全断面掘进装备刀盘刀具磨损状态监测系统开发

大型全断面掘进装备（简称盾构掘进机）是国家急需的隧道、地铁建设的大型掘进装备，随着我国经济建设与城市建设的快速发展，对大型全断面掘进装备的需求逐年增加。目前，这类设备的关键核心技术方面还主要被德国、日本等少数跨国公司所垄断。其中，刀盘刀具磨损状态实时监测对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行有重要的行业需求，在我国还是空白。 基于国家需求，第一项研究的工作是丝栅式盾构刀具磨损测量方法的研究。这一方法于2012年首次应用于西安地铁一号线施工中刀具的磨损检测。之后又进行了多方面的改进，于2013年再次在西安地铁三号线施工中应用。此次应用获得成功，测量与实际磨损程度一致。已得到盾构机的生产单位和施工单位的认可，准备在盾构机应用。 第二项研究是在模拟实验装置上测试了不同含水率下粉土和砂土的切削力分布。在模拟刀盘上沿刀盘半径由里到外布置了7个带切削力传感器的模拟刀具，测量掘进过程的切削力变化曲线。这是研究盾构刀具受力特点的基础。 第三项工作是全断面硬岩掘进机（简称TBM）的滚刀受力和弦磨检测。TBM用于岩石隧道掘进，靠滚刀压碎岩石实现整体隧道成形。最容易的发生的问题是滚刀弦磨而导致失去破岩能力。利用滚刀的支撑楔块作为弹性体研究了滚刀受力和弦磨检测方法，该方法还可测量滚刀的振动特征。 2100433B

大型全断面掘进装备（简称盾构掘进机）是国家急需的隧道、地铁建设的大型掘进装备，随着我国经济建设与城市建设的快速发展，对大型全断面掘进装备的需求逐年增加。目前，这类设备的关键核心技术方面还主要被德国、日本等少数跨国公司所垄断。其中，刀盘刀具磨损状态实时监测对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行有重要的行业需求，在我国还是空白。.基于这一需求，提出研究刀具磨损检测的方法进而开发刀具刀盘磨损状态监测系统。应用应力波的原理和振动特征的改变开发具有自主知识产权的刀盘刀具磨损状态检测专用传感器；根据大型全断面掘进装备作业环境的多介质、高湿、复杂电磁场和刀盘转动的特点，应用无线传感器网络技术传输测量信号，解决盾体的金属结构和泥土介质或岩石介质对无线信号屏蔽和衰减作用。同时解决传感器的机械设计、电路封装与安装工艺、耐久性、被动屏蔽和发射阻抗匹配等问题，使之满足工程需求。

简称“刀盘”。全断面掘进机 的截割机构，具有破岩和装载功能，刀盘直径即为全断 面掘进机的直径，通常为2.5～10m。工作时刀盘旋转 并被压向工作面，刀盘上的盘形滚刀滚压破岩，碎落的 岩渣掉至工作面底部，由刀盘外缘的铲斗铲起，提升到 卸渣槽处卸下。

按刀盘的工作面形状可分为平面、球面、截 锥三种。按结构特征可分为薄型和厚型两种，其 中薄型刀盘又有工作面换刀和内腔换刀两种形式。

全断面掘进机刀盘平面刀盘

刀盘的工作面形状由平面和圆弧过渡 面组成，结构简单，制造较易，刀具布置方便，适用于 岩层节理发育的岩巷，但机器工作时稳定性较差，对边 刀寿命不利。薄型平面刀盘的卸岩渣口位于大轴承、大 齿圈及其密封之前，刀盘较薄，卸渣口距刀盘工作面较 近，不易积渣。出渣功能较强，但卸渣口位于大轴承及 其密封之前，易污染大轴承，且输送机受料槽伸入刀盘内腔，造成大轴承的径向尺寸较大。此种刀盘的卸渣内 腔还可成为更换刀具的空间。将刀盘做成从内腔换刀， 使换刀工作不受岩巷地质状况的影响，换刀与检查都 比较安全。厚型平面刀盘的卸渣口位于大轴承、大齿圈 和大密封等后面，刀盘较厚。其铲斗分布于刀盘外缘， 铲斗的轴向尺寸较长，岩渣运输路线较长，易造成铲斗 溜渣坡上积渣。严重时堵塞卸渣口。厚型刀盘的大轴承 径向尺寸较小，不可内腔换刀。

全断面掘进机刀盘球面刀盘

刀盘工作面由小平面、球面、圆弧过渡 面组成。工作时较稳定，机器晃动力由全部刀具承受， 保护了边刀，但制造复杂，刀具布置麻烦，刀盘工作面 容易积渣，造成二次破碎现象。球面刀盘也有薄型和厚 型之分。

全断面掘进机刀盘截锥刀盘

刀盘工作面形状介于平面和球面之 间，由平面、锥面、圆弧过渡面组成。有薄型与厚型两 种。

由刀盘体、铲斗、刀具和喷水装置等组 成刀盘体安装铲斗、刀具和喷水装置的 基架，与主机的机头架联结并传递驱动扭矩及推压力。 铲斗是刀盘外缘的斗状构件，随刀盘旋转而装卸岩渣。 刀盘体与铲斗均为焊接和铸造结构件拼装而成，其形 状适应刀盘的分块拼装。刀具一般用盘形滚刀，按其在 刀盘体上的位置，分为中心刀、边刀和正刀。中心刀安 装在刀盘芯部，结构比较紧凑，通常采用双刃型盘形滚 刀成对布置，双刃彼此独立且分用主轴。边刀安装在刀 盘边缘上，刀刃布置在圆弧过渡区上，承受机器的晃动 力，并直接影响成巷毛断面直径。正刀是除中心刀和边 刀之外的刀具，承受机器正面的大部分载荷。刀具布置 主要是优化选择相邻刀间距，达到破碎岩石的块度大、 消耗动力小，又保证刀具有足够的使用寿命的目的。在 软岩巷道掘进时，刀盘上可装截齿或截齿与盘形滚刀 混装。喷水装置是把压力水引至刀盘并向工作面喷水 或喷雾的机构。 2100433B