一种基于双刀圈共模消除的盾构滚刀偏磨判定方法及系统与流程

本发明涉及盾构滚刀偏磨检测，尤其涉及一种基于双刀圈共模消除的盾构滚刀偏磨判定方法及系统。

背景技术：

1、在盾构滚刀连续掘进过程中，通常采用磨损量检测技术对双刀圈的径向磨损量进行测量，获得两个刀圈在不同掘进阶段的磨损量曲线。通过分析磨损量曲线的整体水平和局部变化，可以判断刀圈是否存在偏磨、崩刃等异常，并据此确定换刀时机。磨损量检测在稳定工况下具有较好的重复性和测量精度，但在刀筒环境温度、压力变化时，测量结果容易产生整体波动。

2、在实际盾构掘进过程中，双刀圈安装于同一刀筒内，刀筒中的温度和压力随掘进过程持续变化，两个刀圈对应的磨损量曲线可能同时发生较大幅度的整体偏移。整体偏移出现后，某一刀圈局部偏磨形成的周期性异常容易被掩盖，正常刀圈也可能被误判为磨损异常，导致偏磨位置和偏磨程度判断失真，进而影响换刀时机的确定。例如，双刃滚刀实际只有一个刀圈存在局部弦偏磨，但刀筒升温后，两个刀圈的磨损测量值同时向同一方向变化。此时如果直接依据单个刀圈的绝对磨损量或固定阈值进行判定，可能同时将两个刀圈标记为异常，无法准确确认真正发生偏磨的刀圈。现有测试中已涉及正常、弦偏磨、崩刃等不同刀圈状态的对比测试，但在复杂工况下仍然会出现此类误判现象。因此，在盾构滚刀双刀圈磨损检测过程中如何减少环境共同变化对偏磨判定结果的干扰，是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于双刀圈共模消除的盾构滚刀偏磨判定方法及系统，通过同步采集第一刀圈和第二刀圈的磨损信号及滚刀旋转脉冲，划分完整旋转周期并建立双刀圈角度循环队列，识别同步变化位置和差异变化位置，在满足预设更新条件时排除差异变化位置并累计双路共模位移量，扣除共模位移量后建立双刀圈差模循环队列，根据刀圈磨损差值确定差异区段并结合连续周期重复状态判定偏磨，达到减少环境共同变化对偏磨判定结果干扰、提高偏磨判定准确性的技术效果。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于双刀圈共模消除的盾构滚刀偏磨判定方法，包括：

4、同步采集第一刀圈和第二刀圈的磨损信号及滚刀旋转脉冲，生成双刀圈采样序列；

5、依据滚刀旋转脉冲划分完整旋转周期，将各周期的双路磨损信号映射至固定周向位置，建立双刀圈角度循环队列；

6、比较相邻旋转周期同一周向位置的双路变化，按照双路同向超容差对应同步变化、双路反向或单路超容差对应差异变化的规则，识别同步变化位置和差异变化位置；

7、在同步变化位置数量达到共模位置数量阈值且满足预设更新条件时，排除差异变化位置，依据同步变化位置的双路变化分别确定当前共模增量并逐周期累计，获得两路累计共模位移量；

8、从当前周期的双路磨损信号中分别扣除对应累计共模位移量，建立双刀圈差模循环队列；

9、根据双刀圈差模循环队列确定各周向位置的刀圈磨损差值，将超出偏磨差异阈值的位置作为异常周向位置，并将相邻异常周向位置归并为差异区段；同一刀圈的差异区段在连续周期中持续存在位置重叠，且连续出现周期数量达到偏磨确认周期阈值时，判定对应刀圈发生偏磨并输出偏磨判定结果。

10、进一步地，所述生成双刀圈采样序列包括：通过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器分别采集第一磨损电压序列和第二磨损电压序列，通过霍尔传感器采集滚刀旋转脉冲，通过温度传感器采集温度序列；采用同一采集处理器硬件计数器记录各序列的时间戳，并按照时间戳组合形成双刀圈采样记录。

11、进一步地，所述建立双刀圈角度循环队列包括：从滚刀旋转脉冲中识别每转一次的基准旋转脉冲，将相邻基准旋转脉冲之间确定为完整旋转周期；将周期内相邻旋转脉冲之间划分为固定数量的子区间，分别计算各子区间内双路磨损信号的平均值，并按照旋转圈号和周向位置序号写入先进先出的循环队列。

12、进一步地，所述识别同步变化位置和差异变化位置包括：分别计算相邻旋转周期同一周向位置的第一通道变化量和第二通道变化量；两通道变化量同号且均超出对应变化容差时记录为同步变化位置，两通道变化量异号或仅一通道超出对应变化容差时记录为差异变化位置，两通道均未超出对应变化容差时记录为稳定位置。

13、进一步地，所述预设更新条件包括温度触发条件或缓慢漂移触发条件；所述温度触发条件为当前旋转周期的平均温度与前一旋转周期的平均温度之差的绝对值达到温度变化阈值；所述缓慢漂移触发条件为所述绝对值未达到温度变化阈值，且同步变化位置数量达到共模位置数量阈值的状态连续达到缓慢共同漂移确认周期数量，在所述连续旋转周期中的每一旋转周期内，同一变化方向的同步变化位置数量均超过该旋转周期同步变化位置总数量的二分之一，且各旋转周期对应的所述变化方向相同。

