【技術實現步驟摘要】
本申請涉及刀具監測，尤其涉及一種載荷自感知掘進刀具及刀具監測方法。
技術介紹
1、隨著城市地下設施的迅速發展，掘進設備的需求也在不斷增長。掘進裝備主要依靠刀盤上的掘進刀具實現破巖。目前現有的監測刀具工況的設備都外掛在刀箱座上，復雜惡劣的掘進環境導致其穩定性不佳。
2、現有技術中通常采用非集成封裝的傳感設備對刀具進行監測，非集成封裝的傳感設備對工作環境要求較高，工作時易受到多塵、高溫和強振等外部因素的影響導致數據采集困難甚至設備損壞。其次，非集成封裝的傳感器之間需要更多連線以至占用更大空間，在刀具內部空間受限的應用場合，增加了裝配和布局困難性，限制了設備設計的靈活性。同時非集成封裝的傳感設備因空間尺寸限制不能安裝多種類型的感測元件，只能監測單一參數，以致難以準確分析掘進刀具的實際工作狀況。
技術實現思路
1、本申請實施例提供了一種載荷自感知掘進刀具及刀具監測方法，用于解決如下技術問題：非集成封裝的傳感設備因空間尺寸限制不能安裝多種類型的感測元件，只能監測單一參數，以致難以準確分析掘進刀具的實際工作狀況。
2、本申請實施例采用下述技術方案：
3、本申請實施例提供一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，刀具包括：刀具本體、多源傳感器集成模組以及上位機；刀具本體的刀軸軸心處設有軸向中心盲孔；多源傳感器集成模組的保護殼與軸向中心盲孔的內壁貼合，多源傳感器集成模組包括多源傳感器模塊、自發電模塊與信號傳輸模塊；多源傳感器集成模組與上位機無線連接，多源傳感器集成模組
4、本申請實施例在保證刀具整體剛度和強度的基礎上，通過安裝高度集成的傳感器和自發電模塊，解決了在掘進刀盤刀具中布線難的問題。同時本申請實施例的前端集成模組為一體化設計，通過在刀軸一側軸心吊裝孔處加工相應盲孔，將各種不同類型和不同尺寸的掘進刀具改裝為具有感知功能的智能刀具，不影響刀具正常工作，提高了刀具的適用性。此外，本申請實施例通過多源傳感器實時監測掘進刀具的多種狀態參數，用戶實時獲取單把刀具的運行狀況，同時可通過綜合對比分析刀具陣列的運行情況評估刀盤的整體工況和潛在故障。
5、在本申請的一種實現方式中，多源傳感器模塊包括力傳感器、振動傳感器與溫度傳感器；力傳感器貼附于多源傳感器集成模組的內壁撓性結構上，力傳感器用于獲取載荷自感知刀具的受力數據；振動傳感器設置于多源傳感器集成模組的中軸線上，振動傳感器為mems加速度計；振動傳感器用于獲取載荷自感知刀具的振動數據；溫度傳感器設置于多源傳感器集成模組的內側，且與掘進刀具安裝軸承內圈相鄰，裝配后的溫度傳感器位于軸向中心盲孔的底部，用于獲取載荷自感知刀具的溫度數據。
6、在本申請的一種實現方式中，振動傳感器還包括三向振動感測元件、薄膜電阻層與信號調理電路；三向振動感測元件，用于測量載荷自感知掘進刀具在三個正交方向上的振動幅度和頻率；薄膜電阻層，用于通過檢測振動引起的應變變化以測量振動強度；信號調理電路，用于將獲取到的振動信號進行放大處理、濾波處理和轉換處理，以生成振動信號對應的數字信號。
7、在本申請的一種實現方式中，溫度傳感器設置有溫感元件；溫感元件設置于多源傳感器集成模組的保護殼的側面開口處；溫感元件設置有溫度感測探針；溫度感測探針外露放置，且溫度感測探針外露高度低于多源傳感器集成模組的保護殼的表面。
8、在本申請的一種實現方式中，自發電模塊與信號傳輸模塊連接；自發電模塊為環形薄膜壓電自發電模塊，自發電模塊設置于多源傳感器集成模組的表面外壁上；自發電模塊通過信號傳輸模塊的數據線向多源傳感器模塊供電。
9、在本申請的一種實現方式中，信號傳輸模塊與多源傳感器模塊連接；信號傳輸模塊設置于多源傳感器集成模組的底部，裝配后位于軸向中心盲孔的頂部。
10、在本申請的一種實現方式中，軸向中心盲孔的尺寸與多源傳感器集成模組的保護殼的尺寸相匹配；軸向中心盲孔的開口端設置有密封支撐機構；多源傳感器集成模組與軸向中心盲孔的內壁間，填充有減震密封膠。
11、本申請實施例提供一種刀具監測方法，方法包括：上位機接收多源傳感器集成模組上傳的刀具多源信號；上位機對刀具多源信號進行預處理與特征提取，并基于提取的特征數據生成特征矩陣；上位機將各特征數據分別與相應的預設閾值進行比對，以確定出異常點，并基于異常點確定出刀具的異常狀態；上位機基于預置函數確定出刀具多源信號之間的互相關系數，基于互相關系數確定出刀具多源信號在時域與頻域上的關聯性；上位機基于關聯性確定出刀具的工況類型，基于工況類型生成工況預警信號，并將工況類型與刀具多源數據反饋至刀具管理系統，以實現對刀具的監測。
