專利名稱：用于監(jiān)視隧道掘進效率的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及機械挖掘領(lǐng)域，更具體地說，涉及用于監(jiān)視和控制隧道掘進機 效率的裝置和方法。
背景技術(shù)：
隧道掘進機(“TBM”)是隧道挖掘裝置，典型情況下它用于在各種土層和巖層中形 成圓形隧道。常規(guī)TBM產(chǎn)生平滑的圓形隧道壁，典型情況下具有最小的間接干擾。使TBM 高效且可靠的突破是旋轉(zhuǎn)頭的發(fā)明，由James S. Robbins開發(fā)。最初，RcAbins的TBM使用 以圓周運動方式旋轉(zhuǎn)的堅固的長釘，但是長釘會頻繁折斷。他發(fā)現(xiàn)以持久性更長的旋轉(zhuǎn)刀 具組件取代這些磨削長釘，顯著地減少了這個問題。自那時起，所有成功的現(xiàn)代TBM都具有 旋轉(zhuǎn)刀具組件。自從隧道掘進機出現(xiàn)，這些機器的操作員和制造商一直期望了解和監(jiān)視切削設(shè)備 如何與被挖掘的材料相互作用。實時性能數(shù)據(jù)會允許操作員通過控制某些操作參數(shù)和執(zhí)行 及時維護來提高隧道掘進操作的效率和可靠性。例如，通過實時監(jiān)視隧道掘進機以便快速 識別問題，允許操作員發(fā)起適當(dāng)?shù)募m正動作，能夠避免由于部件故障造成的高代價延期。此外，機器制造商還能夠基于該數(shù)據(jù)調(diào)整部件的設(shè)計。為隧道掘進機開發(fā)合理的 操作和維護時間表的先前嘗試已經(jīng)包括使用理論數(shù)學(xué)模型，帶有或沒有簡單的力測量設(shè) 備，以及通過機器本身的操作狀況提供的輔助證據(jù)推論相互作用。在美國專利No. 4548443 和美國專利NO.RE31511中公開了說明性隧道掘進機，二者的全部內(nèi)容在此引用作為參考。 美國專利No. 5205613和美國專利No. 6431653中公開了另外的說明性現(xiàn)有技術(shù)隧道掘進 機，二者的全部內(nèi)容在此引用作為參考。授予Sugden等人的美國專利No. 5308151公開了 一種不同類型的帶刀具采掘機，這些刀具配備有刀具軸應(yīng)變計，以提供一個或多個滾刀組 件上直接負載的測量。一個或多個刀具軸配備有應(yīng)變計，以提供滾刀組件上直接負載的測 量。不過，簡單的應(yīng)變計測量并沒有提供關(guān)于刀具組件的操作性能和旋轉(zhuǎn)特性的期望信息。仍然需要能夠提供隧道掘進機上各個刀具性能的實時監(jiān)視的系統(tǒng)，其可以用于提 供各個刀具上問題的早期檢測，以提供可以用于控制機器以優(yōu)化性能并避免不必要磨損的 信息，和/或用于監(jiān)視被挖掘的巖石或其他材料的狀況。

發(fā)明內(nèi)容
提供本發(fā)明內(nèi)容是為了以簡化的形式引入選擇的概念，以下在具體實施方式
中對 所述概念做進一步的描述。本發(fā)明內(nèi)容不打算識別所要求保護的主題的關(guān)鍵特征，也不打 算被用于幫助確定所要求保護的主題的范圍。在本發(fā)明的一方面，公開了一種用于在操作期間監(jiān)視隧道掘進機(TBM)的裝置， 所述裝置包括與TBM上刀具相關(guān)聯(lián)的多個儀器包，每個儀器包都保持與相關(guān)聯(lián)刀具相接 觸，并且包括監(jiān)視所述刀具的傳感器，例如加速度計，溫度傳感器、磁力計等。所述儀器包的 遠端接觸所述刀具，例如所述刀具的保持架部分。所述直接接觸提供了所述相關(guān)聯(lián)刀具的準確數(shù)據(jù)，例如振動、溫度和旋轉(zhuǎn)速度數(shù)據(jù)。所述儀器包中的傳感器控制板從所述傳感器接 收數(shù)據(jù)，并且向遠程接收機無線地傳送數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)可以用于，例如監(jiān)視所述刀具和/或 TBM的狀況，以便檢測磨損或適當(dāng)?shù)卣{(diào)整所述TBM的操作參數(shù)。電源向所述傳感器和所述控 制板提供電力。所述裝置包括用于將所述儀器包附接到所述TBM的裝置。在所述裝置的實施例中，所述儀器包包括多軸加速度計，和/或第二加速度計。在所述裝置的實施例中，所述TBM上的每個刀具組件都具有與其相關(guān)聯(lián)的一個或 多個儀器包。所述儀器包可以以網(wǎng)狀或?qū)Φ葏f(xié)議無線地互連。在所述裝置的實施例中，儀器包包括具有支持所述傳感器的遠端臂部分的底板， 并且所述底板的遠端臂部分與所述相關(guān)聯(lián)的刀具直接接觸?？梢蕴峁椈桑鰪椈蓪⑺?述底板的遠端臂部分偏向所述相關(guān)聯(lián)的刀具組件。在實施例中，安裝支架被固定地安裝到所述隧道掘進機，例如固定地附接到所述 刀具外殼組件，并且所述儀器包包括可滑動地接合所述安裝支架的可拆卸部分。還公開了一種用于操作隧道掘進機的方法，所述方法包括提供包含用于監(jiān)視相關(guān) 聯(lián)的刀具組件的傳感器的多個儀器包，從所述傳感器接收數(shù)據(jù)的傳感器控制板以及電源， 其中所述儀器包直接與所述相關(guān)聯(lián)刀具組件接觸；以及將從所述傳感器得到的數(shù)據(jù)無線 地傳送到遠程接收機；以及使用傳送到所述遠程接收機的數(shù)據(jù)來控制所述隧道掘進機的操 作。還公開了一種隧道掘進機，所述隧道掘進機包括可旋轉(zhuǎn)地支持多個刀具組件的旋 轉(zhuǎn)刀具頭，每個刀具組件都包括可旋轉(zhuǎn)地支持刀圈的軸；每個都與刀具組件相關(guān)聯(lián)的儀器 包；以及用于將所述儀器包附接到所述隧道掘進機的裝置。


