專利名稱：隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測技術(shù)，特別是應(yīng)用于硬巖或復合地層中的隧道掘進機(包括TBM和盾構(gòu)機)刀具磨損的檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著掘進機制造技術(shù)的發(fā)展，掘進機的適應(yīng)地層范圍越來越廣，掘進機技術(shù)不僅在比較均勻、單一的土層和巖層中得到廣泛應(yīng)用，也在各種軟硬交替的復合地層中得到了應(yīng)用。但是，在隧道施工過程中，刀具磨損嚴重是掘進機在硬巖以及復合地層中遇到的最大難題之一，若刀具磨損或失效后不能及時發(fā)現(xiàn)并更換，將導致刀圈超量磨損、斷裂、軸承異常損壞甚至刀盤嚴重磨損，大大降低掘進破巖效率。目前，掘進機在掘進過程的刀具磨損狀況判斷主要還是憑經(jīng)驗、憑感覺，最有效的方法是停機后人工進艙檢查，但人工檢查是一項風險很高的工作。這種方法只能在穩(wěn)定地層中使用，在不穩(wěn)定地層中需首先進行地層加固或壓氣作業(yè)，代價很大。為了“減少”麻煩，施工中往往不愿主動停機檢查，到無法再繼續(xù)掘進了才被迫開艙檢查。此時往往很多刀圈、軸承都已磨損、變形，一些變形嚴重的刀具經(jīng)常無法順利取出，增加更多麻煩，耽誤更多的換刀時間。
常見的刀具失效形式有刀圈磨損、(多邊)弦磨、刀圈斷裂、崩刃、刀圈松動、軸承漏油、軸承磨損失效等，其中刀圈磨損是刀具正常損壞，其它形式屬于非正常損壞。刀具磨損、失效的常見的判斷方法有以下幾種(1)異味添加劑這種方法適合在TBM中應(yīng)用，例如在秦嶺隧道所使用的WIRTH公司生產(chǎn)的滾刀，為了檢測軸承失效情況，在其軸承潤滑油中加入了具有異味的MOLYUAN添加劑，掘進中若刀具漏油，則放出刺鼻的異味，能很敏感地報告刀具損壞信息。這種方法在土壓平衡式盾構(gòu)和泥水式盾構(gòu)中效果不佳。
(2)刀具磨損感應(yīng)裝置在刀具或刀盤內(nèi)安裝液壓或電子傳感器系統(tǒng)，一旦刀具磨損到一定程度就會自動報警指示。如圖1是海瑞克(Herrenknecht)公司提出的帶有磨損探測器的刮刀原理圖。該系統(tǒng)由探測器1、接收器2和發(fā)射器3組成，采用線路連接，可在刀盤上安裝8個這種特制刮刀。比較常見的滾刀磨損感應(yīng)裝置則是采用液壓油缸從刀盤伸出至滾刀刃尖，通過比較伸出行程與磨損前行程的差值判斷滾刀的磨損量。此外還有一些采用液壓短路、光纖維短路或超聲波等方式來判斷滾刀磨損的感應(yīng)裝置。由于感應(yīng)裝置只能在少量刀具上安裝，應(yīng)用范圍小，使用效果受到很大限制。
(3)掘進參數(shù)分析隨著刀具的磨損，在推力不變的情況下，掘進速度一般會降低，扭矩增加，據(jù)此可以粗略地估計刀具磨損情況。但由于掘進速度、扭矩受眾多因素影響，包括推力變化、轉(zhuǎn)速變化、地層變化、土艙壓力變化等，故往往還難以直接用于判斷。此外，若軸承損壞，刀具偏磨后，刀刃將與巖石表面發(fā)生劇烈摩擦，產(chǎn)生大量熱量，導致渣土溫度升高，故渣土溫度異常時也可能意味著刀具失效。但是，上述掘進參數(shù)的分析方法通常是在分析人員的經(jīng)驗基礎(chǔ)之上作出的主觀判斷，并沒有足夠的理論根據(jù)，因此，其判斷結(jié)果的準確率并不高。
(4)巖渣形狀分析一般地，新刀產(chǎn)生的巖渣塊度較大，多呈片塊狀，菱角分明，刀具磨損后，巖渣塊度變小、粉末增加。此外還可留意觀察渣土中有無金屬塊，崩裂的刀圈往往會隨渣土一并排出。
