本發(fā)明涉及一種刀具檢測裝置及其檢測方法，尤其涉及一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置及刀具磨損量、刀具失效形式程度檢測方法。

背景技術：

1、地下空間資源的開發(fā)與利用，以及地下礦產資源的開采都離不開各種類型的破巖裝備。所述破巖裝備依賴各種破巖刀具來切割和破碎掌子面或工作面上的廣義巖土介質(含各類礦石、煤巖及板結土壤)等。由于破巖裝備所處地下地質條件的復雜多變、破巖載荷工況的惡劣以及刀巖作用機理復雜等，破巖刀具的切削刃部極易發(fā)生過度磨損等各類失效事故。

2、以環(huán)形滾壓式破巖刀具(以下引述為刀具)為例，這類刀具在垂直掌子面的垂直侵巖載荷，以及繞自身刀軸的摩擦轉矩綜合作用下，逐漸貫入掌子面巖層，并通過回轉滾壓的方式切割掌子面巖層，同時在相鄰刀具的耦合破巖效應作用下，實現(xiàn)對掌子面巖石的持續(xù)切割與破碎。刀具的切削刃(以下引述為切削刃)極易發(fā)生正常磨損失效(等徑向均勻磨損，且徑向磨損量達到35mm時)、弦磨、偏磨、斷裂等形式的失效。特別地，在三高(高圍壓、高巖石硬度和高石英含量)等極端地質條件下，更換或修理大型地下開挖裝備用刀具的時間約占總工作時間的1/3，而刀具的成本約為開挖施工成本的1/3?？梢姡谄茙r裝備服役條件下，實時監(jiān)測破巖刀具狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并更換失效刀具，可有效避免因刀具失效引發(fā)刀具整體破壞、刀盤變形解體等嚴重事故，并有助于降低刀具更換成本，最終保障此類大型地下開挖裝備的可靠運行。

3、目前，工程界主要采用“定期停機，人工檢修”的方式來保證此類大型地下開挖裝備的施工安全。在刀具磨損量檢查領域，存在諸如在軸承潤滑油中添加具有刺鼻異味的示味劑的被動檢測方法，但此類方法實時性差，可行性低；此外，還存在非接觸式刀具磨損量檢測方法，但存在提離距離過短(小于35mm)、探頭易受巖碴的刮擦影響，不適用于地下掘進惡劣工況。值得說明的是，尚未有成熟技術實時可靠地檢測刀具的工作狀態(tài)，并準確區(qū)分刀具的失效形式。

技術實現(xiàn)思路

1、為了克服上述局限性，本發(fā)明提供了一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置，其特征在于：

2、包括線圈組件；線圈組件包括激勵線圈和檢測線圈i；激勵線圈和檢測線圈i的端面均面向刀具設置；檢測線圈i設置于刀具與激勵線圈之間，且檢測線圈i與激勵線圈共軸配置；將方波脈沖信號輸入激勵線圈，激發(fā)刀具待檢查表面產生渦流場；檢測線圈i捕捉渦流場的變化，并采集渦流信號，進一步提取與刀具磨損量相關的特性參數(shù)。

3、檢測線圈i與刀具的待檢查表面相距一定的距離設置。

4、作為優(yōu)選，線圈組件還包括檢測線圈ii和檢測線圈iii；檢測線圈ii和檢測線圈iii共軸且對稱地布置于刀具兩側；檢測線圈i、檢測線圈ii和檢測線圈iii捕捉渦流場的變化，進一步提取與刀具失效形式及其失效程度相關的特性參數(shù)。

5、更為優(yōu)選，線圈組件的參數(shù)設置如下：線圈匝數(shù)為200；激勵線圈的內直徑為36mm、外直徑為70mm；檢測線圈內外直徑分別為30mm和40mm；激勵線圈高度為11.8mm，檢測線圈高度為10mm。

6、與本發(fā)明一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置配合使用的一種刀具檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

7、s1：采集刀具磨損量相對應的渦流信號，并提取與刀具磨損量相關的特征量；

8、s2：構建與刀具磨損量相關的特征量樣本；

9、s3：基于機器學習算法，建立刀具檢測分析模型；s4：驗證模型精度，若滿足精度要求，則轉入s5，否則返回s2，繼續(xù)增加特征量樣本的數(shù)量；

10、s5：提取未知刀具的特征量；

11、s6：預測刀具的磨損量。

12、作為優(yōu)選，s1中，選取電壓信號的積分值為特征量。

13、作為優(yōu)選，s1中，采用物理試驗手段采集特征量；將刀具切割成具有等徑向厚度的環(huán)狀單元；通過逐層疊加環(huán)狀單元來模擬具有不同刀具磨損量的刀具。

14、更為優(yōu)選，采用有限元仿真手段采集特征量；從刀具中截取其中一段，并建立具有相同的間隔厚度的刀具階梯狀有限元模型；通過參數(shù)化掃描的方式，連續(xù)采集特征量。

15、更為優(yōu)選，s3中，可以擇一地采用bp神經網絡或svm建立刀具檢測分析模型；

16、與本發(fā)明一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置配合使用的一種刀具檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

