李東利，孫志洪，任德志，孫　偉

(1.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州　450016；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng)　471003)

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電渦流傳感器在盾構(gòu)滾刀磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李東利1，孫志洪1，任德志2，孫偉1

(1.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州450016；2.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng)471003)

摘要：為了在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾刀的磨損和工作情況，建立一套基于電渦流傳感器的滾刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將滾刀刀圈與傳感器之間的距離變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后得到滾刀刀圈的磨損量。重點(diǎn)探討電渦流傳感器的檢測(cè)機(jī)制，并設(shè)計(jì)制作結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)量精度較高的非接觸式電渦流傳感器。結(jié)合某工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了滾刀磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明了電渦流傳感器在該系統(tǒng)中的有效性。

關(guān)鍵詞：電渦流傳感器；盾構(gòu)；滾刀；磨損監(jiān)測(cè)；溫度補(bǔ)償

0引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，盾構(gòu)已成為我國(guó)資源開(kāi)發(fā)及基礎(chǔ)建設(shè)中必不可少的重要裝備。由于工作環(huán)境惡劣，盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)滾刀極易磨損，進(jìn)而可影響設(shè)備的工作性能。根據(jù)滾刀磨損的形態(tài)特征和程度，其磨損狀況可分為正常磨損、刀圈偏磨、刀圈崩裂、刀圈移位或脫落等形式[1-2]。滾刀以磨損為主的各種失效狀態(tài)都會(huì)使盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)扭矩增大，從而影響掘進(jìn)速度，此時(shí)要檢查滾刀磨損情況,否則會(huì)進(jìn)一步加大對(duì)滾刀的磨損，情節(jié)嚴(yán)重時(shí)將造成軸承、端蓋、刀轂等部件的報(bào)廢和刀盤(pán)的磨損[3-4]。目前，刀具磨損主要依靠液壓系統(tǒng)的壓力變化完成檢測(cè)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且檢測(cè)精度較低。為了能夠有效地解決滾刀磨損檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于電渦流傳感器的滾刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5-6]。

盡管市場(chǎng)上的電渦流傳感器很多，但由于其尺寸限制以及線性范圍與傳感器尺寸的矛盾等因素而不適用于該系統(tǒng)。另外，在傳統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，引入LabVIEW 虛擬儀器控件[7]，用軟件對(duì)電渦流傳感器設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償，可以尋求到最佳的線性工作關(guān)系。因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)適用于該系統(tǒng)的電渦流傳感器勢(shì)在必行。文獻(xiàn)[5-6]介紹了滾刀磨損檢測(cè)系統(tǒng)及軟硬件設(shè)計(jì)，本文側(cè)重于對(duì)電渦流傳感器在該系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)制作適用于該系統(tǒng)的電渦流傳感器，并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。

1滾刀磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

滾刀磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、中繼路由和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

終端節(jié)點(diǎn)安裝于相應(yīng)的滾刀刀箱內(nèi)，中繼路由安裝于密封艙隔板上，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在盾構(gòu)的主控制室。終端節(jié)點(diǎn)的采樣模塊對(duì)滾刀狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，獲取相應(yīng)的信號(hào)并傳送給微控單元，經(jīng)微控單元進(jìn)行分析處理后的數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式傳送給無(wú)線收發(fā)模塊，無(wú)線收發(fā)模塊對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送給中繼路由。中繼路由接收到終端節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行相應(yīng)的放大解調(diào)后將數(shù)字信號(hào)以有線通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為方便操作人員觀測(cè)的圖、表等形式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)需要切換終端節(jié)點(diǎn)的工作模式或工作狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)有線通信向中繼路由發(fā)送命令，中繼路由通過(guò)無(wú)線通信將命令下發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能。

2電渦流傳感器的檢測(cè)機(jī)制

由于滾刀工作時(shí)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，該系統(tǒng)必須為非接觸式測(cè)量；考慮滾刀的工作環(huán)境，該系統(tǒng)需要對(duì)油污、塵埃、水、泥土等不敏感；由于更換不方便，該系統(tǒng)的傳感器必須可以長(zhǎng)期工作且可靠性高。因此，該系統(tǒng)采用電渦流傳感器測(cè)量傳感器探頭和滾刀刀圈的距離變化，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾刀刀圈的磨損。

