沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 寧海洋 姚 麗

1 引言

由于盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境惡劣，掘進(jìn)時(shí)滾刀刀圈容易磨損。隨著滾刀刀圈磨損加重，它將進(jìn)入失效狀態(tài),如果這些磨損狀況嚴(yán)重的滾刀不能及時(shí)更換，就會(huì)加重剩余滾刀的磨損，形成惡化循環(huán)[1]。根據(jù)塞卡耐磨性指數(shù)CAI和滾刀在刀盤上的位置進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，受到很多其它干擾，檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確[3]。盾構(gòu)施工中滾刀的磨損狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)已成為國(guó)外挖掘設(shè)備制造商研究的核心技術(shù)。因此，通過仿真設(shè)計(jì)提出渦流線圈優(yōu)化方案，并建立對(duì)應(yīng)的在線檢測(cè)平臺(tái)，使得施工人員能夠了解滾刀磨損狀態(tài)。

2 滾刀磨損渦流檢測(cè)原理

電渦流位移傳感器的設(shè)計(jì)原理是依據(jù)電渦流效應(yīng)。這種傳感器主要由傳感器探頭，振蕩電路，穩(wěn)壓放大電路和封裝外殼組成[4]。信號(hào)處理電路對(duì)高頻振蕩信號(hào)穩(wěn)壓、濾波、檢波、放大處理后，輸出與測(cè)量的位移成正比的電壓量。

如圖2.1原理圖所示，在一塊導(dǎo)磁金屬板正上方，距離金屬板d處有一個(gè)通有高頻激勵(lì)電流的環(huán)形線圈，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在其正下方的金屬板表面就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這樣就會(huì)形成閉合電渦流。同時(shí)，高頻電渦流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙線圈磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)，導(dǎo)致線圈的等效電感L發(fā)生變化[6]。

圖2 .1 電渦流作用原理圖

根據(jù)等效電路計(jì)算得到方程式：

經(jīng)過簡(jiǎn)化整理，線圈等效電感為：

式中，R1為線圈電阻，R2為被測(cè)金屬導(dǎo)體渦流回路電阻，U為激勵(lì)電壓，L1為線圈電感，L2為金屬導(dǎo)體渦流回路電感，ω為激勵(lì)電流頻率，I1為激勵(lì)電流，I2為感應(yīng)電流，M為線圈與導(dǎo)體渦流環(huán)間互感系數(shù)[7]。

根據(jù)上面的公式，除了線圈和導(dǎo)體之間的距離d以外的所有參數(shù)都是被測(cè)金屬的固有屬性。根據(jù)推導(dǎo)的公式（2.3），可以看出金屬導(dǎo)體與線圈之間的互感系數(shù)的平方與線圈電感呈正比關(guān)系。但如果根據(jù)麥克斯韋互感系數(shù)的基本公式推演，在一定范圍內(nèi)可以將這些函數(shù)關(guān)系近似地通過某一線性函數(shù)來表示[8]。

3 滾刀磨損檢測(cè)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

3.1 線圈內(nèi)徑對(duì)磁場(chǎng)分布的影響

由于滾刀刀圈形狀的特殊性，刀圈外表面呈楔形，滾刀刀圈被測(cè)面積小，電磁場(chǎng)在刀圈表面不可能影響范圍是有限的，有一定的徑向形成范圍，而滾刀刀圈周圍磁場(chǎng)大小與形成范圍主要受電渦流傳感器探頭線圈外徑和內(nèi)徑影響，為了提高檢測(cè)效率，針對(duì)線圈內(nèi)徑與外徑參數(shù)對(duì)滾刀刀圈周圍環(huán)境中磁場(chǎng)分布的影響進(jìn)行仿真，為電渦流傳感器探頭參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

設(shè)定檢測(cè)線圈外徑為12.5mm，厚度為3mm，線圈匝數(shù)為4000匝，激勵(lì)電流為0.5A，線圈與滾刀刀圈初始距離設(shè)定為8mm，激勵(lì)頻率為100kHz，內(nèi)徑分別取3mm、5mm、7mm、9mm，為了分析線圈外徑對(duì)Bp-d曲線帶來的影響，取線圈中心到刀圈被測(cè)中心點(diǎn)的一條三維截線，即在線圈軸向方向上添加一條三維截線，利用COMSOL后處理里面的一維繪圖組畫出截線上的磁通密度模變化，作出四種線圈外徑情況下的Bp-d曲線，如圖3.1所示。

