基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台及系统的制作方法

1.本发明涉及盾构机技术领域，更具体的说是涉及一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台及系统。


背景技术：

2.随着社会的发展，我国铁路、公路和地下隧道等交通运输业迅猛发展，这也就造成了土地资源紧张，并且随着人口的增长，地面交通越来越不能满足人们的需求，因此隧道施工以及地铁施工项目等地下工程日渐增多，盾构机的应用也越来越广泛。在盾构施工中，盾构机的状态、故障检测及刀具磨损成为影响盾构施工的主要因素，其中滚刀的磨损检测成为影响一个工程进度和质量的关键问题。刀盘上的刀具是易耗件、易损件，换刀过早会造成资源的浪费，换刀过晚又会加重刀具周围的滚刀的载荷，加速磨损，因此及时检测到滚刀的磨损状态，视情换刀十分必要。
3.目前国内外检测盾构刀具磨损的方法主要有：开仓检查、异味检测、油压检测、掘进参数分析等。开仓检查危险系数高，可能会造成开挖面坍塌，严重的还会造成人员伤亡，并且工作效率低，异味检测能够很敏感地报告刀具损坏的信息，但是这种方法适合用在tbm中，在盾构机中无效。在油压磨损检测中，由于油路数量有限，油路只能安装于少部分刀具上，对于其它刀具的磨损则检测不到，而且无法获取具体的磨损量。
4.因此，提出一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台及系统，其目的在于有效模拟盾构机刀具工况，以实现在低速率转动的情况下对盾构机刀具磨损的实时检测。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台，安装盾构机刀具用于测试，包括：平台底座和隔离罩；
8.所述平台底座上设置有圆形滑轨，所述隔离罩设置于所述平台底座上且位于所述圆形滑轨内，所述盾构机刀具固定安装于所述隔离罩内，并在所述盾构机刀具的边缘设置有磁铁；
9.所述圆形滑轨上设置有可滑动的两组滑块模组，两组所述滑块模组设置于所述圆形滑轨任意直径的两端，且两组所述滑块模组上分别固定安装有支撑架，所述支撑架的高度高于所述隔离罩，两个所述支撑架上方架设卡槽，且所述卡槽内设置滑块，所述滑块上设置有伸入所述隔离罩内部的连接件，所述连接件的端部设置有霍尔传感器，通过所述霍尔传感器获取磨损数据。
10.优选的，所述圆形滑轨包括thk圆弧滑轨，所述thk圆弧滑轨之间相互拼接，所述滑
块模组为与所述thk圆弧滑轨相适配的thk圆弧滑块模组。
11.优选的，所述隔离罩与所述平台底座之间密封设置。
12.优选的，所述霍尔传感器至少包括测距霍尔传感器和测速霍尔传感器，所述测距霍尔传感器用于获取自身与所述盾构机刀具边缘的相对距离，所述测速霍尔传感器用于获取自身与所述盾构机刀具的相对转速。
13.一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验系统，包括上述实验台，还包括信号调理器、数据采集器和工控机；
14.所述信号调理器与所述霍尔传感器相连，用于对所述霍尔传感器所获取到的磨损数据进行整理；
15.所述数据采集器分别与所述信号调理器和工控机电连接，用于实时获取所述信号调理器整理后的所述磨损数据并发送至所述工控机；
16.所述工控机与所述滑块模组电连接，用于控制所述滑块模组在所述圆形滑轨上转动，并对所述数据采集器所采集到的所述磨损数据进行数据分析，获取盾构机刀具外边缘的磨损量与相对转速并实现所述磨损数据的存储和磨损记录查询。
17.优选的，所述磨损数据包括所述霍尔传感器与所述盾构机刀具边缘的相对距离，还包括所述霍尔传感器与所述盾构机刀具的相对转速。
18.优选的，所述工控机包括系统设置模块；
19.所述系统设置模块与所述实验台相连，包括功能设定单元、运行参数设定单元和测量标定单元；
20.其中，所述功能设定单元，用于设定所述实验台的测量项目；
21.所述运行参数设定单元，用于向所述实验台设定运行参数；
22.所述测量标定单元，用于进行盾构机刀具磨损量标定。
23.优选的，所述工控机还包括刀具磨损测量模块；
24.所述刀具磨损测量模块包括磨损监控单元、磨损记录存储查询单元和数据处理单元；
25.所述磨损监控单元，用于在所述滑块模组带动所述霍尔传感器转动的过程中，实时监控所述盾构机刀具的磨损量与相对转速；
26.所述磨损记录存储查询单元，用于存储所述磨损数据，并向用户提供查询磨损记录功能；