2.1電渦流傳感器的工作原理

電渦流傳感器是一種無(wú)損檢測(cè)法，基本結(jié)構(gòu)包括被測(cè)的金屬導(dǎo)體和傳感器探頭中的激勵(lì)線圈，其工作原理如圖2所示。激勵(lì)線圈是由一組同心圓導(dǎo)線所繞成的線圈繞組，傳感器工作時(shí)在傳感器的激勵(lì)線圈中通以一定頻率的高頻交變電流[8-10]。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器的激勵(lì)線圈中通以正弦交變電流i1時(shí)，線圈周圍空間將產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1，它使置于此磁場(chǎng)中的被測(cè)金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流i2(即電渦流)，電渦流i2又會(huì)產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2。H2與H1方向相反，并力圖削弱H1，從而導(dǎo)致激勵(lì)線圈的等效阻抗相應(yīng)地發(fā)生變化。影響阻抗的參數(shù)是由線圈的物理性質(zhì)決定的，包括磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈尺寸因子、線圈與金屬導(dǎo)體的距離、激勵(lì)電流強(qiáng)度和頻率等。線圈的阻抗

z=F(μ,σ,r,x,I,f)[10]。

(1)

由式(1) 可知，當(dāng)上述參數(shù)中只有一個(gè)參數(shù)變化而保持其他參數(shù)不變時(shí)，線圈阻抗成為該參數(shù)的單值函數(shù)。如當(dāng)改變激勵(lì)線圈與金屬導(dǎo)體的間距并保持其他參數(shù)不變，則可通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量電路通過(guò)測(cè)得值的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器探頭與金屬表面間距的測(cè)量。

圖2　電渦流傳感器的工作原理

2.2電渦流傳感器的檢測(cè)方案

電渦流傳感器安裝于滾刀刀圈前側(cè)，隨著滾刀的磨損，滾刀刀圈與電渦流傳感器探頭的間距逐漸增大，導(dǎo)致電渦流傳感器的輸出電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)滾刀的磨損監(jiān)測(cè)。此種方法安裝方便，對(duì)滾刀工作狀態(tài)影響較小，其安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　安裝結(jié)構(gòu)

3電渦流傳感器的研制

3.1感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)

感應(yīng)線圈的尺寸和形狀關(guān)系到傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍，利用Matlab軟件得到傳感器線圈的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)[11]：外徑為45 mm，內(nèi)徑為40 mm，軸向厚度為10 mm，匝數(shù)為60匝，線徑為0.1 mm。

將φ0.1 mm×40股的紗包線纏繞在骨架上，纏繞的同時(shí)用黏合劑粘結(jié)，防止線圈松動(dòng)。纏繞結(jié)束后用萬(wàn)用表測(cè)量線圈的電阻，如果電阻為無(wú)窮大，說(shuō)明線圈斷路，則線圈作廢。將纏繞好的線圈放置于罐型GU48磁芯中，同時(shí)將2根引線接到外面，然后用黏合劑粘結(jié)固定線圈在磁芯中的位置。

為了保護(hù)感應(yīng)線圈，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)徑為48 mm、外徑為60 mm的POM保護(hù)殼，將裝有感應(yīng)線圈的磁芯放置于保護(hù)殼中形成間隙配合，線圈的2根引線用膠棒澆注固定，制成電纜后由磁芯側(cè)面的缺口引出。制作完成的感應(yīng)線圈如圖4所示。

圖4　制作完成的感應(yīng)線圈

3.2測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

定頻調(diào)幅式電渦流傳感器的電路原理圖如圖5所示，其特點(diǎn)是輸出可以被調(diào)理為直流電壓，優(yōu)勢(shì)在于調(diào)節(jié)為直流電壓后，采用指數(shù)運(yùn)算電路對(duì)傳感器的非線性段進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，可最大限度地?cái)U(kuò)大傳感器量程[12-13]。作為振蕩的主要元件，電渦流傳感器的線圈與固定電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路。測(cè)量時(shí)，線圈L的電感值將由于電渦流作用而減小，諧振回路失調(diào)，使回路Q值降低，諧振曲線變鈍，振蕩幅值下降，這種變化對(duì)應(yīng)于距離的變化。

