一种基于超声波测距的泥水盾构刀盘泥饼监测系统及方法与流程

1.本发明涉及盾构施工技术领域，特别是一种基于超声波测距的泥水盾构刀盘泥饼监测系统及方法。


背景技术：

2.盾构机是一种在地下工程施工中广泛使用的大型机械设备，主要分为土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、tbm及顶管机。泥水平衡盾构机在工作时，其泥水仓内充满具有一定压力的循环泥浆，施工人员无法直接观察到仓内情况及刀盘状态，当刀盘刀具出现结泥饼、磨损、破坏等情况时难以及时发现，直至情况恶化到较为严重的地步，才可能被发现，给工程施工造成巨大的工期和经济损失，增大了工程的安全风险。
3.因此，提供一套能够对泥水盾构刀盘是否结泥饼进行实时监测的系统和方法，为盾构工程施工人员提供直观的泥水盾构刀盘状态数据，有助于提高泥水盾构施工的安全性，减少损失，这是非常值得研究的。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一套能够在具有一定压力的泥浆中，通过超声波测距的方式，对盾构刀盘刀具是否存在泥饼、磨损等异常情况，进行实时监测并将结果以可视化方式呈现给施工人员的监测系统和方法。
5.本发明的具体方案是：设计一种基于超声波测距的泥水盾构刀盘泥饼监测系统，包括超声波换能器、为超声波换能器提供驱动信号的驱动单元模块、信号处理模块、以及为驱动装置和信号处理模块提供电能的电源模块，所述超声波换能器通过信号线与驱动单元模块和信号处理模块连接；在所述盾构机的泥水仓与气垫仓之间设有隔板，所述超声波换能器设在隔板上，其安装位置与盾构刀盘开口处的旋转轨迹相对应；所述驱动单元模块与信号处理模块通过数据传输线连接有控制终端，所述控制终端通过数据传输线连接有刀盘驱动转速传感器。
6.优选的，在所述隔板上设有预留接口，所述预留接口包括套设在隔板上的接口套筒，在所述接口套筒内套设有套接工装，所述套接工装包括工装套筒和工装板，所述工装套筒套装在接口套筒内，其远离隔板的一端连接有工装板，所述超声波换能器套装在套接工装的工装套筒内，在所述工装板上设有供连接超声波换能器线缆通过的通孔。
7.优选的，在所述接口套筒的底部位于工装板和隔板之间设有支座，所述接口套筒分为两部分，一部分固定在隔板上，另一部分固定在支座上，且两部分之间留有缝隙，在所述隔板的内侧壁上滑动设有与缝隙对应的临时密封板。
8.优选的，在所述超声波换能器和工装套筒以及工装套筒与预留接口之间分别设有多个橡胶密封圈。
9.本发明还设计了一种基于超声波测距的泥水盾构刀盘泥饼的监测方法，包括以下步骤：s1：通过控制终端进行参数初始值的设置或输入；s2：将监测系统与盾构控制系统关联，当盾构机开始掘进时，系统同步启动；s3：驱动单元模块和信号处理模块根据控制终端的设置，向超声波换能器发送指令；s4：超声波换能器向泥水盾构刀盘发射超声波并接收返回的超声波；s5：超声波换能器将测量的超声波信号传输至驱动单元模块和信号处理模块；s6：驱动单元模块和信号处理模块通过算法对信号进行处理，得到测量数据，并传输至控制终端；s7：刀盘驱动转速传感器将所测得的刀盘驱动转数传输至控制终端，由控制终端显示监测结果；s8：当刀盘开口位置的监测数据图，与初始值相比有明显的内凹，则表明该处有结泥饼现象，需要进行相应的处理措施。
10.优选的，所述超声波换能器采用参量阵超声波换能器。
11.优选的，初次使用该监测系统时，将监测的刀盘旋转前十圈的数据取平均值后保存为初始值，之后的监测数据与初始值对比，并以可视化的方式进行显示。
12.本发明的有益效果在于：1.本发明能够在具有一定压力的泥浆中，通过超声波测距的方式，对盾构刀盘刀具是否存在泥饼的异常情况，进行实时监测并将结果以可视化方式呈现给施工人员的系统，从而为施工人员进行方案决策提供明确的资料，提高工程的施工质量、效率和安全性，减少损失。
13.2.本发明实现了在泥水盾构工作状态对刀盘泥饼的实时监测，可帮助泥水盾构施工技术人员，实时掌握刀盘是否有结泥饼的情况，以及程度，以便及时对泥饼进行及时处理，从而减少或避免人员进仓处理泥饼造成工期损失，同时提高安全系数。
