[发明专利]一种TBM滚刀受力在线实时监测装置及监测方法

摘要

本发明公开了一种TBM滚刀受力在线实时监测装置及监测方法，其中装置包括支撑垫块、上压紧块、应变计、应变仪、无线发射模块、无线接收模块和监控计算机，监测方法则是利用装置获取的的支撑垫块的应变数据，通过监控计算机，利用滚刀垂向和摆动方向耦合振动力学模型，建立的滚刀系统振动微分方程，计算得出滚刀工作时的受力，从而使得工作人员能实时监测滚刀受力情况，并据此及时调整掘进参数，有助于减少损坏，减轻振动，提高掘进效率。

主权项

1.一种TBM滚刀受力在线实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1在TBM滚刀受力在线实时监测中，将应变计安装在支撑垫块内；所述支撑垫块(2)与刀轴(1)有两个接触面，所述每个接触面对应的支撑垫块(2)内部均钻有一定深度的安装孔(15)，并测得应变数据；S2将所述应变数据通过应变仪、无线发射模块和无线接收模块上传到监控计算机；S3在监控计算机中，通过应变数据计算出滚刀工作时受到的三个方向上的力：垂向力Fn，滚动阻力Fr和侧向力Fs，其中：实际工作时传递到刀轴右侧支撑垫块上的法向力为F1和Fr1，刀轴左侧支撑垫块上的法向力为F2和Fr2，可根据事先标定好的应变计应变数据与支撑垫块受力的关系得到；滚动阻力Fr根据应变计应变数据与支撑垫块受力的关系，由静力状态求得；垂向力Fn和侧向力Fs根据滚刀垂向和摆动方向耦合振动力学模型，建立的滚刀系统振动微分方程求得，具体如下式：式中：m1为刀轴左侧上楔形压紧块的等效质量、m2为刀轴右侧上楔形压紧块的等效质量，且m1＝m2；m3为刀轴左侧支撑垫块的等效质量、m4为刀轴右侧支撑垫块的等效质量，且m3＝m4；m为滚刀的等效质量、J为滚刀倾覆方向的转动惯量；k1为刀轴左侧上楔形压紧块的结构等效刚度和其与刀轴结合面垂向等效接触刚度之和、k2为刀轴右侧上楔形压紧块的结构等效刚度和其与刀轴结合面垂向等效接触刚度之和；k3为刀轴左侧支撑垫块的结构等效刚度、k4为刀轴右侧支撑垫块的结构等效刚度；k5为滚刀的结构等效刚度和其与左侧支撑垫块结合面等效接触刚度之和、k6为滚刀的结构等效刚度和其与右侧支撑垫块结合面等效接触刚度之和；kp为大螺栓的刚度；c1为刀轴左侧上楔形压紧块与刀轴结合面垂向等效接触阻尼、c2为刀轴右侧上楔形压紧块与刀轴结合面垂向等效接触阻尼；c3为刀轴左侧支撑垫块下底面与刀箱结合面等效接触阻尼、c4为刀轴右侧支撑垫块下底面与刀箱结合面等效接触阻尼；c5为刀轴与左侧支撑垫块结合面等效接触阻尼、c6为刀轴与右侧支撑垫块结合面等效接触阻尼；z1为刀轴左侧上楔形压紧块的垂向位移、z2为刀轴右侧上楔形压紧块的垂向位移；z3刀轴左侧支撑垫块的垂向位移、z4为刀轴右侧支撑垫块的垂向位移；z为滚刀的垂向位移、θ为滚刀的摆角；Fn为滚刀所受垂向力、Ms为滚刀所受倾覆力矩，Ms＝Fs×R，R为滚刀半径，Fs为滚刀所受侧向力；Fp0为大螺栓的初始预紧力；l为刀轴中点至刀轴与支撑垫块接触面中心的距离；其中，k3·z3＝F2，k4·z4＝F1；S4根据以上六式计算出Fn、Fs，从而得到滚刀工作时的受力：垂向力Fn，滚动阻力Fr和侧向力Fs。