27.所述数据处理单元，用于根据所述磨损数据获取刀具转速与磨损量随时间变化的曲线，通过转速的波动判断刀具的磨损形式，结合磨损量随时间的变化得到刀具具体的磨损情况，并根据所述磨损情况行预警。
28.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台及系统，具有以下有益效果：
29.1.采用霍尔传感器解决了大部分传感器环境适应性差，无法在长距离超大直径复杂地层的条件下稳定有效地工作的问题，同时利用霍尔传感器可以检测刀具外缘与传感器的距离、刀具与传感器的相对转速，多角度地分析刀具的具体磨损状况。
30.2.搭建了一个可注入泥浆、密封性强的实验平台，适用于模拟盾构机工作环境，以此验证真实环境下检测系统的可靠性。
31.3.以传感器相对运动的形式模拟真实工况下盾构机刀具的低速率转动，解决了实验室条件很难驱动质量巨大的盾构机刀具完成低速转动的问题。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1附图为本发明提供的一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台的结构示意图；
34.图2附图为本发明提供的一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台的俯视图；
35.图3附图为本发明提供的一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台的thk圆弧滑轨和thk圆弧滑块模组的结构示意图；
36.图4附图为本发明提供的一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台的卡槽和滑块的结构示意图；
37.图5附图为本发明提供的一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验系统的工作流程示意图；
38.图6附图为本实施例提供的霍尔传感器的工作原理图；
39.其中，1-滑块、2-卡槽、3-支撑架、4-滑块模组、5-圆形滑轨、6-盾构机刀具、7-平台底座、8-隔离罩、9-霍尔传感器。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本发明实施例公开了一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验台，安装盾构机刀具6用于测试，包括：平台底座7和隔离罩8；
42.平台底座7上设置有圆形滑轨5，隔离罩8设置于平台底座7上且位于圆形滑轨5内，盾构机刀具6固定安装于隔离罩8内，并在盾构机刀具6的边缘设置有磁铁；
43.圆形滑轨5上设置有可滑动的两组滑块模组4，两组滑块模组4设置于圆形滑轨5任意直径的两端，且两组滑块模组4上分别固定安装有支撑架3，支撑架3的高度高于隔离罩8，两个支撑架3上方架设卡槽2，且卡槽2内设置滑块1，滑块1上设置有伸入隔离罩8内部的连接件，连接件的端部设置有霍尔传感器9，通过霍尔传感器9获取磨损数据。
44.为了进一步实施上述技术方案，圆形滑轨5包括thk圆弧滑轨，thk圆弧滑轨之间相互拼接，滑块模组4为与thk圆弧滑轨相适配的thk圆弧滑块模组4。
45.为了进一步实施上述技术方案，隔离罩8与平台底座7之间密封设置。
46.为了进一步实施上述技术方案，霍尔传感器9至少包括测距霍尔传感器和测速霍
尔传感器，测距霍尔传感器用于获取自身与盾构机刀具6边缘的相对距离，测速霍尔传感器用于获取自身与盾构机刀具6的相对转速。
47.需要说明的是：
48.在实际应用中，检测转速和距离两个指标，霍尔传感器或者电涡流传感器均可测量得到，且可行性强，稳定性高，在发明中，可将电涡流传感器替代测距霍尔传感器进行距离检测，而采用电涡流传感器替换测速霍尔传感器来检测相对转速时，应安置两个相同的电涡流传感器在不同位置。
49.一种基于霍尔传感器的盾构机刀具磨损实时检测实验系统，包括上述实验台，还包括信号调理器、数据采集器和工控机；
50.信号调理器与霍尔传感器9相连，用于对霍尔传感器9所获取到的磨损数据进行整理；
51.数据采集器分别与信号调理器和工控机电连接，用于实时获取信号调理器整理后的磨损数据并发送至工控机；
