基于超声波的盾构切刀磨损无线检测系统研究

刘招伟, 王百泉, 尚 伟

(1. 中铁电气化局集团公司， 北京 100036； 2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院, 广东 广州 511455)

基于超声波的盾构切刀磨损无线检测系统研究

刘招伟1, 王百泉2, 尚 伟2

(1. 中铁电气化局集团公司， 北京 100036； 2. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院, 广东 广州 511455)

刀具磨损检测已经成为盾构法施工隧道的关键技术之一，也是施工遇到的最大难题之一。为实现实时探查复杂地质条件下刀具磨损情况，掌握刀具磨损变化规律，及时更换刀具，减少盾构被迫停机次数，加快施工进度，结合超声波检测技术及无线通讯技术，研发一套盾构切刀磨损检测系统。现场应用证明： 1)系统检测结果与实际测量结果一致性较好，超声波检测技术可用于盾构刀具磨损检测； 2)433 MHz频段无线通讯技术传输信号准确、可靠，可用于盾构刀具在线实时测量； 3)检测系统运行状态稳定，其方案设计合理，具有抗振、抗干扰和防水的性能。

盾构； 切刀； 磨损； 超声波； 无线； 检测

0 引言

随着国民经济的发展和科学技术的进步，我国工程建设迎来了快速发展时期。盾构是一种用于隧道开挖的大型高科技施工装备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度的优点。盾构法已经成为隧道开挖常用的方法。

盾构在穿越软硬不均段及中风化花岗岩等不良地质体时会出现刀具磨损严重、刀盘扭矩增大和掘进困难等现象，致使被迫停机、开舱换刀。这样会增大卡盾、掌子面坍塌等施工风险，同时也严重威胁换刀人员的安全，对隧道施工周期、成本造成严重影响，故需要对盾构刀具检测进行深入研究。工程中已有较多的应用方法，其中开舱检验法的检测结果最为准确，但是风险较大。文献[1]对气味法、液压法等感应方法进行了说明； 文献[2]对通电式刀具检测法进行了研究。以上方法只能在刀具磨损到一定程度时产生指示，不能实现实时检测。掘进参数分析法原理上能够实现动态检测刀具磨损状态。文献[3-7]对该方法进行了系列研究，但是由于影响盾构刀具磨损的因素较多，数据量较少，其准确性不高。文献[8]分析了多种检测方法，指出超声波检测法是唯一可进行实时检测磨损的方法。文献[9]分析了盾构刀具磨损检测的发展方向，指出超声波传感器可用于盾构切刀的磨损检测。文献[10]研究了新型超声波式盾构刀具磨损检测系统，提出RS-485通讯方式可实现连续检测，具有实时显示的功能。文献[11]对盾构刀具磨损超声波检测系统进行了室内试验研究，提出探头与测线连接部位容易渗入液体，影响检测结果。盾构刀盘在工作状态下是转动的，RS-485 通讯方式布线有困难，文献[10-11]只进行了室内研究，缺乏现场应用实例，难以推广应用。

采用超声波检测技术和无线通讯技术，对盾构切刀磨损检测进行研究，并研制出一套检测系统。相对于现有的检测技术而言，该检测系统能够在线实时检测盾构切刀的磨损状态，精度和准确性较高，且采用无线通讯技术，可以解决布线困难的问题，使检测系统的结构更为简单、可靠，便于推广应用。本文将对超声波检测技术的可行性、传感器安装、信号通讯、数据处理以及现场应用情况进行介绍。

1 盾构刀具磨损超声波检测的可行性研究

1.1测量原理可行性分析

超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当超声波换能器发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回超声波换能器，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。按此原理设计的测厚仪可对各种板材和各种加工零件进行精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度，可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空和航天等各个领域。

与传统的测量方法相比，超声波检测的优点在于其只要求接触被测工件的一面即可完成厚度测量。盾构切刀磨损检测对象为合金刀头，在工作时无法直接测量其工作面的磨损量，可在合金刀头底面采用超声波检测其厚度，根据合金刀头厚度的变化，从而达到测量其磨损量的目的。

1.2超声波换能器性能分析

超声波换能器安装固定在盾构切刀刀体内部，是检测系统的重要组成部分。由于其工作在高温、潮湿、剧烈振动的恶劣环境中，选用性能稳定、可靠的换能器是超声波无线检测系统研发的首要任务。