因為連同附圖參考以下的詳細描述，本發(fā)明變得更好地被理解，本發(fā)明的上述各 方面和許多伴隨優(yōu)點將變得更容易理解，其中圖1示意地示出了隧道掘進機，顯示了一些常規(guī)部件并包括了根據(jù)本發(fā)明的用于 監(jiān)視隧道掘進機刀具組件的傳感器；圖2是圖1中所示隧道掘進機的滾輪型刀具組件的部分分解透視圖；圖3是圖2中所示刀具組件的裝配透視圖，其中為清楚起見移去了一部分外殼座 架；圖4是圖2中所示刀具組件的儀器包的分解圖；圖5是框圖，概括了圖1中所示用于隧道掘進機的刀具組件監(jiān)視系統(tǒng)的操作；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的儀器包的第二個實施例；圖7是圖6中所示儀器包的分解圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參考附圖呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明具有刀具組件以及用于監(jiān)視該刀具組件的相關(guān) 聯(lián)儀器包的隧道掘進機的相關(guān)部分的描述，其中相似的數(shù)字表示相似的部件。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員將理解，本發(fā)明可以以多種形式實施，而這里公開的具體細節(jié)不應(yīng)當(dāng)解釋為限制，而 應(yīng)當(dāng)作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員做出和使用本發(fā)明的基礎(chǔ)。
圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明具有刀具組件10的說明性隧道掘進機90的環(huán)境側(cè)視 圖。說明性隧道掘進機90具有可旋轉(zhuǎn)地支持多個滾輪型刀具組件10的全斷面旋轉(zhuǎn)刀具頭 93。盡管示圖中可見到三個刀具組件，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，典型的隧道掘進機可 以包括20個、50個、100個或更多的刀具組件10，可旋轉(zhuǎn)地布置在刀具頭93上。在操作時，刀具頭93對著表面91推進(以點劃線展示)，使得至少某些刀具組件 10有力地接合表面91。在這個說明性實施例中，使用液壓95向外推進一組或多組反向錨 床94，以便接合隧道壁從而錨定隧道掘進機90。然后使用推力缸96對著表面91向前推進 刀具頭93。刀具頭93圍繞縱軸旋轉(zhuǎn)，使得當(dāng)?shù)毒呓M件10有力地壓向表面91并沿著表面 91滾動時，刀具組件10使得材料從表面91破裂、松動、磨碎、脫落和/或破碎。現(xiàn)在參考圖2，根據(jù)本發(fā)明，圖2以部分分解圖的形式示出了刀具組件10之一和 相關(guān)的安裝和監(jiān)視部件。圖3示出了裝配透視圖，為清楚起見省略了某些部件。刀具組件 10包括安置在轂12上的刀圈15，安裝轂12是為了圍繞軸13旋轉(zhuǎn)。軸承組件(未示出) 一般被安裝在軸13上，以提供轂12和刀圈15圍繞軸13旋轉(zhuǎn)。在本實施例中，在旋轉(zhuǎn)的轂 12上或在其中安裝了一個或多個磁體16 (圖幻，其目的將變得顯而易見。軸13的相對兩端緊固在刀具外殼中，刀具外殼包括分離的外殼座架20L、20R，每 個安裝部分都定義了 L形的通道21。通過滑動刀具組件10，使得軸13沿著外殼座架20L、 20R中的通道滑動，然后將其橫向地移動至由通道21的L形分支所形成的凹口中來安裝刀 具組件10。在將刀具組件10如此定位在外殼座架20L、20R之間后，刀具組件10以楔形鎖 系統(tǒng)緊固，楔形鎖系統(tǒng)配置為接合軸13的成形端。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，有將刀具組 件安裝到旋轉(zhuǎn)頭掘進機的各種其它方式。先前的說明描述了安裝“后加載刀具”的當(dāng)前方 法。本發(fā)明也可以應(yīng)用于其他安裝系統(tǒng)，比如“前加載刀具”。楔形鎖系統(tǒng)包括楔形22、夾塊M以及其間放置的管形套管觀。楔形22位于毗鄰 刀具組件10的軸13端點附近外圍小平面的位置，而夾塊M接合并毗鄰?fù)鈿ぷ?0L、20R 上的表面25。螺栓23延伸穿過楔形22、套管28和夾塊24，并且使用兩個螺帽沈和墊圈 27緊固。因此，當(dāng)螺栓23拉緊(通過將螺帽沈扭轉(zhuǎn)到設(shè)計規(guī)范)時，楔形22就將刀具組 件10鎖定就位。儀器包50附接到刀具組件10 (下面將更詳細地討論)，以在隧道掘進機90操作期 間監(jiān)視相關(guān)聯(lián)的刀具組件10。在優(yōu)選實施例中，儀器包50包括模塊化操作拓撲元件，縮寫 為mote，如半自主計算、通信和傳感設(shè)備，如下面介紹的。在當(dāng)前的實施例中，儀器包50使 用安裝支架39附接到楔形鎖組件之一。在這個實施例中，儀器包50包括具有近端52和遠側(cè)尖端53的楔形外殼51。儀器 包50的尺寸和位置使得遠側(cè)尖端53接觸并保持壓向刀具組件10的保持架14。在組件上 可以安裝隔離片等(未示出)，以確保儀器包50正確就位。