52.工控机与滑块模组电连接，用于控制滑块模组在圆形滑轨上转动，并对数据采集器所采集到的磨损数据进行数据分析，获取盾构机刀具外边缘的磨损量与相对转速并实现磨损数据的存储和磨损记录查询。
53.为了进一步实施上述技术方案，磨损数据包括霍尔传感器9与盾构机刀具6边缘的相对距离，还包括霍尔传感器9与盾构机刀具6的相对转速。
54.为了进一步实施上述技术方案，工控机包括系统设置模块；
55.系统设置模块与实验台相连，包括功能设定单元、运行参数设定单元和测量标定单元；
56.其中，功能设定单元，用于设定所述实验台的测量项目，即设定实验台测量转速或是磨损量；
57.运行参数设定单元，用于向实验台设定运行参数；
58.测量标定单元，用于进行盾构机刀具磨损量标定。
59.需要说明的是：
60.霍尔传感器的输出信号为电压信号，但检测系统的检测目标为滚刀刀圈的磨损量，所以需要分析传感器的输出电压δu与滚刀磨损量δx之间的关系，根据描绘出的δu-δx曲线拟合出函数关系。使用拟合出的函数关系将传感器输出的电压信号转化为滚刀的磨损量，通过比较实验检测出的磨损量与滚刀实际磨损量间的关系来分析检测系统的误差。分析检测误差的来源以及检测系统对盾构机滚刀磨损量检测的可靠性。
61.为了进一步实施上述技术方案，工控机还包括刀具磨损测量模块；
62.刀具磨损测量模块包括磨损监控单元、磨损记录存储查询单元和数据处理单元；
63.磨损监控单元，用于在滑块模组带动霍尔传感器转动的过程中，实时监控盾构机刀具的磨损量与相对转速；
64.磨损记录存储查询单元，用于存储磨损数据，并向用户提供查询磨损记录功能；
65.数据处理单元，用于根据磨损数据获取刀具转速与磨损量随时间变化的曲线，通过转速的波动判断刀具的磨损形式，结合磨损量随时间的变化得到刀具具体的磨损情况，并根据磨损情况行预警。
66.需要说明的是：
67.由于实际工控中，是刀圈在泥水中转动工作，若是发生刀圈断裂或者偏磨等现象，需要立即停机，因此实时监控相对转速与磨损量，并设有预警功能十分有必要。预警内容具体包括：磨损量曲线出现断崖式下降即预警发生了刀圈断裂、转速曲线出现极大波动或者数值持续为0即预警发生了偏磨。
68.在本实施例中，实验台以圆台底座和圆筒挡板为结构主体，其密闭性为注入泥水模拟刀具工作环境提供支撑，以thk圆弧导轨为转动副，门框结构为传动装置，带动伸入圆筒挡板内部的霍尔传感器绕刀具转动，以此相对运动来模拟刀具真实工况的低速率转动。
69.霍尔传感器有两种，一种用于检测刀具转速，另一种用于检测刀具磨损量。
70.检测刀具转速选用3144开关型霍尔传感器，其由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，输出数字量。其工作原理如图2所示，其中bnp为工作点“开”的磁感应强度，brp为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点bnp时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点bnp以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点brp时，传感器才由低电平跃变为高电平。bnp与brp之间的滞后使开关动作更为可靠。
71.在刀具边缘上端等间距地安置小型磁铁组，每当传感器转过一个磁铁时，会使霍尔传感器附近的磁感应强度周期变化，设置磁感应强度最小值为brp，磁感应强度最大值为bnp，则可以由3144霍尔传感器工作原理得到脉冲信号，脉冲信号的周期就是刀具转过相邻两块磁铁的时间，由此可测得刀具的相对转速。
72.检测磨损量的霍尔传感器选型为rps霍尔线性位置传感器。受霍尔效应的影响，垂直置于磁场中的通电半导体薄片的两侧会产生感应电动势。保持半导体内的电流不变，当半导体在磁场方向上产生位移时，感应电动势的大小也会发生相应变化，电动势的变化量与位移量之间存在一一对应的关系。通过标定建立电动势的变化量与位移量的数据库，即可由该传感器得到刀具外缘与传感器的相对距离即刀具的磨损量。
73.将刀具转速与磨损量随时间变化的曲线由数据采集系统上传至上位机进一步分析数据，通过转速的波动判断刀具的磨损形式，再结合磨损量随时间的变化，进而得到刀具具体的磨损情况。
74.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
75.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。