常见超声波换能器技术参数如下。

1)测量精度： ±(0.5%H+0.01) mm，H为被测物实际厚度。

2)分辨率： 0.1 mm/0.01 mm。

3)测量范围： 0.65～600 mm。

4)声速范围： 1 000～9 999 m/s。

5)工作频率： 0.4～5 MHz。较低的频率用于粗晶材料和衰减较大材料的检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度材料的检测。

盾构切刀耐磨块厚度一般为40～60 mm。在磨损检测中，主要是研究切刀磨损规律、掌握切刀磨损量，为盾构换刀作业提供参考。结合超声波换能器相关技术参数进行分析，其测量精度、分辨率、测量范围等均满足切刀耐磨块厚度的测量要求。鉴于切刀耐磨块合金属于细晶材料，宜采用5 MHz高频检测。

2 检测系统数据传输方式研究

超声波检测系统数据的传输方式包括有线传输方式和无线传输方式。有线传输方式受限于刀盘刀具的工作环境，故不推荐采用。相比较而言，无线传输方式更适合用于盾构切刀磨损检测的需求。下文对有线传输方式进行简要说明，重点介绍信号的无线传输。

2.1有线传输方式

采用有线传输方式时，数据线和电源线的安装是难以解决的问题。需通过盾构中心旋转接头安装特殊的旋转接口，在中心旋转接头出厂前进行设计、制造完成。旋转接口存在磨损，影响使用寿命，且工作环境复杂，现有技术水平条件下难以解决，故不建议使用。

2.2无线传输方式

无线通讯技术是采用调制技术将特征信号与高频载波合成，利用高频载波传输距离远的特点，将特征信号传播到远处的信号接收装置。该装置可以将接收到的高频信号进行解调，获取有价值的特征信号。

相对于有线传输方式，无线传输方式的优点如下：

1)无线传输方式布线简便，集成化程度高。

2)不需要对盾构中心旋转接头进行专门设计、制造，即可实现刀具检测数据传输功能。

目前，常用的无线通讯技术主要有ZigBee、蓝牙、红外、Wi-Fi和433 MHz等。ZigBee有效传输距离较短，穿透障碍物的能力较差。蓝牙技术主要用于手机、电脑及其附件之间的无线数据通讯，传输距离短、速率低，在2 m内易受其他信号干扰。红外通讯技术波长短、绕射能力差，适合近距离、点对点无线传输，易受障碍物影响。Wi-Fi无线通讯技术工作频率高、波长小、绕射能力差，遇到障碍物时，无线信号的覆盖强度会减弱，影响传输效果。433 MHz工作频段的无线通讯技术频率低，波长较大，信号传输过程衰减较小，绕射能力强，无线通讯的有效传输距离可大于10 m，可确保在通讯环境恶劣的场合下实现信号的可靠传输。

无线信号在空气中传输时的损耗

Los=32.44+20lgd+20lgf。

(1)

式中： Los为传输损耗，dB；d为距离，km；f为工作频率，MHz。

由式(1)可知： 1)传输过程信号的损耗与工作频率成正比，即工作频率越高传输过程的损耗越大； 2)在同样传输损耗的情况下，无线传输距离与工作频率成反比，即工作频率越高无线传输距离越短。

结合盾构切刀的工作环境，因地层结构复杂，无线信号传输易受干扰。若无线信号的发射频率过小，则发射信号不能到达接收端； 若发射频率过大，则耗费电池电量较大，无法保证长时间持续提供电量，同时信号的有效传输距离也会降低。文献[12-16]对地层中无线通讯技术进行了研究，认为300～1 000 MHz为比较适合盾构环境下的无线传输工作频率； 并且市场上该类产品较多，技术较为成熟，故采用433 MHz频段的无线通讯技术。该频段无线电波波长较大，具有较强的绕射能力，可穿越泥浆岩石层，在一定角度范围内，确保接收端都能够接收到无线信号。

3 盾构切刀磨损检测无线通讯装置方案设计

盾构切刀磨损检测无线通讯装置主要包括超声波换能器、检测刀具、耦合剂、数据采集与发射(无线模块)、数据接收与发送(无线模块)、数据处理等，如图1所示。

1—检测刀具(含超声波换能器、耦合剂)； 2—数据采集与发射(含电源)； 3—刀盘； 4—前盾； 5—前盾气垫舱； 6—中盾； 7—数据接收与发送； 8—信号线； 9—数据处理终端。

图1盾构刀具磨损超声波检测装置原理示意图

Fig. 1 Sketch of working principle of ultrasonic device for shield cutting tool wear detection

