新型超声波式盾构刀具磨损检测系统研究

吕瑞虎，王光辉，刘 涛

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳，471009)

新型超声波式盾构刀具磨损检测系统研究

吕瑞虎，王光辉，刘 涛

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳，471009)

为准确检测刀具耐磨块磨损量，研判换刀时机，减少刀具成本，确保施工安全，以超声波检测技术为基础，并参阅国内外相关工程技术资料，对盾构刀具磨损检测系统的研发背景、研发思路、结构组成部分及电脑客户端进行全面、深入的研究与设计。

盾构；刀具；磨损；超声波；检测

目前，盾构刀具磨损的检测方法主要有开仓检查、异味添加剂、掘进参数分析法、电气检测法、液压检测法、超声波式检测方法等。但以上各种方法或技术存在诸多问题，如适用范围有限，适用性及检测精度较低等，因此该领域内可进一步探索的空间很大。本文以目前超声波检测技术为基础，结合国内外相关工程技术资料，设计并研发出新型盾构刀具磨损超声波式检测系统，对其原理及结构组成进行介绍。

1 盾构刀具磨损检测系统的总体方案研究

超声波检测系统主要包括：待检刀具、超声波换能器、信号线、检测仪、中心回转体、电滑环、电力线、客户端、电源等，检测系统总装如图1所示。

图1 系统总装图

该超声波式检测系统的具体连接要点包括：①超声波换能器固定于刀具内，并通过耦合剂与刀具良好耦合；②检测仪与超声波换能器通过模拟信号线连接；③检测仪安装及防护直接关系到系统工作性能的可靠性和稳定性，检测仪应安装在刀盘内部空腔内，且须采取严密的防水、防振措施，确保检测仪在盾构掘进过程中免遭剥落下的土屑、岩屑、岩块的冲击破坏及掌子面水体侵蚀。如何将各个独立单元按序连接组合成一个有机整体，并采取相应的防护技术措施，是确保系统整体工作性能及检测效果的重要环节；④检测仪的信号线与电滑环连接，电滑环通过信号线与PC机连接；⑤采用超声波式实时检测系统对切刀或刮刀耐磨块厚度进行实时量测，安装电滑环，以有线方式传输信号至尾盾控制室，由PC机接收，将其检测结果显示于串口调试窗口内；同时，电力经由电滑环输送至检测仪，保证系统的持续工作。

2 数据传输方式的选择研究

超声波式新型检测系统可采用多种数据传输方式，包括有线传输方式和无线传输方式。相对而言，有线传输方式的诸多优点使其更适应检测环境；无线传输方式在实际工况下存在一定的局限性，其应用受到限制。

2.1 有线传输方式

超声波新型检测系统的有线传输方式分为集中式有线传输方式与分布式有线传输方式。

2.1.1 集中式有线传输方式

集中式有线传输方式，如图2所示。研发专用超声波检测仪，将多个超声波换能器通过特定的措施分别埋设于待测刀具内，超声波换能器均通过信号线连接到同一检测仪，检测仪通过485总线与终端控制器，即信息后处理系统连接。检测仪将超声模拟信号进行数字化处理，处理后的数字信号通过485总线以RS485通信方式传输至信息后处理系统，实现多通道超声信号的实时发送、实时接收。

图2 集中式有线传输方式示意图

集中式有线传输方式的优点如下。

1）超声波检测仪安置于刀盘背部或刀盘内部，可连接多个超声波换能器，满足施工现场对刀具磨损检测的特殊要求；超声波检测仪与终端控制器之间仅需1根485总线连接即可，可减少设备和测线的防护工作量，并在一定程度上提高整个超声波检测系统的稳定性与可靠性。

2）放置于盾构控制室内的整流器，可直接安插在普通220V交流电插座上，经整流后的直流电直接供能超声波检测仪；如需停止工作，拔下整流器即可，供电系统精简，操作简捷，且具有强大而持久的续航能力，为超声波检测仪提供实时、持久的动力保障。相对于续航能力有限的电池供电方式，该方式优势明显。

3）盾构材质与土仓内的土体会严重影响无线传输信号的有效、实时传输，有时不得不在停机或特定时段检测，效率低下且信号极不稳定，而新型超声波检测仪不易受盾构机械构造及工作状态的限制，可实现盾构掘进过程中刀具耐磨块厚度的实时检测。

4）通过二次研发，超声波检测仪易于扩展更多的检测通道，理论可增至256通道，可实现对全部固定类刀具耐磨块厚度的实时检测。

集中式有线传输方式也存在如下不足。

1）这种方式要求盾构出厂前在中心回转体及刀盘内部开孔或刻槽以敷设485传输总线并安装导电滑环，组装工艺复杂，技术水平要求较高，且对盾构整体结构稳定性及其它性能产生较大影响；另外，从检测仪的安装到有条件进行现场试验的周期较长，现场试验实施难度较大。

2）数个超声波换能器与一台检测仪的现实存在决定了其在刀盘、刀具上的基本布局，即检测仪安装于刀盘内部或背部，超声波换能器通过特定的安装方式固定于待检刀具内，须使用较长的模拟信号线以连接超声波换能器与检测仪，因此模拟信号线的长短取决于盾构刀盘直径的大小，而模拟信号线较长会导致信号的衰减与噪声干扰的增加，超过5m信号几乎失真。如若突破5m传输瓶颈，则须对检测仪进行深入研发，周期长，成本高。

