只有一条液压回路通过中心回转轴，减小了中心回转轴的加工难度，是一种利用单条液压管路检测多个压力值的装置，实现了利用一条液压管路检测多点的检测技术。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护 范围。
权利要求
1.一种用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置，其特征在于，包括多个带油腔检测刀具(I )、盾体液压系统、以及连接所述检测刀具(I)油腔开口端与盾体液压系统的液压油输出管路、液压系统溢流回路的液压油管，该液压油管上设有压力传感器(3)，每个油腔开口端的油管上对应设有溢流阀(2);所述液压油溢流回路上设有电磁压力阀(4)，所述电磁压力阀(4)、压力传感装置均连接自动控制系统。
2.根据权利要求I所述的用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置，其特征在于，还包括报警装置，与所述自动控制系统连接。
3.根据权利要求I所述的用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置，其特征在于，所述检测刀具(I)为内部开有不同深度盲孔的刀具。
4.根据权利要求I所述的用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置，其特征在于，所述液压油输出管路上设有压力开关(9 )。
5.根据权利要求I或2所述的用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置，其特征在于，所述的自动控制系统为PLC控制系统。
6.一种应用上述权利要求1-5任意一项所述的用于隧道盾构施工中的刀具磨损检测装置的检测方法，其特征在于步骤如下 步骤一、初始安装时，通过溢流阀(2)设置检测刀具(I)的磨损量对应的液压油油压； 步骤二、液压油泵(10)提供油压，系统通过电磁压力阀(4)建立初始压力，低于初始压力的溢流阀(2)全部开启； 步骤三、盾构掘进时，当刀具磨损超过检测刀中溢流阀设定所对应的最低磨损量时，该检测刀具内部油路开始泄油，系统原油压将出现下降，通过压力传感器(3)检测出这个压力值，Plc程序判断，给出刀具磨损量已超过此设定值的报警信息； 步骤四、系统重新建压，Plc程序通过电磁压力阀(4)重新建压，建压值低于在第一次报警对应的压力值，高于第二低磨损量检测刀中溢流阀所设定压力值，第一磨损检测刀中溢流阀关闭，其余检测刀具对应的溢流阀保持开启状态，为第二把检测刀检测磨损检测提供条件； 步骤五、当刀具磨损超过第二低磨损量检测刀中溢流阀所设定压力值时，系统工作原理类似最低磨损量检测刀检测过程分析，给出磨损量报警； 步骤六、系统重新建压，前一磨损检测刀溢流阀接着关闭，为下一把检测刀检测提供检测条件； 步骤七、如果继续掘进磨损，系统工作原理类似如上分析，通过系统液压压力值不同从而可以检测各个不同程度的磨损值。
7.根据权利要求6所述的用于隧道盾构施工中的刀具磨损检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤一中的溢流阀(2)根据所对应检测刀具(I)内盲孔深度的不同设定不同的压力值。
全文摘要
本发明公开了一种用于隧道盾构施工行业中的刀具磨损检测装置及方法，包括多个带油腔检测刀具、盾体液压系统、以及连接所述检测刀具油腔开口端与盾体液压系统的液压油输出管路、液压系统溢流回路的液压油管，该液压油管上设有压力传感器，每个油腔开口端的油管上对应设有溢流阀；所述液压油溢流回路上设有电磁压力阀，所述电磁压力阀、压力传感装置均连接自动控制系统。本发明实现了通过中心回转轴一条液压管路测量多个压力值、进而推算刀具的不同磨损程度；解决了传统液压检测不能单条液压回路检测多个压力值的缺陷，以及电气控制干扰大、不可靠、增加了中心回转加工难度等问题。
文档编号G01B13/00GK102620692SQ20121008779
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者刘国辉, 尹清锋, 张军, 张峰, 张洪涛, 朱英伟, 杨楠楠, 王东猛, 王太平, 薛刚, 郑国良, 鲁号 申请人:中国建筑一局(集团)有限公司, 中建市政建设有限公司