上海隧道工程有限公司机械制造分公司 上海 200137
摘要：盾构机在掘进过程中，刀盘刀具的磨损在所难免，跟踪检测刀具的磨损状态尤为重要。结合武汉三阳路轨道交通7号线长江隧道工程，对运用蓝牙模块的液压式感应装置检测刀具磨损的方法进行了分析研究。介绍了检测刀具磨损的常用方法、液压式磨损感应装置检测刀具磨损的原理、蓝牙技术。总结了施工中该检测方式存在的问题及对应的改进措施。
关键词：蓝牙模块、刀具磨损检测、盾构机
0引言
随着盾构机技术的发展，盾构机在隧道建设中扮演了越来越重要的角色。超大直径盾构机已广泛应用于世界各地，盾构机遇到的土质环境也从单一均匀的地层到了软硬交替的复合地层。随着单次掘进区间里程和埋深的不断加大，刀具的磨损速率和损坏程度相应的大幅提升。刀具磨损后难以有效破岩和切削，甚至会导致刀盘面板的结构受到破坏，严重影响了盾构机的掘进速度。
因此，如何即时检测到刀具的磨损情况，提高刀具利用率，制定好换刀计划，就显得尤为重要。
1刀具磨损的检测方法
目前，刀具磨损的检测方法主要由开舱检查、刀具磨损感应装置、异味添加剂、掘进参数分析等。
(1)开舱检查。人员进入高压土仓带压工作，进行刀具的检查，更换。开仓检查最为直接有效，但是该方法风险高。
(2)异味添加剂。在刀具润滑油中加入异味添加剂，若刀具磨损后漏油，则产生刺鼻的气味，准确报告刀具损坏及位置。
(3)刀具磨损感应装置。比较常见的刀具磨损感应装置是在刀具或刀盘上安装液压传感器系统，一旦刀具磨损到一定程度，刀具漏油导致液压回路压力骤降，就会自动报警。
(4)掘进参数分析法。随着刀具的磨损，在推力不变的情况下，掘进速度一般会降低，刀盘扭矩增加，据此可以粗略估计刀具磨损情况[1]。
2工程概况
武汉市三阳路长江隧道工程为武汉市轨道交通7号线与公路共用的过江隧道，是国内首条公轨合建的超大直径盾构法隧道，区间隧道长度约2590m。隧道分左右两线，由两台直径为15.76m的超大泥水气压平衡盾构同向掘进施工。盾构机在复合地层环境中掘进，所属地层上软下硬，主要是石英含量高达70%的粉细砂层和富含黏土的强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。其中粉砂细层极易造成刀盘刀具磨损，弱胶结砾岩极易造成刀盘冲击和刀具非正常磨损[2]。由工程项目特点可知，该工程区间长度长，刀盘刀具极易磨损。
3刀盘结构
武汉三阳路泥水平衡盾构机采用的是可伸缩常压刀盘。原理如下：刀盘采用空心体形式，由主刀臂和6个辅刀臂组成。在刀盘中心区域及辅刀臂上布置常压可更换刀具，其切削轨迹覆盖整个开挖面。刀具采用背装式，人员可在常压下直接通过刀盘中心体（法兰罐）进入到主刀臂，利用液压油缸和换刀工装，将刀具抽出，配合刀腔闸板，使刀盘前方高压仓和刀臂常压仓隔开。
根据刀盘结构和刀具安装方式，武汉三阳路盾构机采用刀盘磨损感应检测装置。在刀具正面安装刀具磨损感应头，在主刀臂内布置液压回路及信号处理分站，通过通讯网络连接至PLC，将报警信息可视化。
4磨损检测原理图
采用液压式的磨损检测系统。在每个可更换的刀筒正面设置一磨损检测感应装置。在主刀臂及各个辅刀臂上布置液压回路，每个液压回路中设置压力开关用来采集回路中的压力状态。由于各刀臂在正常掘进时是跟着刀盘旋转，不好布线，所以采用蓝牙无线通信技术实现信号传输。西门子ET200模块处理压力开关信号，通过profinet通讯传至蓝牙模块。其中西门子模块电源采用中心回转电刷滑环供电。
