一种盾构机主轴承工况载荷检测系统及方法与流程

1.本发明属于盾构技术领域，尤其涉及一种盾构机主轴承工况载荷检测系统及方法。


背景技术：

2.主轴承作为盾构机的关键核心部件，其运转状态直接影响着整台盾构机的工作状态。如果在施工过程中主轴承发生损坏，将直接导致整台盾构机停止掘进，然而在隧道内维修和更换主轴承是一项极其危险和繁重的工作，且耗费的经济成本和时间成本巨大，从而给隧道施工方带来不可估量的经济和社会损失。
3.因此，对盾构机主轴承的工作状况（受载情况）进行监测，并将载荷数据反馈至控制室从而指导盾构机的操作，就显得十分必要。这种闭环控制方法将有利于控制盾构机主轴承受载在合理的范围内，从而大大提高主轴承的使用寿命，保证盾构机运转的可靠性。
4.1）目前国内外常用型式的盾构机均没有配置主轴承工况载荷检测系统，缺乏对主轴承工作承载情况的关注。
5.2）在盾构机实际工作过程中，经验丰富的工程师可以根据盾构机推进油缸工作推力情况，间接地估算出盾构机主轴承的工作承载情况。其简单的数学转换关系式如下：f0=f1-（f2 f3）其中，f0表示盾构机主轴承的轴向承载力；f1表示盾构机的工作推力；f2表示盾体的摩擦阻力；f3表示盾体的卡滞力。
6.但是通过估算方式得到的主轴承工作承载，其真实数值受地层稳定性、隧道直线度、盾体被卡等多重因素影响，而这些因素又都是变化量和经验值，因此也就无法得到确切的主轴承承载情况。
7.3)少数盾构机主轴承制造厂家通过在主轴承内部安装应变计的方式来监测主轴承的受载状态。但是由于内置应变计需要对主轴承结构带来部分损伤、内部信号数据采集和传输困难、应变计损坏后无法更换等特点，目前大多停留在理论设计的层面，不太适用广泛应用。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种盾构机主轴承工况载荷检测系统及方法，旨在通过该系统和方法能够简单高效地检测出主轴承的受载状态。
9.为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种盾构机主轴承工况载荷检测系统，在盾构机的盾体和主驱动的连接法兰面上安装若干个载荷传感器；所述载荷传感器的线路连接数据单元和数据传输与现实单元。
10.进一步的，所述载荷传感器设置在高强度连接螺栓内；在所述盾体的连接法兰面上设有若干个高强度耐久性螺纹套；所述盾体和主驱动的连接法兰面通过高强度连接螺栓和高强度耐久性螺纹套进行连接。
11.进一步的，所述高强度连接螺栓穿过主驱动，且在高强度连接螺栓从主驱动穿出的一端上通过高强度锁紧螺母进行锁紧；在高强度连接螺栓上，位于高强度锁紧螺母外侧旋入对顶防松螺母；在所述高强度锁紧螺母与主驱动的接触面上设有双叠自锁防松垫圈。
12.进一步的，若干个设置有载荷传感器的高强度连接螺栓周向分布在盾体和主驱动的连接法兰面上。
13.进一步的，若干个设置有载荷传感器的高强度连接螺栓对称分布在盾体和主驱动的连接法兰面上。
14.采用上述的盾构机主轴承工况载荷检测系统进行载荷检测的方法，包括以下步骤：步骤一、主驱动和盾体通过若干数量的高强度连接螺栓进行连接；步骤二、根据检测需要选择若干位置的高强度连接螺栓，并在高强度连接螺栓内预埋载荷传感器，且载荷传感器连接数据处理单元和数据传输与显示单元；步骤三、模拟和推断主轴承的受载状况，根据各个载荷传感器检测到的数据变化值，结合其空间结构分布和数值变化规律，模拟出主驱动与盾体之间若干个高强度连接螺栓受载状况的几何模型，该模型的受载状况近似等于主轴承工作时的受载状况。
15.本发明的优点和有益效果在于：1）可以较为直观的检测出盾构机主轴承的受力状况，避免了以往载荷估算方式带来的随机性和大偏差性。
16.2）充分利用了盾构机主驱动的物理结构，在不改变主驱动任何结构的前提下便可以安装和实施，从而具备广泛的适用性。
17.3）充分利用主轴承和主驱动的承载结构和受载方式，进而采用外置传感器（传感器不在主轴承内部）的方式对主轴承工况载荷进行间接检测。这种检测方式对主轴承无任何损伤，且具备便于维护、便于更换的特点。
18.4）采用外置式的传感单元，且可以直接采用有线的方式来进行信号采集和传输，从而大大提高了数据采集的准确性和数据传输的抗干扰性，同时降低了载荷信号检测的难度。
19.5）具备很强的功能扩展能力，传感器的安装位置和安装数量可以根据掘进情况和实际检测精度情况进行调整和扩充，从而提高主轴承工况载荷检测系统的精度。
附图说明
20.图1为本发明的结构示意图。
21.图2为本发明的工作状态示意图。
22.图3为实施例中高强度连接螺栓的分布状态示意图。
23.图4为主轴承承受均匀无偏心轴向推力时的受载模拟示意图。