在當(dāng)前的實施例中，使用了至少 一個Belleville墊圈或相當(dāng)?shù)膲壕o機構(gòu)，例如在套管觀與楔形22之間，以便確保所期望 的壓合。在安裝了儀器包50后，將夾塊M放置在螺栓23上，安裝墊圈27，并且兩個螺帽 26被固定到螺栓23并被扭轉(zhuǎn)到設(shè)計規(guī)范。外殼51基本上包圍了儀器包50的電子和機械部件?，F(xiàn)在也參考圖4，其示出了 儀器包50的分解圖。在這個實施例中，儀器包50包括具有處理元件35的傳感器控制板組 件31，并且其可操作地連接到一個或多個加速度計32、至少一個磁力計33(或磁性檢測器)6和至少一個溫度傳感器，例如熱電偶34。設(shè)想儀器包50可以包括另外的傳感器，例如應(yīng)變 計、聲學(xué)或光學(xué)傳感器、化學(xué)檢測器等。傳感器控制板組件31進一步包括無線收發(fā)機36， 無線收發(fā)機36通過天線37向遠程接收機(未示出)發(fā)送射頻段的信號。電子傳感器32、 33,34和無線收發(fā)機36由安裝到傳感器控制板組件31的電池組38供電。傳感器外殼51在安裝時接觸刀具組件保持架14，使得遠側(cè)尖端53向著保持架14 推進或壓合。通過這個接觸點，加速度計32因此受到刀具組件10的加速度。當(dāng)?shù)度?5沿 著表面91旋轉(zhuǎn)時，加速度計32測量刀具組件10在操作期間的振動。在一個實施例中，提 供可選參考加速度計(未示出)，其不直接接觸刀具組件10，使得本系統(tǒng)能夠濾除與隧道掘 進機90操作相關(guān)聯(lián)的非刀具振動。由不接觸刀具組件10的參考加速度計檢測出的振動將 提供參考振動，使得參考振動與由與特定刀具組件10相關(guān)聯(lián)的加速度計32測量出的振動 之間的差異將提供與相關(guān)聯(lián)刀具組件10特定地相關(guān)聯(lián)的振動的測量結(jié)果。加速度計32也能夠監(jiān)視掘進操作在刀具組件10上施加的負載的方面。將理解， 刀具組件10中的軸承組件承擔(dān)了從掘進表面91通過圈15和轂12傳來的大多數(shù)負載。這 些軸承是消耗品部件。為了在軸承達到好性能的同時使其使用壽命最長，這些軸承具有制 造商規(guī)定的負載限度。加速度計32能夠用于確保不超過該負載限度。雖然圖2中與刀具組件10—起僅僅示出了一個儀器包50，但是本發(fā)明設(shè)想多于一 個的儀器包50可以與某些或全部刀具組件10—起使用。例如，如果儀器包50被放置在刀 具組件軸13的兩端，通過對比加速度計32的輸出就能夠識別出軸13任一側(cè)上的加載不平 衡。刀具組件10上的不平衡負載造成疲勞情況，其中刀具組件10的部件將面臨循環(huán)加載， 其能夠顯著縮短機械部件的使用壽命。通過分析來自加速度計32的輸出信號的輸出可以識別刀具組件10在操作期間發(fā) 生的其他動態(tài)現(xiàn)象，例如保持螺栓23就位的螺帽沈的牢固性。具有松動附接的刀具組件 10的振動將展現(xiàn)出與外殼座架20L、20R中牢牢緊固的刀具組件10顯著不同的特征。另外， 與儀器包50對側(cè)的螺栓23松了相比，儀器包50同側(cè)的螺栓23松了時的振動信號將會不 同。在這個實施例中，在刀具組件10安裝在刀具外殼座架20L、20R中之前，在刀具轂 12中安裝了一個或多個磁體16。當(dāng)?shù)度?5和轂12圍繞軸13旋轉(zhuǎn)時，磁體16被相關(guān)聯(lián)的 儀器包50中的磁力計33檢測出。磁體16接連通過之間的時間間隔能夠用于計算刀圈15 的旋轉(zhuǎn)速度。然后，知道了特定刀具組件10在刀具頭93上的位置以及刀具頭93的旋轉(zhuǎn)速 度后，時間間隔數(shù)據(jù)或旋轉(zhuǎn)速度便能夠用于檢測刀圈15的打滑或鎖定，或者假設(shè)在刀圈15 與表面91之間沒有打滑時用于計算刀圈15的當(dāng)前直徑。刀圈15的當(dāng)前直徑提供了由于 隧道挖掘操作所述環(huán)15已經(jīng)磨損或侵蝕程度的測量結(jié)果。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，確 定刀圈15上的磨損量非常重要。例如，對隧道掘進機90的維護過程往往基于刀圈15的百 分比磨損規(guī)定何時應(yīng)當(dāng)更換刀具組件10。也期望知道刀圈15的旋轉(zhuǎn)速度，并且特別地旋轉(zhuǎn)速度的時間變化，因為其提供了 滾動平滑度的指標。(當(dāng)?shù)毒哳^93以恒定的速度旋轉(zhuǎn)時)刀圈15的恒定旋轉(zhuǎn)速度表明刀 具組件軸承運行正確。不穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)速度表明刀圈15正在打滑，并且因此可以表明軸承出 現(xiàn)故障，需要更換部件。作為替代，大量刀圈15的旋轉(zhuǎn)速度都不穩(wěn)定可能暗示著為了達到 最佳的性能要修改隧道掘進機90的操作參數(shù)。例如，如果許多刀圈15的旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定，這可能表明刀具頭93向表面91壓得太緊。刀圈15的溫度是刀具組件10的運行如何的另一個指標。刀圈15與表面91之間 的摩擦將產(chǎn)生熱量。如果刀圈15相對自由地旋轉(zhuǎn)，所測出的溫度將達到恒定的水平。然 而，如果刀圈15不自由旋轉(zhuǎn)，而是拖過或滑過表面91，刀具組件10的溫度將明顯快速地上 升。類似地，如果刀圈軸承正經(jīng)歷著過度摩擦，該軸承的溫度將升高，導(dǎo)致刀具組件10的溫 度上升。