3）须对普通检测仪进行深入研发以满足检测要求，周期较长，成本高。

2.1.2 分布式有线传输方式

分布式有线传输方式，如图3所示。普通便携式检测仪只能将检测数据暂存于内存中，尔后利用专业软件导入电脑，以文本形式打开以供浏览、处理，均不具备在电脑上实时显示数据的功能。因此，分步式有线传输方式须对普通便携式检测仪进行技术更新，将检测仪原有的232通讯方式转变为485通讯方式，并具备实时显示功能，实现单通道超声信号的发射、接收，将超声模拟信号进行数字化处理（包括模数转换、滤波、检波、平滑等一维信号处理）；经技术更新后的检测仪接收操作台主控计算机的控制指令，按照所设定工艺参数进行检测，并将一维信号通过485总线传回主控计算机，用于进一步的分析处理，主要关键技术包括实时显示、信号传输方式等。

图3 分布式有线传输方式示意图

分布式有线传输方式的优点如下。

1）可直接对普通检测仪进行技术更新，且更新的范围小，仅包括数据处理和数据传输，对单个检测仪来说实现的技术难度、成本与周期均较低。

2）分布于刀盘周边的检测仪作为独立的检测单位均与操作台主控计算机进行通讯，当某个检测仪发生故障不能正常工作时，其它检测仪均可正常工作，为整个检测系统设置了多道安全防线。

3）检测仪安装在待测刀具对应的刀盘背部或内部，连接检测仪和超声波换能器的数据线可控制在5m以内，这样的布局可摆脱刀盘直径对模拟信号线长度的限制。

分布式有线传输方式的不足如下。

1）分布式有线传输方式须使用大量的485传输总线，整个检测系统冗余复杂，在一定程度上降低了系统的稳定性。

2）分布式有线传输方式不易于扩展更多的通道，每扩展一路通道都需要增加1台检测仪，规模越大，成本越高。

3）分布式有线传输方式须对每个检测仪进行设备及线路的防护工作，工作量大，实施难度较大，成本较高。

这两种有线传输方式各有利弊，根据现场调研、查阅国内外相关技术资料，确定如下原则：在满足检测要求的前提下，利用现有资源降低成本、缩短研发周期。鉴于以上分析，宜优先选择分部式有线传输方式。采用分部式有线传输方式的检测系统实物总装如图4所示，该系统中仅配置一台检测仪。

图4 超声波式检测系统的结构组成图

2.2 无线传输方式

检测仪和终端控制器可采用Zigbee无线通信协议连接，检测仪和终端控制器分别有一个无线通信模块负责数据通信，模块之间使用Zigbee通信协议，实现一个无线传感网络。通信距离根据实际情况确定，在可视情况下可达到1km。

研发蓝牙信号发射及接收装置，蓝牙信号发射器与检测数据读取记录装置集成在一起，配备锂电池，保证工作时长几个月，采用蓝牙信号发射数据，如无线部分故障也可由人员携带数据读取设备带压进仓对检测数据进行读取或将数据读取记录装置取出后读取。

蓝牙信号接收装置安装在前盾前方，其电力线及信号线通过前盾敷设至前盾主控室。

无线传输方式优点如下。

1）无线传输方式使用的信号线和电力线很少，检测系统结构简洁，集成化程度高，成本低。

2）无线传输方式在盾构内部走线较少，其安装方法比有线传输方式简洁，可在盾构出场前或出场后安装。

无线传输方式缺点如下。

1）无线传输方式下检测仪由电池续航，该方式的续航能力得不到有效保障，无法满足刀具磨损长效监控机制的要求。

2）无线传输方式必须在盾构停歇状态下或泥水仓、土仓中的物质较少，信号传输不受阻塞干扰时才有可能将信号传出，数据传输的及时性得不到有效保障，影响其推广应用。

综上所述，盾构材质及渣土仓内的土体会严重影响无线传输方式下信号的有效、实时传输，有时不得不在停机或特定时间段检测，效率低下且信号极不稳定。前人已有检测信号无线传输的相关研究，并进行了现场试验，从试验结果反馈的信息来看，在现有技术条件下，无线传输方式并不能满足检测仪的应用要求。

3 存在的主要问题

盾构刀具磨损超声波检测系统研究中存在如下问题。

1）国内外探索固定类刀具磨损检测的方法很多，如何准确检测滚刀磨损是一个亟待解决的重要课题。

2）针对检测仪与线路的防护问题提出了解决方案与措施，但施工现场环境复杂，不可预判的复杂因素很多，检测仪与线路的防护效果需要现场试验的最终验证。

3）电滑环与中心回转体之间的耦合性能是否良好直接关系到系统的整体稳定性，现场试验时必须结合中心回转体的实际构造及工况进行更为深入、细致的研究。

4 结 语

新型盾构刀具磨损检测系统具备RS485通讯方式，具备连续检测，实时显示的功能，并通过电滑环的应用解决了测线在盾构运行过程中的绕线问题；在盾构停止掘进或正常工作状态下，超声波式检测系统均可精确地检测出刀具磨损量。

盾构正常工作状态下，随着刀具不断地研磨岩石，其磨损量不断增加，电脑客户端便可通过设置检测周期，实时或周期性的检测磨损量。当检测周期为0时，电脑客户端可实时显示检测数据；用户也可根据需要设置检测周期，间隔显示检测数据；盾构停机状态下，无须人员进入土仓内即可快捷地检测磨损量，既排除了安全隐患亦可节约成本。

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（编辑 张海霞）

Research of new type of ultrasonic system for detecting shield tool wear

LV Rui-hu, WANG Guang-hui, LIU Tao

U455.3+1；TU621

B

1001-1366(2015)09-0063-04

2015-07-13