(5)開艙檢查這是最常用最直接最可靠的方法，停機后由人工進艙逐個刀具檢查。但是在不穩(wěn)定地層中，開艙前需首先進行地層加固或壓氣作業(yè)，方可入艙檢查。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用隧道掘進機在掘進過程中的掘進參數(shù)檢測刀具是否磨損的方法，以便在施工過程中及時方便地檢測刀具的磨損狀況，盡早更換磨損或失效的刀具。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案一種隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，利用掘進機在掘進過程中的掘進參數(shù)預測刀具的磨損狀況，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集過程，即利用數(shù)據(jù)采集裝置采集掘進過程中的各種掘進參數(shù)；參數(shù)提取過程，即在已經(jīng)采集獲得的掘進參數(shù)中選擇與刀具磨損相關(guān)的參數(shù)，包括掘進速度、總推力、刀盤總扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速；參數(shù)分析過程，即利用相關(guān)參數(shù)計算得出掘進速度或刀盤總扭矩的理論值，通過分析掘進速度或刀盤總扭矩的理論值與實際值之間的偏差值來判斷刀具的磨損狀況。
上述掘進速度理論值由如下關(guān)系式確定v=nKt2·(Tt-T0)2(Wt-W0)2]]>公式中v為掘進速度理論值，Wt為總推力，Tt為刀盤總扭矩，n為刀盤轉(zhuǎn)速，W0和T0分別為掘進機掘進過程所受的摩擦力和摩擦扭矩，Kt由如下關(guān)系式確定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)]]>公式中ri為第i個刀具的旋轉(zhuǎn)半徑，βi為第i個刀具法線與掘進機刀盤旋轉(zhuǎn)軸線的夾角，N為刀盤上的刀具數(shù)量，D為滾刀直徑。
基于上述檢測方法，判斷滾刀是否磨損或失效的方法是在參數(shù)分析過程中，當掘進機掘進一定距離Lx后的掘進速度檢測偏差值比滾刀完好時的掘進速度偏差值大δ時，即可判斷為滾刀顯著磨損。其中，δ是掘進速度檢測偏差值的臨界值，采用滾刀完好情況下的掘進速度檢測偏差值的正常波動范圍表示，其值等于掘進速度檢測偏差值的方差s0，即δ＝s0。
上述掘進速度檢測偏差值通過以下步驟確定(a).掘進機掘進Lx米后，采集nx條掘進參數(shù)記錄(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....nx)，計算得出nx個掘進速度檢測偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvnx)；(b).以所述nx個掘進速度檢測偏差值作為樣本，計算其樣本均值和樣本方差，分別記為(Δvx，sx)。滾刀完好時的掘進速度偏差值通過以下步驟確定(a).在滾刀完好情況下，掘進機掘進L0米，采集n0條掘進參數(shù)記錄(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....n0)，計算得出n0個掘進速度檢測偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvn0)；(b).以所述n0個掘進速度檢測偏差值作為樣本，計算其樣本均值和樣本方差，分別記為(Δv0，s0)。若Δv0-Δvx>δ+tα(n0+nx-2)·sw·1/n0+1/nx,]]>即認為刀具顯著磨損或失效，其中，tα(n0+nx-2)為自由度為(n0+nx-2)，α顯著性水平的t分布值；統(tǒng)計量sw由如下公式確定sw2=(n0-1)·s02+(nx-1)·sx2n0+nx-2]]>公式中n0為滾刀完好情況下掘進L0米后采集到的掘進參數(shù)樣本容量，nx為掘進Lx米后采集到的掘進參數(shù)樣本容量，s0為滾刀完好情況下的掘進速度檢測偏差值的均值和方差，sx為掘進Lx米后掘進速度檢測偏差值的均值和方差。
上述刀盤總扭矩理論值由如下關(guān)系式確定