在任一情況下，監(jiān)視刀具組件10的溫度為操作員提供了存在問題的早期指示，使 得在形成更嚴重的損壞之前可以(自動地或由用戶)采取糾正行動(比如關(guān)閉機器或安排 維護)。在本發(fā)明的實施例中，一個或多個儀器包50(后文稱之為參考儀器包)除以上討 論的其他傳感器之外還包括雙軸加速度計(未示出)。雙軸加速度計能夠在兩個方向上，典 型情況下正交朝向的方向上，測量加速度，包括重力。就其功能而言，雙軸加速度計包括第 一加速度計，第一加速度計的朝向垂直于在一般來說水平平面中的第二加速度計，如一個 軸朝向刀具頭93的徑向，而另一個軸朝向刀具頭93的切向。雙軸加速度計測量何時刀具 頭93正在旋轉(zhuǎn)，并且能夠用于為定位各個刀具組件10提供參考點。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，通過分析所檢測的加速度計值能夠定位參考儀器包上 的雙軸加速度計，如下。已知雙軸加速度計在刀具頭93上的相對位置。例如，可以產(chǎn)生刀 具組件位置的參考圖。雙軸加速度計基于加速度計的特定朝向，顯示重力加速度的正值或 負值。因此，參考重力能夠確定雙軸加速度計的旋轉(zhuǎn)方向。雙軸加速度計的旋轉(zhuǎn)方向以及 在刀具頭93上的相對位置確定了其相對于其他刀具組件儀器包50的位置。通過得知參考 刀具的位置，就能夠通過參考刀具組件位置的參考圖定位其他刀具。當(dāng)?shù)毒呓M件10正經(jīng)歷 異常操作狀況并需要在刀具頭93中定位和檢查時，這是所期望的。在當(dāng)前的實施例中，對于每個儀器包50，由加速度計32、磁力計33和溫度傳感器 34所測出的數(shù)據(jù)都被傳感器控制板組件31上的處理器35轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后該數(shù)字信 號通過天線37被發(fā)送到可以布置在隧道掘進機90上其它位置的遠程接收機。在優(yōu)選實施 例中，隧道掘進機90上的每個刀具組件10都配備有一個或兩個儀器包50，提供了挖掘狀況 可能的最清楚的指示。許多儀器包50的這種集合稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)。來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可以被中繼到隧道掘進機90的操作員的顯示器。與刀具 頭93上每個其他儀器包50的位置相關(guān)地顯示來自每個儀器包50的數(shù)據(jù)將允許操作員推 斷巖石的構(gòu)造并相應(yīng)地調(diào)整操作參數(shù)以實現(xiàn)最高的效率。例如，連同傳感器繪圖能力使用 來自每個儀器包50的振動測量結(jié)果將允許顯示巖石面的圖，其中巖石狀況的指示包括但 是不限于，巖石硬度、破裂程度以及任何局部的地質(zhì)構(gòu)造。這種顯示能夠有效地用于提高隧 道掘進機90的生產(chǎn)量，方式為允許各個刀具組件10的操作更接近其設(shè)計限度。如果沒有 這種系統(tǒng)，每個刀具組件10的操作包絡(luò)就必須假設(shè)為機器總加載的平均值，迫使總操作參 數(shù)降低。如果沒有這種系統(tǒng)，就無法說明由單個刀具組件10所面對的巖石狀況中的局部變 化，因為總平均加載是僅有的可得到數(shù)據(jù)。通過使用單個傳感系統(tǒng)，就能夠檢測極端的現(xiàn) 象，并能夠調(diào)整操作參數(shù)以實現(xiàn)每個單個刀具組件10的最大負載。當(dāng)前實施例使用了傳感器控制板組件31，其能夠兩條路徑傳送，用于將數(shù)據(jù)發(fā)送 到接收機。該傳送能夠通過點對點協(xié)議執(zhí)行，其中來自每個儀器包50的數(shù)據(jù)被直接發(fā)送到 接收機，或者它也能夠通過多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議執(zhí)行，其中儀器包50能夠一起工作并用作數(shù)8據(jù)的中繼。當(dāng)前的儀器包50既能夠經(jīng)由天線37發(fā)送射頻信號也能夠經(jīng)由天線37接收射 頻信號。以這種雙重能力，每個儀器包50都能夠從其他儀器包50接收數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)傳 遞給接收機。所述網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主要優(yōu)點在于，萬一出現(xiàn)難以克服的無線電干擾，離接收 機最遠的儀器包50能夠使用離接收機更近的其他儀器包50以中繼其測出的數(shù)據(jù)。所述網(wǎng) 狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的缺點是電池消耗率較高和信號通信量潛在地較高。為了緩解電池消耗限制， 可以實施使用動態(tài)運動產(chǎn)生電力的發(fā)電系統(tǒng)。這會消除或減輕對電池組38的需求。圖5是框圖，概括了根據(jù)本發(fā)明的裝備有儀器包50的隧道掘進機90的操作。儀 器包50被安裝70在相關(guān)聯(lián)的刀具組件10上，其中每個儀器包50的一端都直接接觸相關(guān) 聯(lián)的刀具組件10。如果使用了(以上討論的)參考刀具雙軸加速度計，那么在安裝70時，也就是在 刀具頭93開始旋轉(zhuǎn)之前初始化或監(jiān)視參考刀具雙軸加速度計。當(dāng)雙軸加速度計的信號在 重力拉動下改變時，刀具頭93就旋轉(zhuǎn)。