[发明专利]一种全断面隧道掘进机刮刀磨损检测方法

权利要求书

1.一种全断面隧道掘进机刮刀磨损检测方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1

安装刮刀(1)，并在每个刮刀与刀座(2)之间安装压力传感器(4)，压力传感器安装在刮刀与刀座接触面的前端部中心位置；压力传感器的引线(5)通过无线传输装置与设在中央控制室中的报警装置相接，对刀盘上不同位置刮刀的报警装置进行编号；

步骤2

以压力传感器的压力采集中心点为原点，以垂直于刮刀与刀座的接触面的直线为y轴，以与刮刀后端面侧边平行的直线为x轴建立直角坐标系和受力分析图；由受力分析图分别测得刮刀切削力F_t与y轴的夹角θ₁和刮刀轴向力F_n与y轴的夹角θ₂；

步骤3

按以下方法分别计算刮刀在未磨损的初始状态与刀座间的作用力F₁和刮刀磨损至极限位置与刀座间的作用力F₂的理论值：

F₁的计算方法：

按以下计算公式分别求得刮刀在未磨损的初始状态刮刀切削力F_t1和刮刀轴向力F_n1的具体值

式中：

α为刮刀的切削角，

为土体内摩擦角，

P_h为朗肯被动土压力，具体值通过下式计算得出：

非粘性土：

粘性土：

式中：

h为刮刀贯入度，λ为土体容量，c为土体内聚力，H为地表面到盾构中轴的深度，d为刮刀宽度，K_p为被动土压力系数，K₀为侧向土压力系数，α为刮刀的切削角，为土体内摩擦角，

P_f为土体对刮刀前刃面的摩擦阻力，P_f＝μP_hsinα，μ为岩土与钢的摩擦系数，

P_τ为刮刀侧面土体抗剪阻力，具体值通过下式计算得出：

非粘性土：

粘性土：

进而求得刮刀在未磨损的初始状态F_t1和F_n1在y轴的合力

F_y1＝|F_t1cosθ₁-F_n1cosθ₂|

将F_y1设定为刮刀在未磨损的初始状态与刀座间的作用力F₁；

F₂的计算方法：

按以下计算公式分别求得刮刀磨损至极限位置刮刀切削力F_t2和轴向力F_n2的具体值

式中：

α为刮刀的切削角，

为土体内摩擦角，

δ为刮刀的后角，

γ为为刮刀的前角，

P_z为在刀刃面上土体对刮刀的阻力，P_z＝P₀ad，P₀为磨损后刀刃处的切削阻力，d为刮刀宽度，a为刮刀磨损至极限刀刃宽度，

P_h为朗肯被动土压力，具体值通过下式计算得出：

非粘性土：

粘性土：

式中：h为刮刀贯入度；λ为土体容量；c为土体内聚力；H为地表面到盾构中轴的深度；d为刮刀宽度；K_p为被动土压力系数，K₀为侧向土压力系数；α为刮刀的切削角；为土体内摩擦角，

P_τ为刮刀侧面土体抗剪阻力，具体值通过下式计算得出：

非粘性土：

粘性土：

P_f为土体对刮刀前刃面的摩擦阻力，P_f＝μP_hsinα，μ为岩土与钢的摩擦系数，

进而求得刮刀磨损至极限位置切削力F_t2和轴向力F_n2在y轴的合力

F_y2＝|F_t2cosθ₁-F_n2cosθ₂|

将F_y2设定为刮刀磨损至极限与刀盘的作用力F₂；

步骤4

在全断面隧道掘进机运行过程中，通过压力传感器不间断地采集刮刀与刀座间的作用力F_N，，为确保压力采集的精确，避免由压力单一值的突变对压力检测结果的影响，采取每间隔1s采集一次压力传感器的压力信息，从刮刀开始运行第一秒开始采集，依次获取100次数据设为第一组，并计算第一组数据的平均值F_N1，作为压力判断值；第二组数据从刮刀开始运行第二秒开始采集，依相同方式获取100次数据，将该组数据设为第二组，并计算第二组数据的平均值FN2……，依次类推获取n组数据，当平均值

不在F₁～F₂数值范围内时，判定刮刀磨损达到极限，通过中央控制室中的报警装置报警判断磨损到极限、需要更换的刮刀位置。