检测装置采用超声波换能器对切刀耐磨块的厚度进行实时测量，并由数据采集与发射模块以433 MHz无线通讯方式将数据信息传至数据接收与发送模块，再由数据接收与发送模块以RS-485总线通讯技术将信号传至盾构控制室内PC机，并由盾构刀具磨损检测系统软件进行数据处理。该装置具有自动测量、手动测量、电量显示、报警和数据自动保存等功能。

3.1数据采集与发射系统结构设计

数据采集与发射系统由检测刀具、超声波换能器、数据采集与发射模块、防护罩等组成，如图2所示。

1—合金刀头； 2—耦合剂； 3—超声换能器； 4—刀体； 5—弹簧； 6—顶杆； 7—数据线； 8—锁紧密封头； 9—保护罩； 10—信号采集与发射模块； 11—防护罩； 12—顶杆； 13—环氧板； 14—法兰。

图2数据采集与发射结构设计示意图

Fig. 2 Sketch of data acquisition and emission structure design

在不影响盾构切刀强度与使用功能的条件下，对切刀进行适应性改造，以便于超声波换能器的安装，从而保证数据测量的准确性。根据换能器外型尺寸的大小，在切刀刀体尾部端面上加工一个通孔，孔径大小以恰好放入换能器为宜，孔的末端有部分螺纹，用于安装顶杆。在顶杆尾端螺纹上涂抹密封胶，采用顶杆与弹簧将超声换能器压紧在切刀耐磨块底部。

同时，超声换能器数据线由顶杆中间预留孔内引出，和数据采集与发射模块连接，在数据线引出和接入孔处使用锁紧螺母进行锁紧密封。再由耦合剂预留孔向换能器处注入耦合剂，并封堵预留孔，防止耦合剂泄漏和外界泥土、水等杂质侵入，从而影响超声换能器的正常工作。在切刀尾部设计防护罩，防止数据采集与发射模块、数据线等被渣土重击而导致损坏。数据采集与发射模块数据信息由环氧板一侧发射出去。

3.2数据接收与发送系统结构设计

数据接收与发送系统由固定法兰、环氧树脂板、数据接收与发送模块、数据线接口等组成，如图3所示。该部分结构是由盾构盾体前隔板电液通道进行改造而成，将环氧树脂板、数据接收与发送模块联接在固定法兰上，固定法兰安装在盾构前盾前侧隔板上。数据与电源线由盾构主控室PC机沿盾构专用电液通道接入前盾，通过电液通道尾部接口接入数据接收与发送模块，并对接口进行密封处理。

盾构切刀磨损量数据信息由数据接收与发送模块通过环氧树脂板一侧接收，经由数据接收与发送模块处理后，由数据线传至主控室PC机，并形成刀具磨损曲线及信息文档。

(a) 右视图

(b) 主视图

(c) 局部视图

1—固定法兰； 2—环氧树脂板； 3—数据接收与发送； 4—数据线接口。

图3数据接收与发送单元
Fig. 3 Data receiving and sending cell

3.3数据处理系统

结合盾构切刀磨损超声波无线检测系统工作原理及特点，专门设计了盾构刀头磨损在线测量系统，主界面主要分为命令控制区、数据显示区、波形显示区和状态显示区。操作界面可显示刀具磨损量、电源剩余电量、数据存储、数据导出、耦合剂报警、磨损量报警和通讯报警等功能，如图4所示。

图4 刀具磨损数据采集用户界面Fig. 4 User interface of cutting tool wear data acquisition

在用户界面上设置了3把检测刀具的相应功能。打开数据采集系统应用软件后，首先在命令控制区选择需要采集的磨损刀具的编号，然后单击“开始采集”命令。采集到的数据将会在数据显示区和波形显示区共同显示，并及时以采集的时间为文件名，以excel文件格式自动保存，以便后期对数据进行分析。在数据显示区，每把检测刀具的数据采集与发射模块的电池电量也将显示出来，为及时更换电池或充电提供可靠的信息。波形显示区左上角的曲线工具可以实现波形的拉伸、移动和缩放等操作，以便于观察。在检测过程中，刀具检测系统的状态会显示在状态显示区，“通讯”信号灯亮表示所选检测刀具的通讯系统正常工作，不亮表示未被选择或者出现故障。“耦合剂”指示灯用来显示超声换能器与合金刀头是否耦合良好，灯亮表示耦合状态良好，不亮表示未被选择或者耦合出现故障。“报警灯”用于显示是否达到规定的磨损量，当达到规定的磨损量时，该指示灯亮。

