盾构机滚刀涡流检测的仿真设计

沈阳工业大学信息科学与工程学院 宁海洋 姚 丽

1 引言

由于盾构机工作环境恶劣，掘进时滚刀刀圈容易磨损。随着滚刀刀圈磨损加重，它将进入失效状态,如果这些磨损状况严重的滚刀不能及时更换，就会加重剩余滚刀的磨损，形成恶化循环[1]。根据塞卡耐磨性指数CAI和滚刀在刀盘上的位置进行寿命预测，受到很多其它干扰，检测结果不准确[3]。盾构施工中滚刀的磨损状态检测技术已成为国外挖掘设备制造商研究的核心技术。因此，通过仿真设计提出涡流线圈优化方案，并建立对应的在线检测平台，使得施工人员能够了解滚刀磨损状态。

2 滚刀磨损涡流检测原理

电涡流位移传感器的设计原理是依据电涡流效应。这种传感器主要由传感器探头，振荡电路，稳压放大电路和封装外壳组成[4]。信号处理电路对高频振荡信号稳压、滤波、检波、放大处理后，输出与测量的位移成正比的电压量。

如图2.1原理图所示，在一块导磁金属板正上方，距离金属板d处有一个通有高频激励电流的环形线圈，在线圈周围产生交变磁场，在其正下方的金属板表面就会产生感应电动势，这样就会形成闭合电涡流。同时，高频电涡流也会产生一个阻碍线圈磁场变化的磁场，导致线圈的等效电感L发生变化[6]。

图2 .1 电涡流作用原理图

根据等效电路计算得到方程式：

经过简化整理，线圈等效电感为：

式中，R1为线圈电阻，R2为被测金属导体涡流回路电阻，U为激励电压，L1为线圈电感，L2为金属导体涡流回路电感，ω为激励电流频率，I1为激励电流，I2为感应电流，M为线圈与导体涡流环间互感系数[7]。

根据上面的公式，除了线圈和导体之间的距离d以外的所有参数都是被测金属的固有属性。根据推导的公式（2.3），可以看出金属导体与线圈之间的互感系数的平方与线圈电感呈正比关系。但如果根据麦克斯韦互感系数的基本公式推演，在一定范围内可以将这些函数关系近似地通过某一线性函数来表示[8]。

3 滚刀磨损检测系统仿真设计

3.1 线圈内径对磁场分布的影响

由于滚刀刀圈形状的特殊性，刀圈外表面呈楔形，滚刀刀圈被测面积小，电磁场在刀圈表面不可能影响范围是有限的，有一定的径向形成范围，而滚刀刀圈周围磁场大小与形成范围主要受电涡流传感器探头线圈外径和内径影响，为了提高检测效率，针对线圈内径与外径参数对滚刀刀圈周围环境中磁场分布的影响进行仿真，为电涡流传感器探头参数优化提供依据。

设定检测线圈外径为12.5mm，厚度为3mm，线圈匝数为4000匝，激励电流为0.5A，线圈与滚刀刀圈初始距离设定为8mm，激励频率为100kHz，内径分别取3mm、5mm、7mm、9mm，为了分析线圈外径对Bp-d曲线带来的影响，取线圈中心到刀圈被测中心点的一条三维截线，即在线圈轴向方向上添加一条三维截线，利用COMSOL后处理里面的一维绘图组画出截线上的磁通密度模变化，作出四种线圈外径情况下的Bp-d曲线，如图3.1所示。

可以看出，半径小的载流圆线圈，在距离线圈近处产生的磁感应强度大，同时其磁感应强度下降也快。可以看出线圈内径越大，线圈的磁场轴向分布范围越大，但其磁感应强度下降慢。也就是说，电涡流传感器的线圈内径越大，线性范围就会越大，但灵敏度越低。在量程达到要求的情况下尽量选择小内径线圈，这样既可以提高测量灵敏度，又可以使检测结果更趋向被测刀圈近表面。综合考虑内径选择3mm的线圈比较合适。

图3 .1 线圈轴向磁感应强度分布图

3.2 线圈外径对磁场分布的影响

设定检测线圈内径为3mm，厚度为3mm，线圈匝数为4000，激励电流为0.5A，激励频率为100kHz，线圈与滚刀刀圈初始距离设定为8mm，线圈外径分别取10mm、15mm、20mm、25mm，取线圈中心到刀圈被测中心点的一条三维截线，这样方便分析各种线圈外径对Bp-d曲线的影响，画出截线上的磁通密度模变化，作出四种线圈外径情况下的Bp-d曲线，见图3.2所示。

图3 .2 线圈轴向磁感应强度分布图

从图3.2可以看出，半径小的载流圆线圈，在近圆线圈处产生的磁感应强度大，但是其磁感应强度下降速度也更快。可以看出线圈外径越大，线圈的磁场轴向分布范围会越大，但磁感应强度的变化梯度越小。也就是说，外径越大的电涡流传感器系统，检测线性范围将越大，但灵敏度会越低。所以可以得出在量程达到要求的情况下，尽量选择小外径线圈，这样既可以提高测量灵敏度，又可以使检测结果更趋向被测刀圈近表面。这里外径选择15mm的线圈最合适。

4 实验结果与分析

根据仿真参数设计检测探头，搭建实验平台，通过实验检测效果验证仿真优化设计的传感器更适合滚刀磨损检测，其中制作的线圈厚度为3mm，圆线圈外径径为15mm，内径为3mm，利用实验室现有的19英寸滚刀刀圈，进行滚刀磨损检测实验。

将滚刀刀圈放置于滚动圆形转盘上，精准对齐滚刀圆心与转盘圆心，这样滚刀刀圈可以在转盘上沿着转盘圆心转动，将探头固定在正对刀圈径向距离8mm的位置上，保证检测过程中探头位置始终保持不变。转动转盘就可以对滚刀一周的28个检测点进行检测，刀圈28个检测点中13～15号测量点磨损比较严重。匀速转动盾构机滚刀刀圈，用搭建的检测系统对滚刀刀圈一周进行检测。实验数据如图4.1所示。

图4 .1 测量结果与实际磨损对比图

从图5.7可以看出，检测系统能够检测出13～15检测位置磨损量比较大，其中刀圈磨损距离最大为5.91mm，最小值为2.66mm，测得结果的最大绝对误差是0.25mm，最大相对误差为8.6%，测量数据能较好的反映滚刀刀圈的实际磨损距离。