包含參考刀具雙軸加速度計的儀器包50然后將信 號傳送到接收機，表明刀具頭93正在轉(zhuǎn)動。也能夠用作收發(fā)機的接收機然后向其他儀器包 50發(fā)射初始化信號以開始采樣數(shù)據(jù)。這就是框圖中的初始化階段71。將理解，如果不使用 參考雙軸加速度計，則可以使用任何其他適合的信號來檢測或確定所述刀具頭正在轉(zhuǎn)動， 并且開始數(shù)據(jù)采樣71，如對本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的。儀器包的傳感器控制板組件31吸引了足夠的連續(xù)電力以監(jiān)視從接收機傳送的信 號。當(dāng)儀器包50收到初始化信號時，儀器包50便開始對其相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行采樣72。對于傳感器32、33、34中的每一個，采樣72邏輯不同。例如，在除了使用儀器包50 加速度計32外還使用(如以上討論的)參考加速度計的系統(tǒng)中，信號被中繼到傳感器控制 板組件31，并且從所檢測的中繼后的刀具加速度計信號中減去參考加速度計信號。溫度傳 感器34以預(yù)設(shè)置的速率定期獲取溫度讀數(shù)。磁力計33連續(xù)地對磁場采樣，使得當(dāng)轂12中 的磁體16通過磁力計33附近時，檢測出磁場。當(dāng)檢測出的磁場超過了預(yù)制定的限度時，傳 感器控制板組件31便登記一次，并基于先前檢測出磁體16通過以來所經(jīng)歷的時間計算刀 具組件10的瞬間旋轉(zhuǎn)速度。例如，可以使用以下公式RPM= (η/Τ) * 60計算旋轉(zhuǎn)速度， 其中T是磁計數(shù)之間以秒為單位經(jīng)歷的時間，而η是轂12中嵌入的磁體16的數(shù)目。當(dāng)?shù)?知刀具組件10的旋轉(zhuǎn)速度后，刀圈15的直徑可以計算為D = O * r * d)/R，其中r是刀 具頭93的旋轉(zhuǎn)速度(以rpm計)，d是從刀具頭93的中心到刀圈15中心平面的距離，而R 是以上算出的刀具組件10的測出旋轉(zhuǎn)速度。由傳感器測出的數(shù)據(jù)被中繼到傳感器控制板組件31，收發(fā)機板36在此將其編碼 成無線電信號并通過天線37發(fā)送73。為了節(jié)省電池壽命，收發(fā)機不連續(xù)運行。數(shù)據(jù)以規(guī)定 的時間間隔測量和記錄，并且也以適于測量刀具的動態(tài)特征的頻率建立傳送間隔。采樣和 傳送間隔都不是靜態(tài)值，而是能夠通過對傳感器設(shè)備編程進行調(diào)節(jié)。不存在單一的理想采 樣周期，因為基于包括巖石特征、刀圈15材料、刀具負載定額以及隧道掘進機功率的參數(shù)， 隧道挖掘操作變化很廣。這種無線系統(tǒng)中固有的靈活性允許在挖掘的同時改變采樣狀況以 實現(xiàn)可能的最佳數(shù)據(jù)分辨率和最長傳感器壽命。在儀器包50的當(dāng)前實施例中，所選擇的加速度計是超緊湊低功率3軸線性加速度 計，它包括傳感元件和IC接口，比如總部在瑞士日內(nèi)瓦的STMicroelectronics (ST微電子) 公司生產(chǎn)的LIS302DL。所選擇的加速度計能夠經(jīng)由I2C/SPI串行接口向外部應(yīng)用提供所測9出的加速度數(shù)據(jù)。所選擇的溫度傳感器34是薄膜鉬電阻溫度檢測器，例如總部在新澤西州 摩里斯鎮(zhèn)的Honeywell International公司生產(chǎn)的HEL-700系列薄膜鉬RTD(電阻溫度檢 測器)。所選擇的溫度傳感器提供了優(yōu)秀的線性度、穩(wěn)定性和可互換性。所選擇的磁力計 33是磁阻傳感器，例如位置傳感器2SS52M，也是Honeywell International公司生產(chǎn)的。選擇加速度計是因為它不昂貴、功率非常低、具有數(shù)字接口和具有內(nèi)置的信號處 理。設(shè)想作為替代可以使用更高g級的、更高功率的設(shè)備，或者可以設(shè)計機械阻尼器以使加 速度值在傳感器約束之內(nèi)。選擇溫度傳感器是因為其溫度范圍和低功率需求。然而，這些 類型的設(shè)備容易互換，并且作為替代也可以使用其他溫度傳感器。根據(jù)本發(fā)明可以實施為本系統(tǒng)設(shè)想的多種mote傳感器通信拓撲。例如，儀器包50可以在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中互連，使得如果無線收發(fā)機36不能與接收機直 接通信，能夠通過其他儀器包50將信號中繼到接收機。例如，已經(jīng)在具有20、50和99個節(jié) 點，每個節(jié)點都包括或表示某儀器包50，以及單一基站或接收機的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中測試了網(wǎng)狀 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在該測試中，節(jié)點離任何其他節(jié)點的間隔大約為1.5英尺，離接收機的間隔大 約為三十英尺。為了提高服務(wù)的質(zhì)量或者控制網(wǎng)絡(luò)可靠性的能力，可以使用啟用消息確認 (ACK)來操作該網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點將連續(xù)發(fā)送其信號，直到ACK消息返回。