Tt=T0+Kt·Wt·vn-Kt·W0·vn]]>公式中Tt為刀盤總扭矩理論值，Wt為總推力，v為掘進速度，n為刀盤轉(zhuǎn)速，W0和T0分別為掘進機掘進過程所受的摩擦力和摩擦扭矩，Kt由如下關(guān)系式確定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)]]>公式中ri為第i個刀具的旋轉(zhuǎn)半徑，βi為第i個刀具法線與掘進機刀盤旋轉(zhuǎn)軸線的夾角，N為刀盤上的刀具數(shù)量，D為滾刀直徑。
本發(fā)明所述隧道掘進機刀具磨損的檢測方法推導得出了與刀具磨損相關(guān)的掘進速度、總推力、刀盤總扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速之間的理論關(guān)系式，通過分析掘進速度或刀盤總扭矩的理論值與實際值之間的偏差值來判斷刀具的磨損狀況。一般地，滾刀完好情況下，理論值與實際值之間的偏差值一般比較小；滾刀磨損后，理論值與實際值之間的偏差值將增大，故可通過對比掘進速度或扭矩的理論值與實際值之間的偏差值來判斷滾刀磨損狀況。與傳統(tǒng)的刀具磨損檢測方法相比，本發(fā)明提供了一種具有足夠理論根據(jù)的掘進參數(shù)分析方法，可以更準確的預測和判斷出刀具的磨損狀況，在施工過程中及時方便地檢測出刀具的磨損狀況，盡早更換磨損或失效的刀具，避免導致刀圈超量磨損、斷裂、軸承異常損壞甚至刀盤嚴重磨損等事故的發(fā)生。


圖1為帶有磨損探測器的刮刀原理圖；圖2為掘進機的刀具布置圖；圖3為某硬巖段隧道的地質(zhì)剖面圖；
圖4為掘進過程中的推力曲線圖；圖5為掘進過程中的掘進速度理論值與實際值對比曲線之一；圖6為掘進過程中的掘進速度理論值與實際值對比曲線之二。
具體實施例方式
現(xiàn)代掘進機都配備有先進的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲系統(tǒng)，可以對掘進機掘進過程的各種掘進參數(shù)進行自動采集、記錄。在本發(fā)明中，最基本、最重要的掘進數(shù)據(jù)包括掘進速度、總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速。在總推力、刀盤轉(zhuǎn)速不變的情況下，掘進速度、刀盤扭矩的變化主要與巖層性質(zhì)和刀具磨損狀況有關(guān)，刀具磨損后，掘進速度一般會降低，扭矩也會發(fā)生相應(yīng)變化。一般地，掘進速度和扭矩之間并非獨立的，掘進速度越大，滾刀切入巖石越深，扭矩就越大。因此可以通過分析掘進速度和扭矩的變化來預報刀具的磨損情況。同時，由于掘進速度和刀盤扭矩還受巖石強度的影響，其它條件不變的情況下，巖石強度越大，掘進速度和刀盤扭矩就越低。故還必需研究掘進速度、扭矩與巖石強度的關(guān)系，以便判斷引起掘進速度和扭矩變化的真實原因。
1.滾刀切削力試驗?zāi)Ｐ陀嘘P(guān)滾刀切削力模型，最早是從滾刀切削破巖試驗中得出的，包括切削力與巖石強度、切削深度、切槽間距、切削面積、切削速度、切削半徑、滾刀尺寸、形狀等參數(shù)的關(guān)系，以及垂直切削力和水平切削力之間的關(guān)系等。
(1)切削力與巖石強度、切削深度的關(guān)系Graham(1976)對單軸抗壓強度為140-200Mpa的巖石進行切削試驗，得到的的關(guān)系式為P＝3940Fn/σc(1)式中P——為每轉(zhuǎn)進尺，mm/rev；Fn——滾刀的平均推力，kN；σc——巖石單軸抗壓強度，MPa。
將上式變換后得切削力線性模型Fn＝kn.σc.P (2)式中kn——為切削力系數(shù)，kn＝1/3940Hughes(1986)根據(jù)煤層中的切削試驗數(shù)據(jù)，提出的關(guān)系式為P=1.667(Fnσc)1.2(2D)0.6---(3)]]>式中D——刀直徑，mm，其余符號意義同上。