14、进一步地，所述获得两路累计共模位移量包括：计算各同步变化位置在当前周期与前一周期之间的第一路差值和第二路差值，分别取各路差值的中位数作为第一当前共模增量和第二当前共模增量；满足预设更新条件时，将两路当前共模增量分别累加至前一周期对应累计共模位移量，不满足时沿用前一周期对应累计共模位移量。

15、进一步地，所述确定各周向位置的刀圈磨损差值包括：分别建立第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的电压位移标定记录，根据当前位置温度选择对应标定记录，对双刀圈差模循环队列中的双路磨损电压进行线性插值，得到第一磨损量和第二磨损量；取两者绝对差作为刀圈磨损差值；第一正常刀圈基准值和第二正常刀圈基准值分别由正常双刀圈多工况样本中第一刀圈和第二刀圈的磨损量算术平均值确定，分别计算第一磨损量相对第一正常刀圈基准值的第一偏离量和第二磨损量相对第二正常刀圈基准值的第二偏离量，将偏离量较大一侧的刀圈编号记录为异常刀圈编号，两个偏离量相等时记录为方向不确定。

16、进一步地，所述将相邻异常周向位置归并为差异区段包括：将异常周向位置按照周向位置序号从小到大排列，并将序号连续的异常周向位置组成差异区段位置序号集合；当所述排列后的异常周向位置序列尾部存在连续异常周向位置且序列首部存在连续异常周向位置时，将二者合并为跨零点差异区段；统计差异区段中分别对应第一刀圈和第二刀圈的异常周向位置数量，当其中一侧数量超过该差异区段异常周向位置总数量的二分之一时，以该侧刀圈编号确定差异区段对应刀圈；当两侧数量均未超过所述二分之一时，将该差异区段标记为方向不确定差异区段且不参与偏磨连续周期累计；记录区段内最大刀圈磨损差值。

17、进一步地，所述判定对应刀圈发生偏磨包括：将相邻旋转周期中对应同一刀圈的差异区段位置序号集合分别沿圆周前后扩展一个相邻周向位置；扩展后的集合存在交集时，认定差异区段位置重叠并累计连续出现周期数量；连续出现周期数量达到偏磨确认周期阈值且连续扩展集合持续存在交集时，判定对应刀圈发生偏磨。

18、进一步地，所述输出偏磨判定结果包括：对未达到偏磨确认周期阈值或周向位置持续变化的差异区段生成瞬时异常记录；对确认偏磨的差异区段生成包含滚刀编号、偏磨刀圈编号、偏磨周向位置范围、最大刀圈磨损差值、连续出现周期数量和判定时间戳的数据包，并通过无线通信模块发送至上位机和刀具换刀提示模块。

19、第二方面，本发明提供一种基于双刀圈共模消除的盾构滚刀偏磨判定系统，包括：

20、同步采集模块，用于同步采集双路磨损信号和滚刀旋转脉冲，生成双刀圈采样序列；

21、角度队列构建模块，用于划分完整旋转周期，将双路磨损信号映射至固定周向位置并建立双刀圈角度循环队列；

22、共模消除模块，用于识别同步变化位置和差异变化位置，在满足更新条件时排除差异变化位置，确定并累计双路当前共模增量，得到两路累计共模位移量，并依据两路累计共模位移量修正双路磨损信号并建立双刀圈差模循环队列；

23、偏磨判定模块，用于确定刀圈磨损差值和差异区段，并依据同一刀圈的差异区段在连续周期中的位置重复状态生成偏磨判定结果。

24、进一步地，所述同步采集模块包括：分别朝向第一刀圈和第二刀圈设置的第一电涡流传感器和第二电涡流传感器、用于检测滚刀圆周磁性标记的霍尔传感器、设置于刀筒内非旋转结构位置的温度传感器以及采集处理器；各传感器均与采集处理器连接，采集处理器采用同一硬件计数器记录各采集数据的时间戳。

25、相比于现有技术，本发明的有益效果为： 本发明利用双刃滚刀两个刀圈处于相近刀筒环境的结构条件，以霍尔旋转脉冲建立不同旋转周期之间的周向位置对应关系，从相同周向位置筛选双刀圈同步变化位置，同时将单刀圈差异变化位置从当前共模增量计算范围排除，避免真实偏磨局部变化污染共模修正量。通过将当前共模增量逐周期累计为累计共模位移量，使两个检测通道均相对于监测起始基准持续执行共模修正，而不是仅消除当前旋转周期相对于前一旋转周期的单次增量。完成共模消除后，利用差异区段位置序号集合检查单刀圈异常是否在固定周向范围跨周期重复，使共同环境漂移、短时局部扰动和固定于刀圈本体的偏磨状态分别进入不同处理分支，避免温度、压力和采集链路共同变化造成正常刀圈进入异常范围或真实偏磨特征被削弱，提高偏磨刀圈、周向位置和磨损差异程度的判定准确性。由此本发明为盾构滚刀磨损量这类线性尺寸变化监测提供了更可靠的几何量判定依据，有利于准确确定换刀时机。