12、在本申請的一種實現方式中，上位機基于預置函數確定出刀具多源信號之間的互相關系數，基于互相關系數確定出刀具多源信號在時域與頻域上的關聯性，具體包括：上位機基于刀具多源信號對應的時域特征與預置函數，確定出刀具多源信號之間的互相關系數，以對刀具多源信號的時域相關性進行量化；其中刀具多源信號包括壓力信號、振動信號以及溫度信號；上位機通過快速傅里葉將刀具多源信號從時域轉換為頻域，得到刀具多源信號對應的頻譜，以對刀具多源信號進行頻域特征提取；上位機基于刀具多源信號在同一時間段內的同步性，確定出刀具多源信號對應的時域信號相關性；上位機基于刀具多源信號在不同頻率范圍內的一致性，確定出刀具多源信號對應的頻域信號相關性。
13、在本申請的一種實現方式中，上位機基于關聯性確定出刀具的工況類型，具體包括：振動信號與壓力信號的均值、均方根值在時域上相關性大于預設第一相關性閾值，且頻域特征中低頻段對應的能量占比大于預置能量占比值，確定刀具處于正常工況；時域特征中振動信號與溫度信號相關性大于預設第二相關性閾值，且頻域特征中溫度信號出現新的高頻分量，確定刀具處于磨損工況；時域特征中壓力信號的波動值大于預設波動閾值，且頻域特征中振動信號的主頻率與壓力信號的主頻率分布不一致，確定刀具處于異常振動工況。
14、本申請實施例采用的上述至少一個技術方案能夠達到以下有益效果：本申請實施例在保證刀具整體剛度和強度的基礎上，通過安裝高度集成的傳感器和自發電模塊，解決了在掘進刀盤刀具中布線難的問題。同時本申請實施例的前端集成模組為一體化設計，通過在刀軸一側軸心吊裝孔處加工相應盲孔，將各種不同類型和不同尺寸的掘進刀具改裝為具有感知功能的智能刀具，不影響刀具正常工作，提高了刀具的適用性。此外，本申請實施例通過多源傳感器實時監測掘進刀具的多種狀態參數，用戶實時獲取單把刀具的運行狀況，同時可通過綜合對比分析刀具陣列的運行情況評估刀盤的整體工況和潛在故障。
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1.一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述刀具包括：刀具本體、多源傳感器集成模組以及上位機；
2.根據權利要求1所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述多源傳感器模塊包括力傳感器、振動傳感器與溫度傳感器；
3.根據權利要求2所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述振動傳感器還包括三向振動感測元件、薄膜電阻層與信號調理電路；
4.根據權利要求2所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述溫度傳感器設置有溫感元件；
5.根據權利要求1所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述自發電模塊與所述信號傳輸模塊連接；
6.根據權利要求1所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述信號傳輸模塊與所述多源傳感器模塊連接；
7.根據權利要求1所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述軸向中心盲孔的尺寸與所述多源傳感器集成模組的保護殼的尺寸相匹配；
8.一種刀具監測方法，其特征在于，所述方法包括：
9.根據權利要求8所述的一種刀具監測方法，其特征在于，所述上位機基于預置函數確定出
10.根據權利要求8所述的一種刀具監測方法，其特征在于，所述上位機基于所述關聯性確定出所述刀具的工況類型，具體包括：
...【技術特征摘要】
1.一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述刀具包括：刀具本體、多源傳感器集成模組以及上位機；
2.根據權利要求1所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述多源傳感器模塊包括力傳感器、振動傳感器與溫度傳感器；
3.根據權利要求2所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述振動傳感器還包括三向振動感測元件、薄膜電阻層與信號調理電路；
4.根據權利要求2所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述溫度傳感器設置有溫感元件；
5.根據權利要求1所述的一種載荷自感知掘進刀具，其特征在于，所述自發電模塊與所述信號傳輸模塊連接；
6.根據權利要求1所述的...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱洪濤，劉廣源，張九鑫，張慧平，劉盾，李潤祺，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：
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