上式只考慮單個滾刀破巖作用，即不考慮相鄰滾刀對切削力的影響。
將上式變換后得切削力冪模型Fn＝knσcPm(4)式中kn——為切削力系數(shù)，kn＝0.642D0.5＝13.3m——切削深度指數(shù)，m＝0.83。
可見，切削力線性模型只是冪模型的一種特例。
(2)垂直力與水平力的關(guān)系在滾刀切削破巖試驗中，大部分研究人員發(fā)現(xiàn)，滾刀垂直推力與水平滾動力之間是成比例變化的，水平滾動力與垂直推力之比定義為切削系數(shù)。
Roxborough和Phillips(1975)假設(shè)單個滾刀的切削深度就等于TBM的每轉(zhuǎn)進尺，由此得到切削系數(shù)Ce=Fr/Fn=P/(D-P)---(5)]]>式中Fr——滾刀水平滾動力。Ce——切削系數(shù)。
由于實際施工中，滾刀切削深度遠小于滾刀直徑，故式(6)可簡化為Ce=Fr/Fn≈P/D---(6)]]>Hughes(1986)得到的切削系數(shù)關(guān)系式為Ce=Fr/Fn=0.65P/(0.5D)---(7)]]>簡單變換后得到
Ce=Fr/Fn≈0.92P/D]]>可以看出，不同研究者得到的切削系數(shù)表達式基本上是一致的。
2.有效推力、有效扭矩與切削力關(guān)系的推導根據(jù)切削力試驗?zāi)Ｐ途_計算總推力、扭矩等掘進參數(shù)是很復雜的。為簡化起見，不考慮刀尖距對切削力的影響，即假設(shè)每把滾刀的切削深度是相同的。由此得到的推力和扭矩計算公式如下(1)刀盤有效推力計算刀盤有效推力指推動刀具破巖所需的合力，不包括克服掘進機前進的各種摩擦力和土艙土壓力產(chǎn)生的反推力。有效推力由每個滾刀的垂直(法向)推力沿掘進機軸線方向的分力疊加而得W=Σi=1NFni·Cosβi---(8)]]>式中W——刀盤有效推力；Fni——第i個刀具的垂直(法向)推力；βi——第i個刀具法線與隧道掘進機刀盤軸線的夾角；N——刀盤上的刀具數(shù)量。
將式(4)代入上式得W=kn·(Σi=1N·Cosβi)·σc·Pm---(9)]]>(2)刀盤有效扭矩計算刀盤有效扭矩指由刀具切向力對刀盤旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的合力矩，不含刀盤旋轉(zhuǎn)遇到的摩擦力矩。
T=Σi=1NFri·ri---(10)]]>式中T——刀盤有效扭矩；Fri——第i個刀具的水平(切向)切削力；ri——第i個刀具的旋轉(zhuǎn)半徑。
由式(6)得Fr=Fn·P/D]]>
代入式(10)整理得T=kn1D(Σi=1Nri)σc·Pm+0.5---(11)]]>(3)有效推力、扭矩表示的掘進速度式(11)是刀盤扭矩的計算公式，由于公式中含有巖石強度參數(shù)(未知參數(shù))，還無法直接用于扭矩計算，故需進一步變換。
由式(9)得σc=1kn·(Σi=1N·Cosβi)WPm---(12)]]>將上式代入式(11)得T=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)WP---(13)]]>根據(jù)切削深度與掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系P＝v/n，代入上式得T=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi)W·vn---(14)]]>式中v——掘進速度；n——刀盤轉(zhuǎn)速。
對比式(11)，上式已不包含巖石強度參數(shù)，可直接由掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、有效推力、刀具布置坐標參數(shù)計算出有效扭矩，巖石強度對扭矩的影響作用已隱含在掘進速度參數(shù)中。