4 现场应用

4.1工程概况

南昌市轨道交通2号线一期工程土建04标段路线起于地铁大厦站(不含)，止于阳明公园站(不含)，含2站4区间及1座中间风井，区间隧道下穿赣江，线路全长4 339 m。其中，红谷中大道站—阳明公园站区间长度为2 343 m，隧道穿越软硬不均、全断面泥质粉砂岩等地层，岩石强度为30 MPa。区间整体如图5所示。

图5 区间整体图Fig. 5 Plan of layout of project

4.2检测系统使用情况

为实现检测系统数据收集和分析，在中铁161号盾构安装了3套刀具磨损检测系统。 2016年10月1日—2017年1月11日，盾构掘进714环，共计856.8 m。期间经过236 m上软下硬地层，620.8 m全断面泥质粉砂岩。截至目前，盾构切刀磨损超声波无线检测系统工作正常，刀具合金厚度初始值、磨损量检测数据、开舱检测数据等如图6、图7和表1所示。

为保证盾构在全断面泥质粉岩顺利掘进，在盾构掘进至419环时，项目部于2016年12月12—18日组织了开舱检查和刀具更换工作。经开舱检查核对，3把检测刀磨损量与数据处理系统的检测数据一致，证明盾构切刀磨损超声波无线检测系统性能可靠，检测数据准确，如图8、图9和表1所示。

图6 初始界面 Fig. 6 Initial interface

图7 检测数据与曲线Fig. 7 Detection data and curves

表1 切刀磨损量部分统计数据Table 1 Part of statistics of cutter wear

图8开舱检查刀具
Fig. 8 Cutting tool checking by chamber opening

图9 开舱测量刀具磨损Fig. 9 Cutting tool wear measuring by chamber opening

5 结论与讨论

1)对超声波检测技术在盾构刀具磨损检测方面的可行性进行了分析，设计了一套检测系统，并进行了现场应用，验证了盾构刀具超声波无损检测的可行性。

2)通过对超声波检测系统数据传输技术的研究，研发出一种超声波式盾构刀具耐磨块磨损量无线实时检测系统，完成了检测系统的软件和硬件配置，解决了盾构刀具磨损超声波检测系统的数据传输、在线实时测量等技术难题。

3)提出了盾构刀具超声波无线检测系统中超声波换能器、刀具测点设置、信号采集与传输、实时显示和分类报警等设计方案，现场验证安全可靠，解决了系统的安装、抗振、抗干扰及防水设计等问题，提高了检测系统的稳定性和精度。

4)由于现场应用时间有限，该系统的耐久性及电池更换时间尚未有定论，一种系统的耐久性应当经过多次且较长时间的验证，可在今后继续开展类似的现场试验。

5)经过泥水盾构现场应用试验，表明泥水盾构刀具温度对测量精度基本没有影响。

6)该系统可用于检测切刀、边刮刀等固定类刀具，以及刀盘面板。

7)在土压平衡盾构上应用该系统的现场试验研究是今后研究的方向之一。

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StudyofWirelessDetectionSystemofShieldCutterWearBasedonUltrasonic

LIU Zhaowei1, WANG Baiquan2, SHANG Wei2

(1.ChinaCRECRailwayElectrificationBureauGroup,Beijing100036,China; 2.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511455,Guangdong,China)

The cutting tool wear detection of shield has become one of the key technologies of shield tunneling construction; also it is one of the greatest difficulties during shield tunneling construction. In order to realize real-time detection of the wear conditions and wear laws of cutting tool in complex geology, timely cutting tool replacement, reduction of unpurposed shield stop and speeding up construction schedule, a series of shield cutting tool wear detection system is developed based on ultrasonic detection technology and wireless communication technology. The application of the system shows that: 1) The detection results of the system coincide with the monitoring results well, which illustrates that the ultrasonic technology is available for shield cutting tool wear detection. 2) The 433 MHz wireless communication technology is available for online real-time monitoring of shield cutting tool; and it shows high accuracy and reliability. 3) The detection system, has the characteristics of anti-vibration, anti-interference and water-proof; also it is stable and rational.

shield; cutter; wear; ultrasonic; wireless; detection

2017-04-05;

2017-07-20

国家重点基础研究发展计划(973 计划)(2015CB057803)； 国家自然科学基金资助项目(51408191)

刘招伟(1962—)，男，江西吉安人，2003年毕业于中国地质大学，隧道及地下工程专业，博士，教授级高级工程师，现从事隧道及地下工程技术管理工作。E-mail: 279272419@qq.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.017

U 45

A

2096-4498(2017)11-1469-06