圖5　定頻調(diào)幅式電渦流傳感器電路

Fig.5Circuit of constant frequency modulated eddy-current sensor

選擇S9013為核心部件構(gòu)建載波發(fā)生器，用于產(chǎn)生幅值穩(wěn)定的各種振蕩信號(hào)。由于S9013產(chǎn)生的信號(hào)帶負(fù)載的能力比較弱，在其輸出信號(hào)后面加一級(jí)功率放大，讓激勵(lì)源的帶負(fù)載能力更強(qiáng)，輸出更穩(wěn)定。放大器前面的信號(hào)就是電渦流傳感器轉(zhuǎn)換電路后的輸出信號(hào)，輸出電壓的幅值會(huì)隨檢測(cè)線圈和被測(cè)物體的距離而有所改變。射級(jí)跟隨器的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)檢波、濾波，即可得到所需要的直流信號(hào)，為了取得低頻有用信號(hào)，還必須使用濾波器濾除高頻分量。

4實(shí)驗(yàn)及性能研究

4.1實(shí)驗(yàn)

在南寧地鐵1號(hào)線工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，考慮到盾構(gòu)施工工況的復(fù)雜性，使用不銹鋼保護(hù)殼，并配合使用聚氨酯密封膠確保傳感器的使用壽命。將終端節(jié)點(diǎn)安裝于相應(yīng)的滾刀刀箱內(nèi)，路由安置于密封艙隔板上，開(kāi)啟盾構(gòu)系統(tǒng)使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)。通過(guò)數(shù)據(jù)線將信號(hào)傳送至PC上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾刀的磨損和工作狀態(tài)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用 LabVIEW 編程，實(shí)現(xiàn)了 PC 上位機(jī)與中繼路由之間的通信，將接收到的數(shù)據(jù)以圖片及表格的形式顯示。同時(shí)對(duì)電渦流傳感器設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償，尋求最佳的線性工作關(guān)系。

系統(tǒng)安裝完成后，調(diào)整傳感器和滾刀之間的距離。傳感器的輸出電壓-位移關(guān)系如表1所示。

表1傳感器的輸出電壓-位移關(guān)系

Table 1Relationship between output voltage and displacement for sensor

位移/mm輸出電壓/V0020.2240.4460.6580.86101.09121.30141.55161.76181.98202.20222.42242.60262.75282.88303.00位移/mm輸出電壓/V323.10343.18363.25383.30403.31423.32443.33463.34483.35503.35523.35543.35563.35583.35603.35

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出電渦流傳感器輸出電壓與距離之間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，傳感器基本沒(méi)有死區(qū)，輸出電壓隨距離的增大而增大，且隨著距離的增大傳感器的靈敏度逐漸降低。當(dāng)距離在0～25 mm時(shí)，電壓隨距離的變化基本呈線性關(guān)系；當(dāng)距離在25～40 mm時(shí)，電壓隨距離的變化呈非線性關(guān)系；當(dāng)距離大于40 mm時(shí)，電壓隨距離的變化基本不再變化。由于曲線并非完全呈線性，為盡量擴(kuò)大傳感器量程，需要通過(guò)標(biāo)定的方式確定相應(yīng)電壓所對(duì)應(yīng)的磨損量[14]，將電壓-位移曲線存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)采集到相應(yīng)的電壓時(shí)，通過(guò)插補(bǔ)的方式計(jì)算出磨損量即可。

4.2性能研究

電渦流傳感器由感應(yīng)線圈和測(cè)量電路構(gòu)成。傳感器的感應(yīng)線圈由繞組線繞制而成，其金屬性質(zhì)隨溫度改變，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的熱膨脹系數(shù)使其尺寸隨溫度發(fā)生變化；構(gòu)成測(cè)量電路的電阻、二極管、三極管及電容等特性會(huì)受到環(huán)境溫度的影響；制作傳感器時(shí)使用的黏合劑等物質(zhì)在溫度較高時(shí)其性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。因此，當(dāng)溫度變化時(shí)，傳感器特性會(huì)隨之發(fā)生變化[15]。當(dāng)線圈溫度變高時(shí)，傳感器輸出電壓變低；當(dāng)測(cè)量電路溫度變高時(shí)，傳感器輸出電壓變高。因此可通過(guò)測(cè)量電路板上的元器件溫度特性平衡線圈的變化，改善傳感器溫度特性。

