基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置，包括光纖光柵位置傳感器組，安裝在待檢測(cè)設(shè)備的深孔中，且光纖光柵位置傳感器的光纖末端位于待檢測(cè)設(shè)備的磨損極限位置；分光系統(tǒng)，用于將光分別傳輸給每個(gè)光纖光柵位置傳感器；解調(diào)系統(tǒng)，用于將從每個(gè)光纖光柵位置傳感器返回的光解調(diào)成電信號(hào)；控制系統(tǒng)，用于控制分光系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，并對(duì)解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的電信號(hào)進(jìn)行分析，判斷切削刀具、磨損檢測(cè)刀具或刀盤(pán)中的任意一個(gè)或幾個(gè)是否磨損及磨損位置。本發(fā)明不僅避免了傳感器抗電磁干擾設(shè)計(jì)，也不會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)的正常工作狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于盾構(gòu)機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置及方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]目前盾構(gòu)工法已經(jīng)在城市隧道(如地鐵隧道、污水排放隧道、引水、供水隧道、江河湖海底隧道、電力、電訊、供氣及共同溝工程等隧道)建造中確立了比較高的地位，故有人將其稱為城市隧道工法。隨著上海第一次盾構(gòu)法的成功，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開(kāi)始了對(duì)該工法的嘗試和探索。盾構(gòu)機(jī)是依靠刀盤(pán)上的刀具切削土體不斷掘進(jìn)的，在掘進(jìn)過(guò)程中，刀具不可避免的會(huì)受到?jīng)_擊和磨損，其中刀具的磨損規(guī)律還沒(méi)有被我們完全掌握，刀具的跟蹤檢測(cè)水平不夠， 刀具更換復(fù)雜困難、成本很高，進(jìn)貨周期很長(zhǎng)，不但影響了整個(gè)工程的質(zhì)量也會(huì)拖延工期。 可見(jiàn)，掘削刀具的磨損是影響盾構(gòu)法施工的一個(gè)急待解決的問(wèn)題。而在特殊工況下，刀盤(pán)也可能直接磨損，刀盤(pán)的更換比刀具的更換更加復(fù)雜，對(duì)施工的影響更加的大，因而有必要對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的磨損進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0003]大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，盾構(gòu)機(jī)刀具檢查、更換與刀盤(pán)的維修等作業(yè)時(shí)間約占掘進(jìn)施工總時(shí)間的30%到40%。并且盾構(gòu)機(jī)的換刀過(guò)程比較復(fù)雜，刀具的更換很需要時(shí)間。更不要說(shuō)刀盤(pán)的破壞對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工的影響。為了保障盾構(gòu)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要探尋盾構(gòu)機(jī)刀具和刀盤(pán)磨損狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)方法。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)(1)(參見(jiàn)“盾構(gòu)刀具關(guān)鍵技術(shù)及其最新發(fā)展”，陳饋，《隧道建設(shè)》，第35卷第3期)開(kāi)艙檢查，這是最常用、最直接、最可靠的方法，停機(jī)后由人工進(jìn)艙對(duì)刀具進(jìn)行逐個(gè)檢查，在不穩(wěn)定地層中，開(kāi)艙前需首先進(jìn)行地層加固或帶壓作業(yè)，方可入艙檢查，開(kāi)艙檢查雖直接有效，但卻存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，很可能由于掌子面不穩(wěn)定而造成地面坍塌等事故。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)(2)(參見(jiàn)“盾構(gòu)刀具關(guān)鍵技術(shù)及其最新發(fā)展”，陳饋，《隧道建設(shè)》，第35卷第3期)磨損感應(yīng)裝置，在刀具內(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自動(dòng)報(bào)警或指示，滾刀磨損感應(yīng)裝置則是采用液壓油缸從刀盤(pán)伸出至滾刀刃尖，通過(guò)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(lái)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。