基于位移传感器的TBM滚刀磨损量检测系统

摘要

滚刀是TBM盾构机在地下隧道掘进过程中，承担破岩任务的主要工具。其滚刀刀圈的磨损是施工过程中无法避免的情况，当滚刀发生严重磨损时，需及时更换滚刀以保证TBM运行正常。因此，如何准确地检测工作状态中滚刀的磨损情况，帮助施工人员掌握合适的换刀时机显得尤为重要。TBM运行过程中的滚刀磨损量检测系统研究已成为目前TBM掘进技术的一个主要研究方向。本文为此设计了一种基于位移传感器的滚刀磨损量检测系统，对掘进过程中的滚刀磨损量进行在线检测，通过分析检测数据，为施工人员换刀提供有力参考，以提高TBM工作的效率和安全性。 本文在分析了系统的恶劣环境、TBM滚刀基本结构、工作原理以及在破岩过程中可能出现的磨损失效形式后，设计电感式接近传感器作为检测系统的探测装置。由于传感器检测同一被测金属物，探测距离不变，检测系统通过MCU驱动直线位移平台控制传感器探测头接近或远离滚刀刀圈，在其运动过程中捕获传感器输出的开关信号，记录此时直线位移平台的相对位移。然后建立理论模型，将滚刀磨损量转换为检测系统内部位移平台的相对位移量，接着分析相应位移平台的位移量，得到TBM滚刀的磨损情况，从而实现对滚刀磨损量的在线检测。 论文首先对TBM滚刀检测系统的硬件模块以及软件模块进行设计，然后对其核心器件电感式接近开关传感器的迟滞特性进行分析，通过建立数学模型提出了TBM滚刀磨损量检测策略。最后通过实验分析，验证了检测系统检测原理的有效性，并且得出检测系统的检测精度满足实际使用要求的结论。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景和研究意义

1．2国内外发展现状

1．3论文的研究意义

1．4论文研究内容及结构

2．1 TBM滚刀简介

2．1．1 TBM滚刀基本结构

2．1．2 TBM滚刀破岩原理

2．1．3滚刀磨损失效形式

2．2 TBM滚刀磨损量检测系统总体硬件框架

2．3电感式传感器模块

2．3．1电感式传感器原理

2．3．2电感式传感器检测原理

2．3．3电感式传感器外围电路

2．4直线位移运动平台

2．4．1运动平台基本结构

2．4．2运动平台驱动

2．5 STM32F103 MCU控制模块

2．5．1主控芯片概述

2．5．2电源

2．5．3晶体振荡器接口电路

2．5．4 JTAG接口

2．5．5复位电路

2．5．6串口通信模块

2．6无线信号传输模块

2．6．1无线信号传输方案

2．6．2无线信号传输模块硬件

2．7本章小结

第3章TBM滚刀磨损量检测系统的软件设计

3．1总体程序设计

3．2．1时钟RCC和实时时钟RTC

3．2．2外部中断控制器EXTI

3．2．3定时器TIM

3．2．4串口USART

3．3直线位移运动平台程序

3．3．1步进电机驱动

3．3．2位移量计算程序

3．3．3限位开关及零位开关中断程序

3．4电感式接近开关传感器中断程序

3．5．1通信协议

3．5．2模块初始化

3．5．3数据发送

3．5．4数据接收、解析及响应

3．6 TBM滚刀磨损量检测下位机程序总体设计

3．7 TBM滚刀磨损量检测上位机总体设计

3．8本章小结

第4章TBM滚刀磨损量检测策略分析

4．1电感式接近开关迟滞特性

4．2人为干涉检测模式

4．2．1零位检测策略

4．2．2低功耗检测策略

4．3跟踪检测模式

4．4三角波检测模式

4．5各检测模式优缺点

4．6各检测模式混合检测

4．7本章小结

5．1探测距离和传感器迟滞位移量检测

5．1．1空气介质

5．1．2大理石介质

5．1．3水泥介质

5．2系统检测精度

5．3本章小结

第6章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

硕士期间参与的科研项目、研究成果

致谢