盾构滚刀磨损监测技术分析

盾构滚刀磨损监测技术分析

钟永晓

(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心广东广州510530)

[摘要]盾构法是城市地下工程掘进应用广泛的施工技术，而盾构所使用的刀具在盾构法施工中占据决定性因素。盾构滚刀的磨损，根据其形态特征、磨损程度，可分为均匀磨损、非均匀磨损、刀圈崩裂，为了保证盾构掘进的安全，通常需对盾构滚刀的磨损建立相应的刀具磨损实时监测系统。本文分析了今年国内盾构滚刀磨损监测的几种常规方案，并展望了今后滚刀磨损监测的发展方向。

[关键词]盾构掘进；滚刀；磨损监测；技术分析

1概述

盾构法是城市地下工程掘进应用广泛的施工技术，而盾构掘进所使用的刀具在盾构法施工中占据决定性因素。盾构掘进刀具可分为滚刀和切削刀两种类型，硬岩中采用滚刀，软土地层常采用切削刀[1]。复合地层的不均匀性容易加速盾构施工中滚刀的磨损，直接影响盾构掘进效率[2]。盾构滚刀的磨损，根据其形态特征、磨损程度，可分为均匀磨损、非均匀磨损、刀圈崩裂[3]。为了保证盾构掘进的安全，通常需对盾构滚刀的磨损建立相应的刀具磨损实时监测系统[4]。本文分析了近几年国内盾构滚刀磨损监测的相关专利申请，介绍了国内主要申请人关于滚刀磨损监测的几种常规方案，并基于当前技术现状进行了总结，对未来滚刀监测技术的发展作了展望。

2盾构滚刀磨损监测技术现状

2.1滚刀磨损监测

滚刀是盾构掘进中的主要刀具之一，仅从结构上看滚刀的组成结构是较为简单的，但其破岩量大、破岩效率很高，特别是在硬质岩层中具有良好的破岩效率，应用广泛且受到好评。随着盾构刀盘的掘进，滚刀随之发生不可避免的磨损，技术人员需结合其损坏程度，定期对盾构滚刀进行检查与更换。从制造使用成本、更换时间等角度考量，都需尽可能充分利用滚刀的寿命，但前提是保证掘进的安全性，这就需要盾构刀盘具备可靠的监测系统。现阶段，为了尽可能准确反应出盾构滚刀的磨损情况，盾构机通常都设有相应的磨损监测显示单元，尽管产品形式多种多样，但最终的目的都是为了便于技术人员对滚刀磨损程度进行管控。

2.2基于传感器的磨损监测技术

该磨损监测手段基于传感器进行设计，其中一类需要盾构机刀盘内的油压系统进行配合实现，主要原理是将刀体内部空腔连接油路，注入的液压油具备一定的压力到达刀体的各个刀刃，输油系统配备压力传感器（或压力表），当滚刀出现磨损时就会发生漏油现象，导致油压发生变化，进而技术人员可以从压力传感器（或压力表）直观得到磨损量变化。此类监测手段结构简单，可操作性强，结果较为准确，例如专利文献CN202117682U、CN102251779A所公开的监测方案。

另一类则是多个传感器配合监测的形式，例如专利文献CN108827159A所公开的滚刀磨损监测装置，该装置首先在控制器上设置压力传感器，利用压力传感器传送压力信号，控制器根据压力值控制升降装置运动，进一步通过设置的激光传感器计算其与滚刀之间的间隙变化，获得滚刀磨损量，还可以通过重力加速度传感器的设置获得滚刀磨损材料的压痕深度值。

2.3基于发光原理的磨损实时监测技术

该监测技术属于一种直观式的监测手段，其特点是实用性强，有利于人员的安全，主要利用特殊物质的发光原理，直接观测滚刀的磨损情况。例如中铁隧道集团有限公司的专利文献CN106931886A，其公开了一种利用绿色荧光粉的反光原理来快速检测滚刀磨损程度的系统，为了使得观测更为直观，该方案还设计了与绿色荧光粉相配合的紫光芯片，并利用实时监控系统加以辅助，从而有效监测滚刀磨损量以及磨损方式。此类监测技术本质都是利用了特殊物质的发光原理，操作性强，且成本较低，具有实用性。

2.4基于数据转换的磨损监测技术

该监测技术有别于前述传感器直接输出或利用反光原理直接观测的监测手段，其最主要的特点是在获得监测数据后，需要进行数据转换才能得到滚刀的实际磨损量。例如中铁工程装备集团有限公司的专利文献CN108181484A，其在滚刀刀圈均匀设置四个感应磁铁，即将滚刀刀圈分成四个象限，通过测量滚刀的实际转速，进一步计算出滚刀旋转1/4周所消耗的时间，计算滚刀旋转时刀圈磨损量，进而利用三阶贝塞尔曲线拟合出滚刀轮廓磨损曲线，从而获得滚刀磨损量。相比于数学思维方式的转换，利用监测数据直接在监控显示装置上显示结果更为直接，这种方案主要是利用了计算机技术代替传统的数据转换，在实效性方面更为突出，例如专利文献CN108387261A，该监测方式实现了滚刀磨损量的可视化管理，能够直接帮助司机判断刀具使用情况。基于数据转换的磨损监测，在使用过程中，还可以设计成相对独立、便于携带的检测仪形式，例如专利文献CN108317956A，除了具备监测性能上的优势外，在工业产品上能够形成便携式小尺寸，技术人员根据需要进行使用测量。

3总结与展望

目前，国内大中小企业对盾构滚刀磨损均开展了大量研究，也形成了具有可操作性的监测方案，不同的监测方案各具特点，在使用过程中通常要综合制造成本、可操作性、技术实现难以程度等多因素进行考量。基于传感技术的监测是当前的主流监测手段，传感器本身由于成本相对较低，品种多样，在市场上容易获得，其在感应滚刀磨损量监测上基本能够满足需求，因此基于传感器的监测技术在当前市场上具有较大优势。

随着技术的进步，在传统监测手段方面，需要紧跟时代的步伐，例如随着5G技术的商用，在监测数据传输方面可以考虑融入5G通信技术，其能够有效提高数据传输速度和效率，进一步保证监测数据的准确性。同时，国内各大厂商应密切留意日本、德国等盾构制造强国的技术发展，学习吸收最新的滚刀监测技术，从知识产权方面着手，发展自身实力。

[参考文献]

[1]刘晓毅.复合地层中盾构机滚刀磨损原因分析及改进[J].隧道建设，2006

[2]陈磊等.国内盾构机滚刀磨损的研究概况[J].热处理技术与装备，2011

[3]竺维彬等.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术，2006

[4]孙志洪.复合盾构滚刀磨损的无线实时监测系统[J].隧道建设，2016