由式(14)變換得到掘進速度的計算公式v=D·(Σi=1N·Cosβi)2(Σi=1Nri)2·n·T2W2---(15)]]>3.總推力、總扭矩表示的掘進速度檢測式上述關(guān)系式(14)和(15)是由單個滾刀切削力模型推導出的，式中對應(yīng)的推力、扭矩是直接作用于破巖的有效推力和有效扭矩，不包括盾殼摩擦力和后續(xù)臺車牽引力，也不包括刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力。而實際施工過程中還難以直接量測有效推力和有效扭矩，所記錄的是包括各種摩擦力的總推力和總扭矩，故直接應(yīng)用式(15)檢測掘進速度將產(chǎn)生較大的誤差，還必須進一步對式(15)進行變換。
分別記總推力為Wt、總扭矩為Tt，則W＝Wt-W0；T＝Tt-T0(16)式中W0、T0分別為掘進機掘進過程所受摩擦力和摩擦扭矩。記Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N·Cosβi),]]>代入式(14)得Tt-T0=Kt·(Wt-W0)·vn]]>移項得Tt=T0+Kt·Wt·vn-Kt·W0·vn---(17)]]>根據(jù)上式可采用回歸方法求出W0、T0，回代入式(15)得到v=nKt2·(Tt-T0)2(Wt-W0)2---(18)]]>關(guān)系式(17)和(18)是在滾刀完好情況下建立起來的總扭矩與總推力、掘進速度之間關(guān)系的半理論半經(jīng)驗公式，可直接采用掘進過程記錄的總推力、總扭矩計算掘進速度。一般地，滾刀完好情況下，理論值與實際值之間的偏差值一般比較小；滾刀磨損后，理論值與實際值之間的偏差值將增大，故可通過對比掘進速度或扭矩的理論值與實際值之間的偏差值來預報滾刀磨損狀況。
4.滾刀磨損或失效的判斷方法設(shè)滾刀完好情況下，掘進了L0米，采集了n0條掘進參數(shù)記錄(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....n0)，按照式(18)計算出對應(yīng)的n0個掘進速度檢測偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvn0)，可看作一個隨機樣本，其樣本均值和樣本方差分別記為(Δv0，s0)；繼續(xù)掘進Lx米后，又采集了nx條掘進參數(shù)記錄，同樣得到nx個掘進速度檢測偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvnx)，其樣本均值和樣本方差分別記為(Δvx，sx)，則判斷掘進機繼續(xù)掘進Lx米后，滾刀是否明顯磨損就等同于判斷兩個隨機樣本的均值差是否大于某一設(shè)定值δ，故可運用數(shù)理統(tǒng)計的t檢驗法來判斷。
構(gòu)造下列統(tǒng)計量sw2=(n0-1)·s02+(nx-1)·sx2n0+nx-2---(19)]]>式中n0——滾刀完好情況下掘進L0米后采集到的掘進參數(shù)樣本容量；nx——繼續(xù)掘進Lx米后采集到的掘進參數(shù)樣本容量；Δv0，s0——分別為滾刀完好情況下的掘進速度檢測偏差值的均值和方差；Δvx，sx——分別為掘進Lx米后掘進速度檢測偏差值的均值和方差；要檢驗的假設(shè)為H0Δv0-Δvx＝δ；H1Δv0-Δvx＞δ，若Δv0-Δvx>δ+tα(n0+nx-2)·sw·1/n0+1/nx---(20)]]>式中δ——掘進速度檢測偏差值的臨界值，采用滾刀完好情況下的掘進速度檢測偏差值的正常波動范圍表示，其值等于掘進速度檢測偏差值的方差s0，即δ＝s0。當掘進Lx后掘進速度檢測偏差值比滾刀完好情況下的掘進速度偏差值大δ時，判斷滾刀顯著磨損；tα(n0+nx-2)——自由度為(n0+nx-2)，α顯著性水平的t分布值，可查數(shù)理統(tǒng)計表得到。
則在顯著性水平α下，拒絕H0，接受H1，即認為刀具顯著磨損或失效。