17、s1：確定刀具的失效形式與失效程度；

18、s2：構建與給定失效形式及其給定失效程度相關的特征量樣本；

19、s3：基于機器學習算法，訓練刀具檢測分析模型；

20、s4：驗證模型精度，若滿足精度要求，則轉入s5，否則返回s2，繼續(xù)增加特征量樣本的數(shù)量；

21、s5：提取未知刀具的特征量；

22、s6：預測刀具的失效形式與失效程度。

23、作為優(yōu)選，s1步中，刀具的失效形式分為斷裂、偏磨、弦磨/正常磨損失效；失效形式的失效程度可根據(jù)程度表征變量及其間隔梯度的大小予以表征。斷裂寬度取值范圍為1-5mm，其間隔梯度為0.2mm；偏磨量取值范圍為1-8mm，其間隔梯度為1mm；弦磨或正常磨損取值范圍為10-30mm，其間隔梯度均為2mm。

24、作為優(yōu)選，s2步中，選取線圈電壓峰值umax、峰值時間t和線圈磁鏈ψ為特征量。

25、本發(fā)明一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置及其檢測方法的有益之處在于：

26、1、不僅實現(xiàn)了刀具磨損量的主動檢測，還可實現(xiàn)刀具失效形式和失效程度的主動在線檢測，為施工方及時制定刀具檢修維護計劃提供了依據(jù)。

27、2、基于脈沖渦流的刀具檢測裝置中提離距離比傳統(tǒng)渦流檢測方法提升了約70％，有效避免了巖碴的刮擦影響。

技術特征：

1.一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置，其特征在于：包括線圈組件；線圈組件包括激勵線圈(1)和檢測線圈i(2-1)；激勵線圈(1)和檢測線圈i(2-1)均面向刀具設置；檢測線圈i(2-1)設置于刀具與激勵線圈(1)之間，且檢測線圈i(2-1)與激勵線圈(1)共軸配置；將方波脈沖信號輸入激勵線圈(1)，激發(fā)刀具待檢查表面產生渦流場；檢測線圈i(2-1)捕捉渦流場的變化，并采集渦流信號，進一步提取與刀具磨損量相關的特性參數(shù)；檢測線圈i(2-1)與刀具的待檢查表面相距一定的距離設置。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置，其特征在于：線圈組件還包括檢測線圈ii(2-2)和檢測線圈iii(2-3)；檢測線圈ii(2-2)和檢測線圈iii(2-3)共軸且對稱地布置于刀具兩側；檢測線圈i(2-1)、檢測線圈ii(2-2)和檢測線圈iii(2-3)捕捉渦流場的變化，進一步提取與刀具失效形式及其失效程度相關的特性參數(shù)。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置，其特征在于：線圈組件的參數(shù)設置如下：線圈匝數(shù)為200；激勵線圈(1)的內直徑為36mm、外直徑為70mm；檢測線圈i(2-1)內外直徑分別為30mm和40mm；激勵線圈(1)高度為11.8mm，檢測線圈i(2-1)高度為10mm。

4.與權利要求1、3中任意一項所述的一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置配合使用的一種刀具檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

5.根據(jù)權利要求4所述的一種刀具檢測方法，其特征在于：s1中，選取電壓信號的積分值為特征量；s3中，可以擇一地采用bp神經網絡或svm建立刀具檢測分析模型。

6.根據(jù)權利要求4所述的一種刀具檢測方法，其特征在于：采用物理試驗手段采集特征量；將刀具切割成具有等徑向厚度的環(huán)狀單元；通過逐層疊加環(huán)狀單元來模擬具有不同刀具磨損量的刀具。

7.根據(jù)權利要求4所述的一種刀具檢測方法，其特征在于：采用有限元仿真手段采集特征量；從刀具中截取其中一段，并建立具有相同的間隔厚度的刀具階梯狀有限元模型；通過參數(shù)化掃描的方式，連續(xù)采集特征量。

8.與權利要求2所述的一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置配合使用的一種刀具檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

9.根據(jù)權利要求8所述的一種刀具檢測方法，其特征在于：

10.根據(jù)權利要求8所述的一種刀具檢測方法，其特征在于：

技術總結
一種基于脈沖渦流的刀具檢測裝置，其特征在于：包括線圈組件；線圈組件包括激勵線圈(1)和檢測線圈I(2?1)、檢測線圈II(2?2)以及檢測線圈III(2?3)；激勵線圈(1)和檢測線圈I(2?1)的端面均面向刀具設置；檢測線圈I(2?1)設置于刀具與激勵線圈(1)之間；檢測線圈II(2?2)和檢測線圈III(2?3)共軸且對稱地布置于刀具兩側；激勵線圈(1)通過方波脈沖信號激發(fā)刀具表面產生渦流場，檢測線圈用于捕捉渦流場變化并提取相關信號特征。一種刀具檢測方法，包括特征量采集、樣本構建、機器學習模型訓練與精度驗證等步驟。本發(fā)明不僅實現(xiàn)了刀具磨損量的主動檢測，還可實現(xiàn)刀具失效形式和失效程度的主動在線檢測。

技術研發(fā)人員：張魁,陽波
受保護的技術使用者：湘潭大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9