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)(3)(參見(jiàn)“盾構(gòu)刀具關(guān)鍵技術(shù)及其最新發(fā)展”，陳饋，《隧道建設(shè)》，第35卷第3期)通電式刀具磨損檢測(cè)，在刀具制作時(shí)先將電線埋入刀具中，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，當(dāng)?shù)毒吣ズ倪_(dá)到限定磨耗量時(shí)，通電電線被磨斷，于是電路斷路，通知外界。該方法簡(jiǎn)單直接，但不能連續(xù)定量檢測(cè)刀具磨損的進(jìn)展情況。針對(duì)切削類(lèi)的盾構(gòu)刀具，可優(yōu)化設(shè)計(jì)通電式傳感裝置，實(shí)現(xiàn)連續(xù)定量檢測(cè)磨損量。按間距設(shè)置多支通路隨刀具磨損，使用單片機(jī)控制選通其中支路，通過(guò)電量判斷其通斷，從而得知刀具的磨損量。
[0007]從現(xiàn)有技術(shù)(1)中不難發(fā)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)雖直接有效，但是本質(zhì)上卻存在著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，在信息化的今天，這種傳統(tǒng)的檢測(cè)方式已跟不上時(shí)代的發(fā)展步伐。
[0008]從現(xiàn)有技術(shù)(2)、(3)中不難發(fā)現(xiàn)，這兩種方式的應(yīng)用范圍較小，每一個(gè)檢測(cè)單元需要一個(gè)單獨(dú)的回路，其監(jiān)測(cè)方法難以滿足大容量的監(jiān)測(cè)需求，且這兩種方式現(xiàn)階段都沒(méi)有應(yīng)用到刀盤(pán)的磨損檢測(cè)上。
[0009]通過(guò)檢索公開(kāi)的技術(shù)報(bào)告、學(xué)術(shù)論文及發(fā)明專(zhuān)利等文獻(xiàn)，并未發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)磨損檢測(cè)的直接監(jiān)測(cè)方法，主要原因分析如下:1)用于監(jiān)測(cè)的傳感器不能破壞盾構(gòu)機(jī)的正常工作狀態(tài)，并且盾構(gòu)機(jī)的工作環(huán)境惡劣復(fù)雜，對(duì)傳感器的質(zhì)量、體積、安裝方式和傳感類(lèi)型提出嚴(yán)格要求;2)盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)是旋轉(zhuǎn)體，滾筒上的傳感器與傳感信號(hào)處理模塊之間不能是有線連接，對(duì)傳感信號(hào)的傳輸方式有嚴(yán)格要求;3)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)工作環(huán)境惡劣復(fù)雜，需要大容量的整體監(jiān)測(cè)才能較好的表征盾構(gòu)機(jī)的磨損情況。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置及方法，不僅避免了傳感器抗電磁干擾設(shè)計(jì)，也不會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)的正常工作狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0011]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為:基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、 刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置，其特征在于:它包括:由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的光纖光柵位置傳感器構(gòu)成的光纖光柵位置傳感器組，每個(gè)光纖光柵位置傳感器均包括一根光纖上的光柵，每個(gè)光纖光柵位置傳感器安裝在待檢測(cè)設(shè)備的深孔中，且光纖光柵位置傳感器的光纖末端位于待檢測(cè)設(shè)備的磨損極限位置;所述的待檢測(cè)設(shè)備包括待檢測(cè)的切削刀具、磨損檢測(cè)刀具和刀盤(pán)的刀座；分光系統(tǒng)，用于將光分別傳輸給每個(gè)光纖光柵位置傳感器，包括固定在后端的寬帶光源和后端光分路器，隨刀盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)的與每個(gè)光纖光柵位置傳感器連接的前端光分路器， 以及從寬帶光源依次經(jīng)過(guò)后端光分路器、前端光分路器最后分別到達(dá)每個(gè)光纖光柵位置傳感器的傳輸光纖;后端光分路器和前端光分路器之間的傳輸光纖通過(guò)光纖旋轉(zhuǎn)連接器和磁親合同步盤(pán)連接；解調(diào)系統(tǒng)，用于將從每個(gè)光纖光柵位置傳感器返回的光解調(diào)成電信號(hào)；控制系統(tǒng)，用于控制分光系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，并對(duì)解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的電信號(hào)進(jìn)行分析，判斷切削刀具、磨損檢測(cè)刀具或刀盤(pán)中的任意一個(gè)或幾個(gè)是否磨損及磨損位置。