具體實施例以廣州市軌道交通四號線大學城專線[大學城～小谷圍盾構(gòu)區(qū)間]盾構(gòu)工程硬巖段掘進過程的滾刀磨損情況檢測為例，進一步說明本發(fā)明的檢測方法1.工程概況該工程線路總長度4000m，由兩條圓形隧道組成，隧道內(nèi)徑5.4米，線間距約13m，覆土厚度5～30m。設(shè)計采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機采用日本三菱公司生產(chǎn)的土壓平衡式復合盾構(gòu)機。刀盤開挖直徑6290mm，開口率為37％。刀盤上可根據(jù)不同地層安裝刮刀、先行刀、滾刀、魚尾刀等刀具，其中硬巖段掘進，刀盤上共配備了8把雙刃中心滾刀和23把單刃滾刀(如圖2所示)。刀盤中心區(qū)和正面區(qū)滾刀刀間距為90mm，邊緣區(qū)域滾刀刀間距在12～32mm之間。
隧道主要在II類圍巖和III類圍巖中穿過(南部和北部隧道)，中部約有300米的全斷面IV類、V類圍巖。硬巖段巖性以上元古界震旦系的灰、青灰色中等風化混合巖<8Z>和微風化混合巖<9Z>為主，其中<9Z>微風化混合巖，巖石完整而堅硬，天然單軸極限抗壓強度fc＝31.50～77.9MPa，平均53.44Mpa。硬巖段隧道線路縱剖面圖如圖3所示。
2.硬巖段掘進滾刀磨損情況右線始發(fā)以來，在土層及巖土交替地層中(主要為<6Z>、<7Z>、<8Z>地層)掘進約700米，累計更換滾刀107把，其中約80％滾刀出現(xiàn)偏磨失效。2005年3月3日右線盾構(gòu)機過中間風井后即進入<9Z>全斷面微風化硬巖。硬巖段采用開艙模式掘進，總推力10000-25000KN，扭矩500-1500KN·m，掘進速度10-30mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速3.1rpm。由于混合巖研磨性高，刀具磨損嚴重。從552環(huán)整盤新刀開始二次始發(fā)掘進，掘進至666環(huán)，共掘進171米，進艙換刀10次，累計更換滾刀36把，平均每把滾刀掘進4.75m，詳見表1。
硬巖段刀具失效的主要形式有正常磨損、偏磨、刀圈斷裂等，與巖土交替地層相比，偏磨已有所減少，但仍約占30％。

表1右線全斷面硬巖段滾刀磨損情況統(tǒng)計表3.滾刀磨損或失效的預報(1)掘進速度檢測式的建立預報工作從2005年3月26日第6次換刀后開始。該次換刀7把，換刀數(shù)量較多，換刀后掘進第一環(huán)(即624環(huán))時可以認為滾刀處于完好狀態(tài)。故以624環(huán)的掘進參數(shù)作為基準建立總推力、總扭矩表示的掘進速度檢測式如下v=(Tt-159)2(0.00614·Wt+58.6)2---(21)]]>由于刀盤轉(zhuǎn)速在掘進過程保持不變，故上式中不含刀盤轉(zhuǎn)速。掘進過程中的推力曲線如圖4所示。根據(jù)上式得到的624環(huán)掘進速度理論值與實際值對比曲線如圖5所示?？梢姡蜻M速度理論值與實際值的變化規(guī)律非常吻合。
(2)掘進速度的檢測在624環(huán)(點序號227-300)的后續(xù)掘進過程及時將各環(huán)的掘進參數(shù)代入式(21)計算出掘進速度的理論值，并將理論值與實際值進行對比(如圖6所示)。
從圖6可見，當掘進至628環(huán)(點序號606-680)時，實際掘進速度明顯比檢測的掘進速度理論值低，據(jù)此可初步判斷，掘進至628環(huán)時有部分滾刀可能已明顯磨損或失效；到637環(huán)(點序號1386-1461)時，實際掘進速度與掘進速度理論值又逐漸接近，查看換刀記錄(表1)，在637環(huán)更換了4把滾刀，刀圈高度已磨損25-35mm，換刀記錄與檢測速度的變化情況是相吻合的。后續(xù)其它各次換刀記錄與檢測速度的變化情況均是相吻合的(如圖6所示)。