圖6　傳感器輸出電壓隨測(cè)量距離的變化曲線

Fig.6Curve showing relationship between output voltage of sensor and measuring distance

將硬件溫度補(bǔ)償后的電渦流傳感器置于密閉環(huán)境中加熱，溫度從19 ℃上升至40 ℃，然后取出傳感器自然冷卻至20 ℃，之后再次加熱。測(cè)量該電渦流傳感器在空載時(shí)不同溫度下的采樣值，其溫度特性如圖7所示，2條曲線分別表示2次測(cè)量過(guò)程中傳感器采樣值與溫度之間的關(guān)系。在溫度升高的過(guò)程中傳感器采樣值隨之增大，溫度從19 ℃上升至40 ℃過(guò)程中，傳感器采樣值變化約為25個(gè)數(shù)值且具有較好的重復(fù)性，因此可利用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)減小溫度對(duì)測(cè)量的影響。補(bǔ)償后再次進(jìn)行溫度試驗(yàn)，得出傳感器采樣值與溫度之間的關(guān)系如圖8所示。

圖7　傳感器采樣值隨溫度變化曲線(補(bǔ)償前)

Fig.7Curves showing relationship between sensor sampling value and temperature (before temperature compensation)

圖8　傳感器采樣值隨溫度變化曲線(補(bǔ)償后)

Fig.8Curve showing relationship between sensor sampling value and temperature (after temperature compensation)

如圖8所示，溫度補(bǔ)償后傳感器采樣值隨溫度升高略有增大，溫度從25 ℃上升至36 ℃的過(guò)程中，傳感器采樣值變化在3個(gè)之內(nèi)，與溫度補(bǔ)償前25個(gè)數(shù)值的變化相比有明顯改善。由圖8可知，經(jīng)補(bǔ)償過(guò)后的傳感器采樣值隨溫度變化大致為每攝氏度0.25個(gè)數(shù)字，即每攝氏度0.15 mV的變化，對(duì)測(cè)量精度影響在可接收范圍內(nèi)。

5結(jié)論與討論

本文在分析介紹滾刀磨損狀況及原因的基礎(chǔ)上，建立了一套基于電渦流傳感器的滾刀磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。針對(duì)盾構(gòu)惡劣的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)制作了探頭直徑48 mm、測(cè)量范圍0～25 mm、分辨率1 mm的電渦流傳感器。經(jīng)工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和性能優(yōu)化，該電渦流傳感器可應(yīng)用于滾刀磨損的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并獲取了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。但由于盾構(gòu)工況的復(fù)雜性，該系統(tǒng)在以下方面有待進(jìn)一步優(yōu)化：1)無(wú)線通信方面。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)通信不暢的情況，下一步需要對(duì)天線的選擇及其保護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，減小其對(duì)無(wú)線信號(hào)的衰減，以確保無(wú)線通信的暢通。2)傳感器精度方面。滾刀發(fā)生磨損時(shí)不僅其刀刃與傳感器之間的距離增大，而且其刃寬也會(huì)增大，進(jìn)而影響傳感器的輸出，下一步研究需要制作不同的滾刀模型對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，從而提高測(cè)量精度。

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Study of Application of Eddy-current Sensor to Disc-cutter Wear Monitoring System of Shield Machines

LI Dongli1,SUN Zhihong1,REN Dezhi2,SUN Wei1

(1.China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,Henan,China;2.Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,Henan,China)

Abstract:A real-time disc-cutter wear monitoring system of shield machine based on eddy-current sensor is established so as to control the wear and working status of disc-cutter.The distance variations between disc-cutter ring and sensor are turned into electrical signal and then based on which the wear of disc-cutter ring can be calculated.The detection mechanism of eddy-current sensor is discussed emphatically.The non-contact eddy-current sensor with compact structure and high detecting accuracy is designed.The temperature compensation is carried out in a project and real-time disc-cutter wear monitoring is realized.The testing results illustrate that the eddy-current sensor is feasible for the monitoring system.

Keywords:eddy-current sensor;shield machine;disc-cutter;wear monitoring;temperature compensation

收稿日期：2015-12-15;修回日期:2016-02-27

第一作者簡(jiǎn)介：李東利(1987—)，男，河南柘城人，2013年畢業(yè)于沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事隧道設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及科研工作。E-mail：liovzhe@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.018

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)06-0766-05