[0012]按上述裝置，所述的磁耦合同步盤(pán)包括第一磁耦合同步盤(pán)、第二磁耦合同步盤(pán)和固定盤(pán);其中，第一磁耦合同步盤(pán)設(shè)置在刀盤(pán)的轉(zhuǎn)子內(nèi)，通過(guò)軸承與刀盤(pán)的轉(zhuǎn)子連接;第二磁耦合同步盤(pán)設(shè)置在刀盤(pán)的定子內(nèi)，通過(guò)軸承與刀盤(pán)的定子連接，并通過(guò)磁耦合隨第一磁耦合同步盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)而同步轉(zhuǎn)動(dòng)；固定盤(pán)固定在刀盤(pán)定子上；后端光分路器和前端光分路器之間的傳輸光纖依次從第一磁耦合同步盤(pán)和第二磁耦合同步盤(pán)的中間穿過(guò)，并在第二磁耦合同步盤(pán)與固定盤(pán)之間通過(guò)所述的光纖旋轉(zhuǎn)連接器無(wú)線傳輸，再由固定盤(pán)中的傳輸光纖引出。
[0013]按上述裝置，所述的光纖光柵位置傳感器組由光纖光柵切削刀具位置傳感器集群、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器和光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群構(gòu)成;光纖光柵切削刀具位置傳感器集群包括若干個(gè)設(shè)置在切削刀具深孔中的光纖光柵位置傳感器，光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器為設(shè)置在磨損檢測(cè)刀具深孔中的光纖光柵位置傳感器，光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群包括若干個(gè)設(shè)置在刀盤(pán)的刀座深孔中的光纖光柵位置傳感器。
[0014]按上述裝置，所述的磨損極限位置包括三類(lèi)，按照磨損程度的遞增依次設(shè)定為磨損一度、磨損二度和磨損零界，分別有光纖光柵位置傳感器的末端設(shè)置在這三類(lèi)磨損極限位置上。
[0015]—種利用上述基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的在線檢測(cè)方法，其特征在于:接通分光系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收到解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的電信號(hào)，當(dāng)電信號(hào)發(fā)生突變，判斷對(duì)應(yīng)的光纖光柵位置傳感器所在位置發(fā)生磨損。
[0016]按上述方法，磨損極限位置包括三類(lèi)，按照磨損程度的遞增依次設(shè)定為磨損一度、 磨損二度和磨損零界，分別有光纖光柵位置傳感器的末端設(shè)置在這三類(lèi)磨損極限位置上； 根據(jù)發(fā)生突變信號(hào)對(duì)應(yīng)的光纖光柵位置傳感器所在位置，判斷該位置發(fā)生磨損的程度。
[0017]按上述方法，根據(jù)得到的位置發(fā)生磨損的程度，發(fā)出對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:1、本發(fā)明利用光纖光柵位置傳感器的質(zhì)輕、體積小、本征絕緣、抗電磁干擾和無(wú)源傳感的優(yōu)點(diǎn)，引入光纖光柵位置傳感器對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損進(jìn)行在線檢測(cè)，只需要在待檢測(cè)的刀具、刀盤(pán)可能會(huì)發(fā)生磨損的位置設(shè)置光纖光柵位置傳感器，并使得光纖光柵位置傳感器的光纖末端位于待檢測(cè)設(shè)備的磨損極限位置，正常情況下返回的信號(hào)是一個(gè)穩(wěn)定值，當(dāng)磨損到該磨損極限位置時(shí)，光纖末端暴露出來(lái)，從而返回的信號(hào)發(fā)生突變，此時(shí)控制系統(tǒng)感受到了這一突變，從而判斷對(duì)應(yīng)位置已發(fā)生磨損了；本發(fā)明不僅避免了傳感器抗電磁干擾設(shè)計(jì)，也不會(huì)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)的正常工作狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0019]2、本發(fā)明充分考慮到刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