盡管該網(wǎng)絡(luò)拓撲在 節(jié)點數(shù)目較少時運行得相當(dāng)好，但是當(dāng)節(jié)點數(shù)量增加至99個時，通信問題變得顯著，并且 在啟用了 ACK時當(dāng)然更明顯。在另一個拓撲實施中，無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包括對等(P2P)拓撲，其中無線收發(fā)機36僅 僅與接收機直接通信，也就是，每個傳感器節(jié)點直接向基站報告。在受測試的實施中，每個 傳感器節(jié)點都被分配了報告窗口內(nèi)的報告時隙。這就允許每個節(jié)點向接收機或基站發(fā)送消 息具有與其他報告節(jié)點沖突的最小可能性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，因為收發(fā)機36不需 要連續(xù)接收/發(fā)送，所以P2P拓撲允許更長的電池壽命。P2P拓撲也可以運行在非ACK模式 中或啟用ACK模式中。受測試的P2P拓撲比網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲可靠得多，尤其在節(jié)點數(shù)量更大 時。然而將理解，如果節(jié)點或儀器包50處于RF盲點，這樣的個別節(jié)點可能執(zhí)行不良。對于啟用ACK的P2P拓撲實現(xiàn)了非常低的平均數(shù)據(jù)包丟失率，使得如果沒有確認 (例如)接收機收到，每個節(jié)點都能夠重發(fā)消息高達6次。在一次測試中，99個節(jié)點、啟用 ACK的P2P拓撲產(chǎn)生了僅僅3. 5%的平均數(shù)據(jù)包丟失率。測試表明，對于高達五十個節(jié)點的配置，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)顯示了優(yōu)于時間同步的P2P網(wǎng) 絡(luò)的明確可靠性優(yōu)點，但是能量成本卻大約高達26倍。如果多于50個節(jié)點，P2P網(wǎng)絡(luò)的可 靠性仍保持得非常好，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)則顯著惡化。此外，所期望的是阻礙P2P網(wǎng)絡(luò)可靠性的 “盲點，，將由隧道掘進機的運動所減輕。圖6中示出了根據(jù)本發(fā)明的用于監(jiān)視刀具組件10的儀器包或傳感器包150的另 一個替代實施例，其中外殼151以點劃線示出。圖7中示出了儀器包150的部分分解圖。在這個實施例中，設(shè)想刀具組件10上安裝的儀器包150將包括與以上描述的傳感 器包150相同或類似的傳感器包。例如在某些實施例中，不使用參考雙軸加速度計測量何 時刀具頭93正在旋轉(zhuǎn)并為定位傳感器提供參考點。相反，例如通過將兩個附加傳感器放置 在系統(tǒng)中，就可以確定旋轉(zhuǎn)測量和參考點。傳感器可以置于TBM驅(qū)動電機(未示出)之一 上，以測量該電機的軸旋轉(zhuǎn)速度。旋轉(zhuǎn)速度測量可以通過將磁體安裝在驅(qū)動軸上并使用磁 力計實現(xiàn)，通過利用光傳感器或者利用本領(lǐng)域熟知的任何其他裝置。通過使用機器的齒輪10比信息和測量電機的軸旋轉(zhuǎn)速度，就能夠確定刀具頭93的旋轉(zhuǎn)速度。利用保護外殼中封裝的磁力計可以提供第二個傳感器，以便檢測刀具頭93上安 裝的磁體的通過。設(shè)想這兩個附加傳感器都會把數(shù)據(jù)傳送回基站。傳感器包150配置為被直接安裝到相關(guān)聯(lián)刀具組件10的刀具外殼組件上。直接 安裝的優(yōu)點是傳感器包150不干擾安裝和拆卸刀具的標準過程。安裝支架139支持在刀具 組件10上的傳感器包150，并且可以固定地或可釋放地直接附接到外殼座架20L、20R之一 (圖2)。例如，安裝支架139可以被焊接到外殼座架20L、20R之一，或者用常規(guī)硬件附接。安裝支架139包括底面140、相對地布置的側(cè)壁141以及具有鎖定孔143的保持補 翼142。保護間隔元件110布置在安裝支架139的底面140上。保持支架132附接在安裝 支架139近端附近，而彈簧元件134則附接在安裝支架139遠端附近。儀器包150的可拆卸部分包括底板160，其具有帶向上延伸的鼻狀物164的遠端臂 162，鼻狀物164配置為接合相關(guān)聯(lián)的刀具組件10。遠端臂162支持刀具組件傳感器，比如 加速度計32、磁力計33和溫度傳感器34。這些傳感器可操作地連接到傳感器控制板組件 31，其接收傳感器數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)傳送到遠程接收機，正如以上討論的。底板160進一步包括定位補翼163，其尺寸和位置使得接合保持補翼142中的鎖定 孔143。支座172將底板160朝安裝支架139內(nèi)的期望位置推進，并且滑動夾可釋放地接合 保持架132。底板160以多個螺釘174緊固到外殼151上。外殼151包括主體部分154，定 義電池孔156和遠端臂部分152，遠端臂部分152覆蓋在底板160的遠端臂162上。遠端 臂部分152包括末端通道158，末端通道158可滑動地接收從底板160向上延伸的鼻狀物 164?，F(xiàn)在能夠看出，以上討論的附接到安裝支架139的彈簧元件134包括折角臂部分 133，折角臂部分毗鄰或接合底板臂162的遠端。彈簧元件134的尺寸和設(shè)計使得在遠端臂 162上提供彈力，以使得底板160的鼻狀物164被彈性地推向相關(guān)聯(lián)的刀具保持架14(圖 3)。