(3)滾刀磨損或失效的判斷以上根據(jù)掘進速度曲線變化情況可粗略判斷滾刀磨損情況，由于在滾刀完好情況下，掘進速度也會產(chǎn)生較大的波動，為了消除這種掘進速度的隨機波動產(chǎn)生的誤判，需運用數(shù)理統(tǒng)計的t檢驗法來對掘進速度檢測偏差值進行檢驗判斷。取顯著性水平α＝0.01，即當掘進速度檢測偏差值比滾刀完好情況下的掘進速度偏差值波動范圍s0大時，我們以99％的概率判斷滾刀顯著磨損。據(jù)此分別對各環(huán)掘進速度檢測偏差值進行檢驗，部分檢驗結(jié)果如表2所示?？梢姡瑥?28環(huán)開始有滾刀出現(xiàn)顯著磨損，637環(huán)換刀后掘進速度檢測值又恢復正常，故檢測結(jié)果與實際換刀情況是相吻合的。

表2右線滾刀磨損情況檢驗結(jié)果綜合上述檢測結(jié)果表明，將滾刀臺架切削破巖試驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用于現(xiàn)場掘進參數(shù)的計算的原理是正確的；據(jù)此得到的掘進速度理論值和實際值變化趨勢是一致的；刀具磨損情況檢測結(jié)果與實際換刀情況是相吻合的。同時也證明本發(fā)明所述隧道掘進機刀具磨損的檢測方法是切實可行的。
權(quán)利要求
1.一種隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，利用掘進機在掘進過程中的掘進參數(shù)預測刀具的磨損狀況，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集過程，即利用數(shù)據(jù)采集裝置采集掘進過程中的各種掘進參數(shù)；參數(shù)提取過程，即在已經(jīng)采集獲得的掘進參數(shù)中選擇與刀具磨損相關(guān)的參數(shù)，包括掘進速度、總推力、刀盤總扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速；參數(shù)分析過程，即利用相關(guān)參數(shù)計算得出掘進速度或刀盤總扭矩的理論值，通過分析掘進速度或刀盤總扭矩的理論值與實際值之間的偏差值來判斷刀具的磨損狀況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述掘進速度理論值由如下關(guān)系式確定v=nKt2·(Tt-T0)2(Wt-W0)2]]>公式中v為掘進速度理論值，Wt為總推力，Tt為刀盤總扭矩，n為刀盤轉(zhuǎn)速，W0和T0分別為盾構(gòu)掘進過程所受的摩擦力和摩擦扭矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述關(guān)系式中Kt由如下關(guān)系式確定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N··Cosβi)]]>公式中ri為第i個刀具的旋轉(zhuǎn)半徑，βi為第i個刀具法線與掘進機刀盤旋轉(zhuǎn)軸線的夾角，N為刀盤上的刀具數(shù)量，D為滾刀直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述參數(shù)分析過程中，當掘進機掘進一定距離Lx后的掘進速度檢測偏差值比滾刀完好時的掘進速度偏差值大δ時，即可判斷為滾刀顯著磨損，其中，δ是掘進速度檢測偏差值的臨界值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，臨界值δ采用滾刀完好情況下的掘進速度檢測偏差值的正常波動范圍表示，其值等于掘進速度檢測偏差值的方差s0，即δ＝s0。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述掘進速度檢測偏差值通過以下步驟確定a.掘進機掘進Lx米后，采集nx條掘進參數(shù)記錄(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....nx)，計算得出nx個掘進速度檢測偏差值(Δv1，Δv2，Δv3，...