)給信號(hào)傳輸帶來(lái)的影響，通過(guò)磁耦合同步盤(pán)將隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的傳輸光纖和后端固定的傳輸光纖連接起來(lái)，解決了盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)與寬帶光源及解調(diào)系統(tǒng)之間的無(wú)線信號(hào)傳輸難題，且利用了分路器為信號(hào)傳輸構(gòu)建“點(diǎn)對(duì)線”通道，降低了傳感信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸容量限制，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損狀態(tài)多點(diǎn)多參量的同步監(jiān)測(cè)，為完成盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損監(jiān)測(cè)提供充分的技術(shù)支撐。
[0020]3、本發(fā)明具有測(cè)量范圍大、分辨率高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠?yàn)槎軜?gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)提供技術(shù)支持，也能夠?yàn)槠渌D(zhuǎn)體機(jī)械監(jiān)測(cè)提供技術(shù)借鑒，具有廣泛的應(yīng)用前景?！靖綀D說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為光纖旋轉(zhuǎn)連接器和磁耦合同步裝置的結(jié)構(gòu)及安裝示意圖。
[0023]圖3為光纖光柵位置傳感器在切削刀具中的安裝示意圖。
[0024]圖4為光纖光柵位置傳感器在磨損檢測(cè)刀具中的安裝示意圖。
[0025]圖中:1、寬帶光源，2、控制系統(tǒng)，3、后端光分路器，4、解調(diào)系統(tǒng)，5、光開(kāi)關(guān)，6、光纖旋轉(zhuǎn)連接器，7、磁親合同步盤(pán)，7-1、第一磁親合同步盤(pán)，7-2、第二磁親合同步盤(pán)，7-3、固定盤(pán)，8、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群1，9、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群n，1、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群m，11、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群IV，12、1 X 4光纖分路器，13、光纖分路器集群I，14、光纖分路器集群n，15、光纖分路器集群m，16、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器i，17、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器n，18、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器m，19光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器IV，20、光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群，21、刀盤(pán)，22、磨損極限位置，23、光纖光柵位置傳感器，24、切削刀具，25、磨損檢測(cè)刀具?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]本發(fā)明提供一種基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置，如圖1至圖 4所示，包括:由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的光纖光柵位置傳感器23構(gòu)成的光纖光柵位置傳感器組，每個(gè)光纖光柵位置傳感器23均包括一根光纖上的光柵，每個(gè)光纖光柵位置傳感器23安裝在待檢測(cè)設(shè)備的深孔中，且光纖光柵位置傳感器23的光纖末端位于待檢測(cè)設(shè)備的磨損極限位置22;所述的待檢測(cè)設(shè)備包括待檢測(cè)的切削刀具23、磨損檢測(cè)刀具25和刀盤(pán)21的刀座；分光系統(tǒng)，用于將光分別傳輸給每個(gè)光纖光柵位置傳感器23,包括固定在后端的寬帶光源1和后端光分路器3,隨刀盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)的與每個(gè)光纖光柵位置傳感器23連接的前端光分路器，以及從寬帶光源1依次經(jīng)過(guò)后端光分路器3、前端光分路器最后分別到達(dá)每個(gè)光纖光柵位置傳感器23的傳輸光纖;后端光分路器3和前端光分路器之間的傳輸光纖通過(guò)光纖旋轉(zhuǎn)連接器6和磁親合同步盤(pán)7連接；解調(diào)系統(tǒng)4，用于將從每個(gè)光纖光柵位置傳感器23返回的光解調(diào)成電信號(hào)；控制系統(tǒng)2,用于控制分光系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，并對(duì)解調(diào)系統(tǒng)4解調(diào)的電信號(hào)進(jìn)行分析，判斷切削刀具24、磨損檢測(cè)刀具25或刀盤(pán)21中的任意一個(gè)或幾個(gè)是否磨損及磨損位置。
