典型掘进装备关键部件寿命状态的力学诊断与检测仪器

掘进装备是隧道与地下工程建设中必需的重大技术装备，开展相关的科学测量仪器研制，服务于装备制造中的科学研究与技术提升具有重要的科学意义与应用前景。本项目针对典型掘进装备关键易损部件刀盘刀具的寿命与失效问题开展检测技术与分析理论研究，研制相应的诊断与检测仪器。包括，研制实验力学综合测试系统，开发专用传感器和信号无线网络传输技术，实现地下环境和复杂工况下部件全寿命过程的力学量即时测量，突破现有的开关阈值通断测量、单点测量、有线传输等技术瓶颈；建立集测试技术、力学建模、智能分析与预警门限等技术为一体的整体化仪器设计新框架，提出基于能效分析的部件剩余寿命模型，结合即时测量信息，对整体结构与关键部件寿命状态与故障进行诊断；通过多学科技术交叉，将分析软件系统与即时力学量测量技术集成，研制具有自主知识产权的可以实现地下复杂环境中关键部件刀盘刀具寿命过程力学信号感知/传输/诊断的分析系统与检测仪器。

结题报告摘要.大型全断面掘进装备是国家基础设施建设与资源开发的巨型重载装备，目前我国已经成为世界上地下施工最多，掘进装备需求最大的国家。盾构装备制造技术要求高，施工中事故风险大，我国在该领域起步晚，基础薄，围绕盾构装备制造中关键技术开展相关的基础与应用基础研究具有重要意义。本项目以研制刀具刀盘系统 安全检测技术与检测仪器为目标，采用测量器件研制、实验验证、数值仿真、力学建模相结合的研究方法，研究大型全断面掘进装备刀具系统的运行状态安全监测关键技术。从刀具磨损状态检测专用传感器设计入手，继而开展信号无线传输技术、传感器布局等关键技术研究，以及力学建模与智能分析等方法研究工作。主要研究成果包括：.1）提出了掘进界面载荷解耦计算方法，给出了刀具/刀盘载荷分布规律，建立了综合考虑地质、掘进、结构因素的掘进载荷预测模型，比传统经验公式方法预测的准确范围提高了2-3倍。结合掘进力学特性的全规模数字化实验分析，建立刀盘刀具系统的传感器优化布局方法； .2）发明了适应地下泥水、高电磁场等施工环境的几类磨损专用传感器，研制了适应地下施工环境的电路设计、信号转换、结构密封、可靠性标定等关键技术，其中刮刀芯柱电位式专用传感器将磨损量由目前30mm阈值测量提升到精度1 mm连续量测量，超过了国际上同类传感器技术水平；.3）基于磨损演化过程的试验研究及实测数据分析，对刀具磨损演化规律给予力学表征，建立刀具磨损状态判别的能量方法与预估模型，实现关键部件寿命与失效过程的力学建模与智能分析，在此基础上编制了便于工程应用的盾构掘进载荷与效能分析软件。.4）研制了盾构刮刀磨损无线监测装置，设计了无线传输、恒流放大等专用技术模块，解决了地下泥水、高强电磁场、旋转刀盘与密封舱环境下无线信号稳定传输的问题，形成一体化的掘进状态下刀具磨损状态测量技术与装置，并进行工程实践应用，首次实现了刮刀磨损连续、可靠、实时、无线测量。 .项目成果的科学意义在于将基础研究与高端装备制造中的关键核心技术研制相结合，将成果用于解决行业中遇到的复杂工况下载荷分析与关键力学量测量两个难题，并研制出便于实际应用的软硬件系统。项目成果从提高盾构装备制造水平以及减小施工中检测成本和减小事故风险三个方面体现了基础研究所产生的间接经济效益和重要社会意义，提高了我国盾构装备制造领域中的检测技术水平。