因此，在一定范圍的磨損模式下，遠端臂162的彈性變形將允許鼻狀物164保持接觸相 關(guān)聯(lián)的刀具保持架，即使該刀具經(jīng)歷了磨損。電池支持器175配置為容納一個或多個電池176 (示出了兩個)，用于通過端子 178向傳感器32、33、34，傳感器控制板組件31和相關(guān)電子器件供電。在當(dāng)前實施例中，外殼151由彈性材料制成，而安裝支架139和底板是金屬的，盡 管可以使用其他材料，包括例如合成材料等。將理解，儀器包150必須用耐用的材料建造以 抵擋刀具組件10附近非常嚴酷的環(huán)境。所有傳感器電子器件都使用減振材料在傳感器外 殼中封裝就位。金屬底板160被裝配在外殼151上，其外罩的尖端由底板160上的金屬鼻狀 物164保護。外殼包括可拆卸的電池隔間175，以允許在該區(qū)域中更換電池176。這種電池 隔間175可以包括開關(guān)，用于將電池配置為并聯(lián)或串聯(lián)，從而允許使用堿性或鋰金屬電池。在這個實施例中，傳感器包150的可拆卸部分，包括底板160(和其上安裝的各種 部件)和外殼151，都可以通過可滑動地釋放滑動夾170并使可拆卸部分滑離安裝支架139 而拆卸。盡管已經(jīng)展示和描述了說明性實施例，但是將理解，這里能夠進行各種改變而不 脫離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在操作期間監(jiān)視隧道掘進機的裝置，其中，所述隧道掘進機包括具有安裝 在刀具頭上的可旋轉(zhuǎn)部分的多個刀具組件，所述裝置包括多個儀器包，每個儀器包都與所述多個刀具組件之一相關(guān)聯(lián)，每個儀器包都包括i)與 相關(guān)聯(lián)刀具組件接觸的遠端，所述儀器包的遠端包含用于監(jiān)視所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的多個 傳感器， )傳感器控制板，可操作地連接所述多個傳感器，所述傳感器控制板進一步包括 收發(fā)機，所述收發(fā)機配置為向遠程接收機無線地傳送由所述多個傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，以 及iii)連接以向所述傳感器控制板供電的電源；以及用于將所述多個儀器包中的每一個儀器包附接到所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個傳感器包括加速度計、溫度傳感器和用 于測量所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的可旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，用于測量所述可旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器 包括磁力計。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述加速度計包括多軸加速度計。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述多個傳感器進一步包括第二加速度計。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個儀器包包括所述多個刀具組件中每一 個刀具組件的至少一個儀器包。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個儀器包包括所述多個刀具組件中每一 個刀具組件的兩個儀器包。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個儀器包以網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線地互連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個儀器包在對等網(wǎng)絡(luò)中無線地互連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多個傳感器被安裝到底板的遠端臂部分， 并且進一步包括彈簧，所述彈簧使所述底板的遠端臂部分偏向所述相關(guān)聯(lián)刀具組件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電源包括可拆卸的電池。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，用于將所述多個儀器包中的每一個儀器包附接 到所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的裝置包括固定地附接到所述隧道掘進機的安裝支架，并且其中所 述儀器包包括可拆卸部分，所述可拆卸部分包括所述多個傳感器和所述傳感器控制板。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述可拆卸部分包括底板，所述底板具有支持 所述多個傳感器的遠端臂部分，并且進一步包括彈簧元件，所述彈簧元件使底板遠端臂部 分偏向與所述相關(guān)聯(lián)刀具組件接觸。