[0028]進(jìn)一步的，所述的磁親合同步盤(pán)7包括第一磁親合同步盤(pán)7-1、第二磁親合同步盤(pán) 7-2和固定盤(pán)7-3;其中，第一磁耦合同步盤(pán)7-1設(shè)置在刀盤(pán)21的轉(zhuǎn)子內(nèi)，通過(guò)軸承與刀盤(pán)21 的轉(zhuǎn)子連接;第二磁耦合同步盤(pán)7-2設(shè)置在刀盤(pán)21的定子內(nèi)，通過(guò)軸承與刀盤(pán)21的定子連接，并通過(guò)磁親合隨第一磁親合同步盤(pán)7-1的轉(zhuǎn)動(dòng)而同步轉(zhuǎn)動(dòng)；固定盤(pán)7-3固定在刀盤(pán)21的定子上;后端光分路器3和前端光分路器之間的傳輸光纖依次從第一磁耦合同步盤(pán)7-1和第二磁親合同步盤(pán)7-2的中間穿過(guò)，并在第二磁親合同步盤(pán)7-2與固定盤(pán)7-3之間通過(guò)所述的光纖旋轉(zhuǎn)連接器6無(wú)線傳輸，再由固定盤(pán)7-3中的傳輸光纖引出。
[0029]具體的，所述的光纖光柵位置傳感器組由光纖光柵切削刀具位置傳感器集群(如圖1的光纖光柵切削刀具位置傳感器集群18,光纖光柵切削刀具位置傳感器集群119,光纖光柵切削刀具位置傳感器集群m1,光纖光柵切削刀具位置傳感器集群IV11)、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器(如圖1的光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器116,光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器1117,光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器mis，光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器IV19)和光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群20構(gòu)成;光纖光柵切削刀具位置傳感器集群包括若干個(gè)設(shè)置在切削刀具24深孔中的光纖光柵位置傳感器23,光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器為設(shè)置在磨損檢測(cè)刀具25深孔中的光纖光柵位置傳感器23,光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群包括若干個(gè)設(shè)置在刀盤(pán)21的刀座深孔中的光纖光柵位置傳感器23。
[0030] 在本實(shí)施例中，光系統(tǒng)還包括設(shè)置在后端光分路器3和光纖旋轉(zhuǎn)連接器6之間的光開(kāi)關(guān)5,光開(kāi)關(guān)5由控制系統(tǒng)2控制。本實(shí)施例中，后端光分路器3為2 X 1分路器，光開(kāi)關(guān)5為1x 4光開(kāi)關(guān)，光纖旋轉(zhuǎn)連接器6為4 X 4光纖旋轉(zhuǎn)連接器，分出的四路傳輸光纖分別經(jīng)過(guò)磁耦合同步裝置傳輸給前端光分路器。由于光纖光柵位置傳感器數(shù)量眾多，可以每個(gè)切削刀具、 磨損檢測(cè)刀具、刀盤(pán)上分別設(shè)置1個(gè)或分散設(shè)置多個(gè)，因此前端光分路器可以采用尾纖熔合技術(shù)分為多個(gè)級(jí)聯(lián)的形式。本實(shí)施例中前端光分路器包括1 X 4光纖分路器12、光纖分路器集群113、光纖分路器集群n 14和光纖分路器集群m 15,其中1 X 4光纖分路器12用于與光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器116、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器n 17、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器mis和光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器IV19連接，光纖分路器集群 113、和光纖分路器集群mi5用于與光纖光柵切削刀具位置傳感器集群18、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群119、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群m1和光纖光柵切削刀具位置傳感器集群IV11連接，光纖分路器集群n 14用于與光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群20連接。