Δvnx)；b.以上述nx個掘進速度檢測偏差值作為樣本，計算其樣本均值和樣本方差，分別記為(Δvx，sx)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述滾刀完好時的掘進速度偏差值通過以下步驟確定a.在滾刀完好情況下，掘進機掘進L0米，采集n0條掘進參數(shù)記錄(Tti，Wti，vti，ni，i＝1，2，3，....n0)，計算得出n0個掘進速度檢測偏差值(Δv1，Δv2，Δv3...Δvn0)；b.以上述n0個掘進速度檢測偏差值作為樣本，計算其樣本均值和樣本方差，分別記為(Δv0，s0)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一權(quán)利要求所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，若Δv0-Δvx>δ+tα(n0+nx-2)sw·1/n0+1/nx,]]>即認為刀具顯著磨損或失效，其中，ta(n0+nx-2)為自由度為(n0+nx-2)，α顯著性水平的t分布值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述關(guān)系式中的統(tǒng)計量sw由如下公式確定sw2=(n0-1)·s02+(nx-1)·sx2n0+nx-2]]>公式中n0為滾刀完好情況下掘進L0米后采集到的掘進參數(shù)樣本容量，nx為掘進Lx米后采集到的掘進參數(shù)樣本容量，s0為滾刀完好情況下的掘進速度檢測偏差值的均值和方差，sx為掘進Lx米后掘進速度檢測偏差值的均值和方差。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述刀盤總扭矩理論值由如下關(guān)系式確定Tt=T0+Kt·Wt·vn-Kt·W0·vn]]>公式中Tt為刀盤總扭矩理論值，Wt為總推力，v為掘進速度，n為刀盤轉(zhuǎn)速，W0和T0分別為掘進機掘進過程所受的摩擦力和摩擦扭矩。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，其特征在于，所述關(guān)系式中Kt由如下關(guān)系式確定Kt=Σi=1NriD·(Σi=1N··Cosβi)]]>公式中ri為第i個刀具的旋轉(zhuǎn)半徑，βi為第i個刀具法線與掘進機刀盤旋轉(zhuǎn)軸線的夾角，N為刀盤上的刀具數(shù)量，D為滾刀直徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隧道掘進機掘進過程中刀具磨損的檢測方法，利用掘進機在掘進過程中的掘進參數(shù)預測刀具的磨損狀況，包括數(shù)據(jù)采集過程，即利用掘進機上配備的數(shù)據(jù)采集裝置采集掘進過程中的各種掘進參數(shù)；參數(shù)提取過程，即在已經(jīng)采集獲得的掘進參數(shù)中選擇與刀具磨損相關(guān)的參數(shù)，包括掘進速度、總推力、刀盤總扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速；參數(shù)分析過程，即利用相關(guān)參數(shù)計算得出掘進速度或刀盤總扭矩的理論值，通過分析掘進速度或刀盤總扭矩的理論值與實際值之間的偏差值來判斷刀具的磨損狀況。本發(fā)明可以實現(xiàn)在施工過程中及時地檢測刀具的磨損狀況，盡早更換磨損或失效的刀具，避免導致刀圈超量磨損、斷裂、軸承異常損壞甚至刀盤嚴重磨損等事故的發(fā)生。
文檔編號G06F19/00GK1818640SQ20061003401
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月3日
發(fā)明者張厚美 申請人:廣州市盾建地下工程有限公司