14.一種用于操作具有多個刀具組件的隧道掘進機的方法，每個刀具組件都包括旋轉(zhuǎn) 部分，所述方法包括以下步驟提供多個儀器包，每個儀器包都與所述多個刀具組件之一相關(guān)聯(lián)，并且包括監(jiān)視所述 相關(guān)聯(lián)刀具組件的多個傳感器，從所述多個傳感器接收數(shù)據(jù)的傳感器控制板，以及電源，其 中，所述儀器包直接接觸所述相關(guān)聯(lián)刀具組件；向遠程接收機無線地傳送從所述多個傳感器得到的數(shù)據(jù)；使用向所述遠程接收機傳送的數(shù)據(jù)以控制所述隧道掘進機的操作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述多個傳感器包括加速度計、溫度傳感器和 用于測量所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的可旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，用于測量所述可旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器包括磁力計。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述加速度計包括多軸加速度計。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述多個儀器包包括所述多個刀具組件中每 一個刀具組件的至少一個儀器包。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述多個儀器包以網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線地互連。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進一步包括彈性地使所述儀器包的遠端臂部分偏向 所述相關(guān)聯(lián)刀具組件，以保持所述儀器包接觸所述相關(guān)聯(lián)刀具組件。
21.一種隧道掘進機，包括旋轉(zhuǎn)刀具頭，其可旋轉(zhuǎn)地支持多個刀具組件，每個刀具組件都包括可旋轉(zhuǎn)地支持刀圈 的軸；多個儀器包，每個儀器包都與所述多個刀具組件之一相關(guān)聯(lián)，每個儀器包都包括i)與 所述相關(guān)聯(lián)刀具組件接觸的遠端，所述儀器包的遠端包含用于監(jiān)視所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的 多個傳感器， )傳感器控制板，可操作地連接到所述多個傳感器，所述傳感器控制板進一 步包括收發(fā)機，所述收發(fā)機配置為向遠程接收機無線地傳送由所述多個傳感器檢測到的數(shù) 據(jù)，以及iii)連接以向所述傳感器控制板供電的電源；以及用于將所述多個儀器包中的每一個儀器包附接到所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的隧道掘進機，其中，所述多個傳感器包括加速度計、溫度傳 感器和用于測量所述相關(guān)聯(lián)刀具組件的可旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的隧道掘進機，其中，用于測量所述可旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度 的傳感器包括磁力計。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的隧道掘進機，其中，所述加速度計包括多軸加速度計。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的隧道掘進機，其中，所述多個儀器包包括所述多個刀具組 件中每一個刀具組件的至少一個儀器包。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的隧道掘進機，其中，所述多個儀器包以網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和對 等網(wǎng)絡(luò)之一無線地互連。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的隧道掘進機，其中，所述多個傳感器被安裝到底板的遠端 臂部分，并且進一步包括彈簧，所述彈簧使所述底板的遠端臂部分偏向所述相關(guān)聯(lián)刀具組 件。
全文摘要
一種隧道掘進機(90)，具有旋轉(zhuǎn)刀具頭(93)，旋轉(zhuǎn)刀具頭(93)可旋轉(zhuǎn)地支持多個刀具組件(10)。多個儀器包(50)被附接到所述旋轉(zhuǎn)刀具頭，每個儀器包都具有與相關(guān)聯(lián)刀具組件接觸的遠端。所述儀器包包括多個傳感器，傳感器包括加速度計(32)、磁力計(33)和溫度傳感器(34)，用于監(jiān)視所述相關(guān)聯(lián)刀具組件。所述傳感器安裝在儀器包的遠端，使遠端偏向以保持接觸所述刀具組件。所述儀器包包括無線發(fā)射機，并且儀器包在網(wǎng)狀或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)中互連。為每個儀器包提供諸如電池組的電源(176)。來自所述傳感器的數(shù)據(jù)可以用于控制所述隧道掘進機的操作和/或監(jiān)視所述刀具組件的狀況。
文檔編號E21D9/06GK102046920SQ200980119535
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者A·J·沙納翰, B·R·布朗, I·R·卡胡恩, J·C·摩爾, L·R·林德博格, R·J·羅賓斯, T·J·雷力 申請人:羅賓斯公司