[0031]本實(shí)施例中，寬帶光源1的輸出尾纖與光纖分路器3(2X1光纖分路器)的輸入尾纖熔接，解調(diào)系統(tǒng)4的輸入尾纖與光纖分路器3(2X1光纖分路器)的輸入尾纖熔接，光纖分路器3(2X1光纖分路器)的輸出尾纖與光開(kāi)關(guān)5(1X4光開(kāi)關(guān))的輸入尾纖熔接；光開(kāi)關(guān)5(1 X4光開(kāi)關(guān))的4個(gè)輸出尾纖依次分別與光纖旋轉(zhuǎn)連接器6(4X4光纖旋轉(zhuǎn)連接器)的4個(gè)輸入尾纖熔接;光纖旋轉(zhuǎn)連接器6(4X4光纖旋轉(zhuǎn)連接器)的4個(gè)輸出尾纖穿過(guò)磁耦合同步盤(pán)7后與1X4光纖分路器12、光纖分路器集群113、光纖分路器集群II14、光纖分路器集群mi5的輸入尾纖熔接；1X4光纖分路器12的輸出尾纖分別與光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器116、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器n 17、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器mis和光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器IV19的輸入尾纖熔接；光纖分路器集群113的輸出尾纖與光纖光柵切削刀具位置傳感器集群18、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群119的輸入尾纖熔接;光纖分路器集群n 14的輸出尾纖與光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群20的輸入尾纖熔接;光纖分路器集群mi5的輸出尾纖與光纖光柵切削刀具位置傳感器集群m1和光纖光柵切削刀具位置傳感器集群IV11的輸入尾纖熔接。
[0032] 光開(kāi)關(guān)5與控制系統(tǒng)2通過(guò)RS232數(shù)據(jù)線連接，解調(diào)系統(tǒng)4與控制系統(tǒng)2通過(guò) RS232數(shù)據(jù)線連接。[〇〇33]本實(shí)施例中，所述的寬帶光源1為ASE寬帶光源，工作波長(zhǎng)范圍為1520nm至 1570nm、8小時(shí)的輸出功率穩(wěn)定度彡±0.01dB、輸出光波的偏振度彡0.01、輸出光波的光譜平坦度<0.5(18、輸出光功率多201111;光纖分路器3的耦合比為50:50，其輸入尾纖和輸出尾纖均采用單模光纖SMF-28;解調(diào)系統(tǒng)4的輸入功率范圍為-70dBm至-30dBm、波長(zhǎng)范圍為1520nm至1570nm、波長(zhǎng)分辨率為lpm、波長(zhǎng)精度為±40pm、功率分辨率為0.ldBm，具有 RS232通信接口，輸入尾纖采用單模光纖SMF-28;光開(kāi)關(guān)5的波長(zhǎng)范圍為1260nm至 1650nm，相鄰光通道的切換時(shí)間彡lms，插入損耗彡0.5dB，具有RS232通信接口，輸入尾纖和輸出尾纖均采用單模光纖SMF-28。光纖旋轉(zhuǎn)連接器6波長(zhǎng)范圍為1270nm至1610nm，插入損耗<5dB，回轉(zhuǎn)損耗多50dB，最大轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘，預(yù)估壽命2億轉(zhuǎn)。1X4光纖分路器12的耦合比為25:25:25:25，其輸入尾纖和輸出尾纖均采用單模光纖SMF-28。[〇〇34] 光纖分路器集群113由五個(gè)耦合比均為25:25:25:25的1X4光纖分路器構(gòu)成，其中1個(gè)1X4光纖分路器的輸入尾纖作為光纖分路器集群I 13的輸入尾纖，它的四根輸出尾纖分別與其它3個(gè)1X4光纖分路器的輸入尾纖熔接，其它3個(gè)1X4光纖分路器的輸出尾纖作為光纖耦合器集群113的輸出尾纖，光纖耦合器集群113的輸出尾纖數(shù)目為16根;光纖分路器集群m 15與光纖分路器集群113的構(gòu)成方法相同；光纖分路器集群113和光纖分路器集群mi5的輸入尾纖和輸出尾纖全部采用單模光纖SMF-28。
[0035]光纖分路器集群n 14由一個(gè)耦合比為50: 50的IX 2光纖分路器和兩個(gè)耦合比為 25:25:25:25的1X4光纖分路器構(gòu)成，其構(gòu)成思路與光纖分路器集群113相同，光纖親合器集群II14的輸出尾纖數(shù)目為8根，光纖分路器集群II14的輸入尾纖和輸出尾纖全部采用單模光纖SMF-28。