24.图5为主轴承承受偏心轴向推力时的受载模拟示意图。
25.其中，盾体1、主驱动2、载荷传感器3、高强度连接螺栓4、高强度耐久性螺纹套5、双叠自锁防松垫圈6、高强度锁紧螺母7、对顶防松螺母8、数据处理单元9、数据传输与显示单元10、刀盘11、掘削反力a、工况载荷传递路线b、主轴承c。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
27.实施例：盾构机主轴承工况载荷检测系统，包括盾体1、主驱动2、载荷传感器3、高强度连接螺栓4、高强度耐久性螺纹套5、双叠自锁防松垫圈6、高强度锁紧螺母7、对顶防松螺母8、数据处理单元9、数据传输与显示单元10；如图1所示，盾体1和主驱动2通过若干数量的高强度连接螺栓4进行连接，根据检测需要选择其中的若干位置，安装预埋载荷传感器3。如图3所示，为了提高主轴承工况载荷检测的准确性，至少均匀分布8个载荷传感器，这8个载荷传感器设置在位于盾体1和主驱动2连接面的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下的位置，呈现左右对称。
28.为了提高载荷传感器3的耐久性和抗外部干扰性，需要在拟安装载荷传感器的螺纹底孔内嵌入高强度耐久性螺纹套5，以确保载荷传感器3监测载荷数据的长效准确性，消除螺纹底孔变形对载荷传感器3应变检测精度的影响。
29.为了提高若干个高强度连接螺栓4和载荷传感器3的防松性能，需要在高强度锁紧螺母7的下端面使用双叠自锁防松垫圈6，在高强度锁紧螺母7的上端面使用对顶防松螺母8进行防松处理。
30.载荷传感器3预埋在高强度连接螺栓4内部，并且随着高强度连接螺栓4的预紧而承受设定数值的预紧力。
31.当高强度连接螺栓4承受的预紧力发生变化时，载荷传感器3便会跟随产生相对应变量的变化。应变量信号被采集到数据处理单元9进行处理，最终转化为高强度连接螺栓4预紧力的变化。通过与一系列高强度连接螺栓4进行数学和几何关系的转化，进而反映出主轴承的工作受载状态。
32.数据传输与显示单元10设置有远程扩展接口，可以实现盾构机主轴承工况载荷数据的远端存储与查看。
33.为了使高强度连接螺栓4内部预埋的载荷传感器3可以精确地跟随螺栓预紧程度的变化，载荷传感器3在预埋安装时应采用细牙螺纹旋合并且涂抹适当的螺纹锁固胶。
34.为了提高载荷传感器3的承载能力，保证其与其他高强度连接螺栓4同样的预紧力，应选择载荷传感器3棒材的机械性能不低于高强度螺栓本体的机械性能。
35.为了提高若干个高强度连接螺栓4内预紧力的一致性，应采用高精度液压拉伸器进行若干个高强度连接螺栓4的预紧。
36.为了提高主轴承工况载荷检测系统的工作可靠性和检测准确性，应定期对主驱动2与盾体1的高强度连接螺栓4进行检查并按规定预紧力进行复紧，避免螺栓损伤和松动对主轴承工况载荷检测系统的影响。
37.如图2、图4和图5所示，盾构机在掘进时，主驱动2与盾体1之间的高强度连接螺栓4其预紧力会发生不同程度的增大。
38.为了准确判断盾构机主轴承c工作时的受载状况，需要以高强度连接螺栓4的初始预紧力值作为相对基准零值。后续主轴承c工况载荷检测系统根据高强度连接螺栓4预紧力的变化情况，来模拟和推断主轴承c的受载状况。
39.根据各个载荷传感器3检测到的数据变化值，结合其空间结构分布和数值变化规律，可以模拟出各个高强度连接螺栓4受载状况的几何模型，各个高强度连接螺栓4的受载状况近似等于主轴承工作时的受载状况。
40.比如：盾构机主驱动2与盾体1之间通过x个高强度连接螺栓4进行连接，选取其中均布的y处螺栓连接位置安装载荷传感器3。
41.1）当y处载荷传感器3的检测数值均为f0，且各处检测数值相等。则表明主轴承c正在承受均匀且无偏心的轴向推力fa，承载推力数值为：fa=x*f0；2）当y处载荷传感器3的检测数值分别为（f1、f2、f3
…
fy），且各处检测数值不相等。则表明主轴承c正在承受偏心的轴向推力fe，以及偏心推力fe所造成的倾覆力矩me。
42.根据各处载荷传感器3的检测数值，结合主驱动2与盾体1连接高强度连接螺栓4的几何分布情况，可以得出y处载荷传感器3的检测数值应大致遵循如下规律：等效偏心轴向推力数值为：fe=x*[(f1 f(y/2) 1)/2]偏心力臂数值为：e=d*[f(y/2) 1)-f1]/[2*(f1 2*fe f(y/2) 1)]倾覆力矩数值为：me=e*fe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，在不脱离本发明技术原理的前提下，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。