可以看出，半徑小的載流圓線圈，在距離線圈近處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，同時(shí)其磁感應(yīng)強(qiáng)度下降也快。可以看出線圈內(nèi)徑越大，線圈的磁場(chǎng)軸向分布范圍越大，但其磁感應(yīng)強(qiáng)度下降慢。也就是說，電渦流傳感器的線圈內(nèi)徑越大，線性范圍就會(huì)越大，但靈敏度越低。在量程達(dá)到要求的情況下盡量選擇小內(nèi)徑線圈，這樣既可以提高測(cè)量靈敏度，又可以使檢測(cè)結(jié)果更趨向被測(cè)刀圈近表面。綜合考慮內(nèi)徑選擇3mm的線圈比較合適。

圖3 .1 線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

3.2 線圈外徑對(duì)磁場(chǎng)分布的影響

設(shè)定檢測(cè)線圈內(nèi)徑為3mm，厚度為3mm，線圈匝數(shù)為4000，激勵(lì)電流為0.5A，激勵(lì)頻率為100kHz，線圈與滾刀刀圈初始距離設(shè)定為8mm，線圈外徑分別取10mm、15mm、20mm、25mm，取線圈中心到刀圈被測(cè)中心點(diǎn)的一條三維截線，這樣方便分析各種線圈外徑對(duì)Bp-d曲線的影響，畫出截線上的磁通密度模變化，作出四種線圈外徑情況下的Bp-d曲線，見圖3.2所示。

圖3 .2 線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

從圖3.2可以看出，半徑小的載流圓線圈，在近圓線圈處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，但是其磁感應(yīng)強(qiáng)度下降速度也更快?？梢钥闯鼍€圈外徑越大，線圈的磁場(chǎng)軸向分布范圍會(huì)越大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化梯度越小。也就是說，外徑越大的電渦流傳感器系統(tǒng)，檢測(cè)線性范圍將越大，但靈敏度會(huì)越低。所以可以得出在量程達(dá)到要求的情況下，盡量選擇小外徑線圈，這樣既可以提高測(cè)量靈敏度，又可以使檢測(cè)結(jié)果更趨向被測(cè)刀圈近表面。這里外徑選擇15mm的線圈最合適。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)計(jì)檢測(cè)探頭，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)效果驗(yàn)證仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳感器更適合滾刀磨損檢測(cè)，其中制作的線圈厚度為3mm，圓線圈外徑徑為15mm，內(nèi)徑為3mm，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的19英寸滾刀刀圈，進(jìn)行滾刀磨損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

將滾刀刀圈放置于滾動(dòng)圓形轉(zhuǎn)盤上，精準(zhǔn)對(duì)齊滾刀圓心與轉(zhuǎn)盤圓心，這樣滾刀刀圈可以在轉(zhuǎn)盤上沿著轉(zhuǎn)盤圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，將探頭固定在正對(duì)刀圈徑向距離8mm的位置上，保證檢測(cè)過程中探頭位置始終保持不變。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤就可以對(duì)滾刀一周的28個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，刀圈28個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中13～15號(hào)測(cè)量點(diǎn)磨損比較嚴(yán)重。勻速轉(zhuǎn)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)滾刀刀圈，用搭建的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)滾刀刀圈一周進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4.1所示。

圖4 .1 測(cè)量結(jié)果與實(shí)際磨損對(duì)比圖

從圖5.7可以看出，檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)出13～15檢測(cè)位置磨損量比較大，其中刀圈磨損距離最大為5.91mm，最小值為2.66mm，測(cè)得結(jié)果的最大絕對(duì)誤差是0.25mm，最大相對(duì)誤差為8.6%，測(cè)量數(shù)據(jù)能較好的反映滾刀刀圈的實(shí)際磨損距離。