[0036]光纖光柵切削刀具位置傳感器集群18、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群119、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群m1、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群IV11、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器116、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器n 17、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器mi8、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器IV19、光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群20,分別對(duì)切削刀具、磨損損耗刀具和刀盤(pán)的磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)光纖光柵位置傳感器23的工作波長(zhǎng)范圍為1520nm至1560nm，光柵反射率彡90%〇[〇〇37]光纖光柵切削刀具位置傳感器集群18、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群119、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群m1、光纖光柵切削刀具位置傳感器集群IV11分別由八個(gè)光纖光柵位置傳感器組成，通過(guò)樹(shù)脂粘接方式安裝在切削刀具深孔中。
[0038] 光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器116、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器II 17、 光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器mi8、光纖光柵磨損檢測(cè)刀具位置傳感器IV19分別通過(guò)樹(shù)脂粘接方式安裝在磨損檢測(cè)刀具深孔中。[〇〇39] 光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群20由八個(gè)光纖光柵位置傳感器組成，每個(gè)光纖光柵位置傳感器通過(guò)硅膠密封在鋼管中，鋼管對(duì)光纖光柵起到保護(hù)的作用，然后再通過(guò)焊接方式安裝在刀盤(pán)的刀座的深孔中。
[0040]優(yōu)選的，所述的磨損極限位置包括三類(lèi)，按照磨損程度的遞增依次設(shè)定為磨損一度、磨損二度和磨損零界，分別有光纖光柵位置傳感器的末端設(shè)置在這三類(lèi)磨損極限位置上。
[0041]當(dāng)盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，一般工況下，在剪切力的作用下刀盤(pán)上的磨損檢測(cè)刀具和切削刀具會(huì)發(fā)生磨損，當(dāng)磨損量達(dá)到預(yù)定磨損量的時(shí)候需要更換刀具，以避免磨損刀盤(pán);但在某些特殊工況下，在磨損檢測(cè)刀具和切削刀具沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的磨損量時(shí)，刀盤(pán)就已經(jīng)開(kāi)始磨損。這就需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)磨損檢測(cè)刀具、切削刀具和刀盤(pán)的磨損進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0042]—種利用上述基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)的在線檢測(cè)方法，接通分光系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收到解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的電信號(hào)，當(dāng)電信號(hào)發(fā)生突變，判斷對(duì)應(yīng)的光纖光柵位置傳感器所在位置發(fā)生磨損。[〇〇43]優(yōu)選的，磨損極限位置包括三類(lèi)，按照磨損程度的遞增依次設(shè)定為磨損一度、磨損二度和磨損零界，分別有光纖光柵位置傳感器的末端設(shè)置在這三類(lèi)磨損極限位置上;根據(jù)發(fā)生突變信號(hào)對(duì)應(yīng)的光纖光柵位置傳感器所在位置，判斷該位置發(fā)生磨損的程度。
[0044]本發(fā)明方法還可以根據(jù)得到的位置發(fā)生磨損的程度，發(fā)出對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