附图说明
14.图1是本发明结构的系统结构原理框图；图2是超声波换能器的安装结构示意图；图3是超声波换能器及工装套筒部分被拉出的状态结构示意图；图中标号为：1临时密封板，2隔板，3接口套筒，4工装套筒，5超声波换能器，6线缆，7工装板，8通孔，9支座，10缝隙。
具体实施方式
15.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
16.实施例1一种基于超声波测距的泥水盾构刀盘泥饼监测系统，如图1至图3所示，包括超声波换能器5、为超声波换能器5提供驱动信号的驱动单元模块、信号处理模块、以及为驱动装
置和信号处理模块提供电能的电源模块，超声波换能器5通过信号线与驱动单元模块和信号处理模块连接；在盾构机的泥水仓与气垫仓之间设有隔板2，以将盾构机的工作仓由隔板2分为泥水仓和常压工作仓、气垫仓、人仓，超声波换能器5设在隔板2上，其安装位置与盾构刀盘开口处的旋转轨迹相对应，具体安装位置可由工作人员根据经验判断，如刀盘开口上容易出现泥饼位置的旋转轨迹相对应，所述超声波换能器5可为单个，也可为沿刀盘半径，分布于不同位置的多个组成。
17.驱动单元模块与信号处理模块通过数据传输线连接有控制终端，控制终端通过数据传输线连接有刀盘驱动转速传感器。控制终端通过刀盘转速传感器取得的数据，经过算法计算，可精确定位刀盘开口的转动位置，从而通过超声波换能器5对刀盘开口位置进行实时监测。
18.该系统可以对超声波换能器5的增益、补偿等参数进行调节，以测得清晰的结构分界。
19.在隔板2上设有预留接口，预留接口包括套设在隔板2上的接口套筒3，在接口套筒3内套设有套接工装，套接工装包括工装套筒4和工装板7，工装套筒4套装在接口套筒3内，其远离隔板2的一端连接有工装板7，超声波换能器5套装在套接工装的工装套筒4内，在工装板7上设有供连接超声波换能器5线缆6通过的通孔8。
20.在接口套筒3的底部位于工装板7和隔板2之间设有支座9，接口套筒3分为两部分，一部分固定在隔板2上，另一部分固定在支座9上，且两部分之间留有缝隙10，在隔板2的内侧壁上滑动设有与缝隙10对应的临时密封板1。
21.当需要对超声波换能器5进行更换时，先将工装套筒及超声波换能器拉出一部分，然后将临时密封板1推入，对隔板2上的接口套筒3进行封堵，以隔绝泥水仓和常压工作仓，保证泥水仓内的压力不衰减，以防止泥水仓内的泥水进入常压工作仓。
22.在超声波换能器5和工装套筒4以及工装套筒4与预留接口之间分别设有多个橡胶密封圈，以满足抗压和防水要求。
23.实施例2一种基于超声波测距的泥水盾构刀盘泥饼监测方法，如图1所示，包括以下步骤：s1：通过控制终端进行参数初始值的设置或输入；s2：将监测系统与盾构控制系统关联，当盾构机开始掘进时，系统同步启动；s3：驱动单元模块和信号处理模块根据控制终端的设置，向超声波换能器5发送指令；s4：超声波换能器5向泥水盾构刀盘发射超声波并接收返回的超声波；s5：超声波换能器5将测量的超声波信号传输至驱动单元模块和信号处理模块；s6：驱动单元模块和信号处理模块通过算法对信号进行处理，得到测量数据，并传输至控制终端；s7：刀盘驱动转速传感器将所测得的刀盘驱动转数传输至控制终端，由控制终端显示监测结果；s8：当刀盘开口位置的监测数据图，与初始值相比有明显的内凹，则表明该处有结泥饼现象，需要进行相应的处理措施。
24.超声波换能器5采用参量阵超声波换能器5，以满足系统对不同比重、不同黏度泥浆的适应性要求。
25.初次使用该监测系统时，将监测的刀盘旋转前十圈的数据取平均值后保存为初始值，之后的监测数据与初始值对比，并以可视化的方式进行显示。控制终端可取得泥水盾构机刀盘的正、反转，停止状态。
26.通过超声波换能器5，对旋转中的泥水盾构刀盘圆周上某半径位置的各点与超声波换能器的距离进行实时测量，并与初始值进行对比，从而监测泥水盾构刀盘开口处是否结泥饼。
27.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。