一旦感应装置磨损一定量后，回路中的液压油泄漏至刀盘正面，系统压力锐减，该状态就被判定为刀具磨损严重，无法正常工作。
5蓝牙技术
蓝牙技术是一种开放式的短距离无线通信，在日常生活得到广泛应用，比如蓝牙耳机、蓝牙鼠标、车载蓝牙等。随着无线通信技术的发展，蓝牙技术因众多特点也被适配到了工业通信网络。
(1)数据传输可靠安全。使用全球通用的2.4G ISM频段，采用跳频技术减少了同频信号之间的干扰，保证数据有效传输。
(2)功耗低，成本低。蓝牙设备的功率等级以mW计算，有些蓝牙模块使用一个纽扣电池就能工作数年。
(3)蓝牙装置集成化、微型化。整个蓝牙系统集成与一个微型模块内，使得生产的蓝牙设备体积小，易安装。
蓝牙无线通信技术不需要借助电缆，通过无线信号就能组成通信
网络，完成数据的收发。相比于有线通信技术，是对数据收发方式的有效补充，使得数据传输更加灵活。将蓝牙技术应用到磨损检测系统，完美解决了无法布线的问题，依靠无线通信PLC也能实时采集反应刀具磨损状态的压力开关信号。
5.1 蓝牙模块
WAGO758-915蓝牙模块采用24V直流安全电源，使用的时候无需安装配置软件，也无需在编程软件中重新组态，只需要通过底部的功能按键一键快速配置，便能在两个蓝牙模块之间搭建无线通信网络，从正面的电源\信号指示灯和底部的模式指示灯来判断蓝牙模块的工作状态。通过反复按压功能按钮启动配置过程以及选择配置模式，配置模式如表1所示。
在磨损检测系统中，我们将位于刀臂上的蓝牙模块设为主站（发出建立链接信号），将接受侧的蓝牙模块设为从站（等待链接信号），等待数秒后两个蓝牙模块正面的信号灯常亮，无线通信网络就已经建立。
6存在问题及处理措施
(1)信号质量。在盾构机正常掘进过程中，我们发现操作室频繁的发生磨损检测的报警。一开始我们以为主要原因是法兰罐内工作环境恶劣，刀盘旋转导致蓝牙模块及接线端子排处接插件松动，硬件问题导致传到操作室的信号波动。后来重新固定后确保连接正常后，信号波动的问题仍然存在，经检查发现信号波动与刀盘转速存在一定关系，一旦刀盘速度过大，信号丢失率极大。
针对信号质量问题，蓝牙模块的内部天线无法使信号稳定时，在今后的使用过程中可以采用外接天线来放大传输信号，提高信号质量。
7 结语
武汉三阳路盾构机刀具磨损检测系统，根据盾构机刀盘结构及工程环境，使用液压式刀具磨损感应装置方式，并引入蓝牙模块来实现信号的传输。传统的液压式磨损检测系统通过在中心回转中设置多路液压回路来解决刀臂旋转无法布线的问题。相比于传统的液压式磨损检测系统，采用蓝牙模块的磨损检测系统并不依赖于中心回转的结构，代替有线电缆实现信号传输的蓝牙无线通信技术丰富了工业网络通讯方式，实践证明该系统能够有效预警刀具失效状态。与此同时，位于刀臂上的蓝牙模块不可避免得处于旋转状态，从而降低了无线通信质量。因此，如何提高蓝牙模块的信号稳定性是今后盾构机刀具磨损检测系统需继续研究的重要课题。
参考文献
[1]张厚美.复合地层中盾构刀具磨损的检测方法研究[J].盾构掘进机设计制造，2005.
[2]王昊宇.复合地层超大直径泥水气压平衡盾构施工第四代常压换刀技术应用研究[J].隧道建设，2017，37(S1):143-148.
论文作者:宋云
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/21
标签：磨损论文; 刀具论文; 蓝牙论文; 盾构论文; 信号论文; 模块论文; 液压论文; 《科学与技术》2019年第03期论文;