[0045]以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置，其特征在于:它包括:由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的光纖光柵位置傳感器構(gòu)成的光纖光柵位置傳感器組，每個(gè)光纖光 柵位置傳感器均包括一根光纖上的光柵，每個(gè)光纖光柵位置傳感器安裝在待檢測(cè)設(shè)備的深 孔中，且光纖光柵位置傳感器的光纖末端位于待檢測(cè)設(shè)備的磨損極限位置;所述的待檢測(cè) 設(shè)備包括待檢測(cè)的切削刀具、磨損檢測(cè)刀具和刀盤(pán)的刀座；分光系統(tǒng)，用于將光分別傳輸給每個(gè)光纖光柵位置傳感器，包括固定在后端的寬帶光 源和后端光分路器，隨刀盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)的與每個(gè)光纖光柵位置傳感器連接的前端光分路器， 以及從寬帶光源依次經(jīng)過(guò)后端光分路器、前端光分路器最后分別到達(dá)每個(gè)光纖光柵位置傳 感器的傳輸光纖;后端光分路器和前端光分路器之間的傳輸光纖通過(guò)光纖旋轉(zhuǎn)連接器和磁 親合同步盤(pán)連接；解調(diào)系統(tǒng)，用于將從每個(gè)光纖光柵位置傳感器返回的光解調(diào)成電信號(hào)；控制系統(tǒng)，用于控制分光系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，并對(duì)解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的電信號(hào)進(jìn)行分析，判斷切削 刀具、磨損檢測(cè)刀具或刀盤(pán)中的任意一個(gè)或幾個(gè)是否磨損及磨損位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置，其特征 在于:所述的磁親合同步盤(pán)包括第一磁親合同步盤(pán)、第二磁親合同步盤(pán)和固定盤(pán);其中，第 一磁耦合同步盤(pán)設(shè)置在刀盤(pán)的轉(zhuǎn)子內(nèi)，通過(guò)軸承與刀盤(pán)的轉(zhuǎn)子連接;第二磁耦合同步盤(pán)設(shè) 置在刀盤(pán)的定子內(nèi)，通過(guò)軸承與刀盤(pán)的定子連接，并通過(guò)磁耦合隨第一磁耦合同步盤(pán)的轉(zhuǎn) 動(dòng)而同步轉(zhuǎn)動(dòng)；固定盤(pán)固定在刀盤(pán)定子上；后端光分路器和前端光分路器之間的傳輸光纖 依次從第一磁耦合同步盤(pán)和第二磁耦合同步盤(pán)的中間穿過(guò)，并在第二磁耦合同步盤(pán)與固定 盤(pán)之間通過(guò)所述的光纖旋轉(zhuǎn)連接器無(wú)線傳輸，再由固定盤(pán)中的傳輸光纖引出。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置，其特征 在于:所述的光纖光柵位置傳感器組由光纖光柵切削刀具位置傳感器集群、光纖光柵磨損 檢測(cè)刀具位置傳感器和光纖光柵刀盤(pán)磨損位置傳感器集群構(gòu)成;光纖光柵切削刀具位置傳 感器集群包括若干個(gè)設(shè)置在切削刀具深孔中的光纖光柵位置傳感器，光纖光柵磨損檢測(cè)刀 具位置傳感器為設(shè)置在磨損檢測(cè)刀具深孔中的光纖光柵位置傳感器，光纖光柵刀盤(pán)磨損位 置傳感器集群包括若干個(gè)設(shè)置在刀盤(pán)的刀座深孔中的光纖光柵位置傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置，其 特征在于:所述的磨損極限位置包括三類(lèi)，按照磨損程度的遞增依次設(shè)定為磨損一度、磨損 二度和磨損零界，分別有光纖光柵位置傳感器的末端設(shè)置在這三類(lèi)磨損極限位置上。5.—種利用權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤(pán)磨損在線檢測(cè)裝置實(shí) 現(xiàn)的在線檢測(cè)方法，其特征在于:接通分光系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收到解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)的電信號(hào)， 當(dāng)電信號(hào)發(fā)生突變，判斷對(duì)應(yīng)的光纖光柵位置傳感器所在位置發(fā)生磨損。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在線檢測(cè)方法，其特征在于:磨損極限位置包括三類(lèi)，按照磨 損程度的遞增依次設(shè)定為磨損一度、磨損二度和磨損零界，分別有光纖光柵位置傳感器的 末端設(shè)置在這三類(lèi)磨損極限位置上;根據(jù)發(fā)生突變信號(hào)對(duì)應(yīng)的光纖光柵位置傳感器所在位 置，判斷該位置發(fā)生磨損的程度。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在線檢測(cè)方法，其特征在于:根據(jù)得到的位置發(fā)生磨損的程 度，發(fā)出對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。
【文檔編號(hào)】E21D9/08GK105973896SQ201610363775
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】梁磊, 馮坤, 徐剛, 羅玉文, 張健, 吳慧峰, 李東旭, 曹珊, 王慧, 仇磊, 涂彬, 段細(xì)云, 許儒泉
【申請(qǐng)人】武漢理工大學(xué)