阅读说明：本技术 一种隧道掘进机滚刀参数在线检测方法 (Online detection method for hob parameters of tunnel boring machine ) 是由 张鑫 刘建琴 郭晓 郭伟 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种隧道掘进机滚刀参数在线检测方法,所采用的装置包括用于检测滚刀刀圈的两种传感器,所述的传感器为开关型霍尔传感器与磁敏二极管,在滚刀刀圈外沿的不同位置设置磁钢,使各个磁钢向外极性相同；选用r区相反布置的两个磁敏二极管组成磁敏二极管差分电路,利用开关型霍尔传感器与磁敏二极管电路配合工作,开关型霍尔传感器把霍尔元件的输出经过处理后输出数字信号,设定开启阈值,当磁钢随滚刀转动到正对磁敏二极管和开关型霍尔传感器位置时,霍尔元件测得磁场强度最大,开关型霍尔传感器输出高电平,检测方法为：根据所标定的滚刀刀圈磨损量和测量电压之间的关系,反应滚刀磨损的程度。(The invention relates to an online detection method for hob parameters of a tunnel boring machine, wherein an adopted device comprises two sensors for detecting a hob ring, the sensors are a switch type Hall sensor and a magnetic sensitive diode, and magnetic steels are arranged at different positions of the outer edge of the hob ring so that the outward polarities of the magnetic steels are the same; two magnetosensitive diodes which are arranged in an opposite r area are selected to form a magnetosensitive diode differential circuit, a switch type Hall sensor and the magnetosensitive diode circuit are utilized to work in a matched mode, the switch type Hall sensor outputs a digital signal after processing the output of a Hall element, a starting threshold value is set, when magnetic steel rotates to the position right opposite to the magnetosensitive diode and the switch type Hall sensor along with a hob, the magnetic field intensity measured by the Hall element is the maximum, the switch type Hall sensor outputs a high level, and the detection method comprises the following steps: and reflecting the abrasion degree of the hob according to the relationship between the calibrated abrasion loss of the hob ring and the measured voltage.)

一种隧道掘进机滚刀参数在线检测方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进机，特别涉及一种滚刀参数的实时检测方法及其装置。

背景技术

隧道掘进机工作环境恶劣，工况复杂，滚刀磨损严重，滚刀刀圈受力状态不断变化，与岩层接触关系复杂，影响刀圈磨损因素众多，无法从理论上精确计算滚刀磨损量，所以只能通过检测的方式来获取滚刀磨损的确切信息。而目前对滚刀磨损状况的检测都是在TBM停机期间，施工工人进入刀盘前段，用专用量尺测量刀圈半径来判定滚刀磨损的情况，这种方式效率低，工作量大，费时费力；此外频繁停机不仅延误工期，还加大了施工的风险，对作业人员的人身安全构成了威胁。据统计，刀具磨损检测和更换刀具所用的时间占用了隧道掘进机工作时间的30％～40％。因此，为提高隧道掘进机工作效率，减少停机时间，需要对刀盘上各个位置的滚刀磨损情况实施在线监测，以便对过度磨损的滚刀进行更换。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种滚刀磨损及滚刀转速的在线监测装置，提高隧道掘进机工作效率，减少停机时间，降低工程成本。技术方案如下：

一种隧道掘进机滚刀参数在线检测方法，所采用的装置包括用于检测滚刀刀圈的两种传感器，其特征在于，所述的传感器为开关型霍尔传感器与磁敏二极管，在滚刀刀圈外沿的不同位置设置磁钢，使各个磁钢向外极性相同，磁钢随着刀圈磨损一同磨损；

选用r区相反布置的两个磁敏二极管组成磁敏二极管差分电路，利用开关型霍尔传感器与磁敏二极管电路配合工作，开关型霍尔传感器把霍尔元件的输出经过处理后输出数字信号,设定开启阈值，当磁钢随滚刀转动到正对磁敏二极管和开关型霍尔传感器位置时，霍尔元件测得磁场强度最大，开关型霍尔传感器输出高电平，此时记录磁敏二极管差分电路测量电压值，滚刀转动一圈，对应不同位置的磁钢，各获得一个用于判断刀具是否过度磨损测量电压值；将开关型霍尔传感器和磁敏二极管组成的传感器固定在滚刀刀箱和刀盘筋板之间，检测方法为：根据所标定的滚刀刀圈磨损量和测量电压之间的关系，反应滚刀磨损的程度，测量电压越小，滚刀刀圈磨损越严重，通过记录检测滚刀刀圈不同位置处的滚刀刀圈的磨损情况，反应滚刀整体的磨损情况，判断是否需要更换刀具。

根此外，通过计算每个开关型霍尔传感器输出数字信号的时间间隔，间接求出滚刀转速，并且通过计算得到滚刀纯滚动的距离。当开关型霍尔传感器长时间没有输出或者一直输出高电平时，判断滚刀可能发生卡转的现象

优选地，在传感器和滚刀刀圈之间设置有耐磨挡板1，隔热垫片15和橡胶保护环9；耐磨挡板1固定在刀箱上，将外部环境和传感器隔绝，采用密封圈3将耐磨挡板1空隙密封；隔热垫片15用于减少温度对传感器的影响，橡胶保护环9起到缓震的作用，保护传感器；通过外套筒7连接刀箱和刀圈；开关型霍尔传感器4和磁敏二极管传感器14通过橡胶保护环9固定于传感器保护外壳10内，通过防水密封环12将传感器保护外壳10密封；基座8固定连接在刀盘筋板6上，传感器保护外壳与基座8固定连接，实现传感器的安装固定和保护。

采用此装置和方法测量滚刀参数的优势如下：

霍尔传感器，和磁敏二极管其原理都是利用霍尔效应，都属于磁敏传感器。采用非接触式测量，开关型霍尔传感器集成、结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽等的污染或腐蚀，适合盾构机恶劣的工作环境。而磁敏二极管是磁敏传感器，其检测磁场变化的灵敏度很高，是霍尔元件灵敏度的数百倍至数千倍，适合检测微弱的磁场变化，体积小，功耗低。可以实现隧道掘进机刀具磨损的在线监测，提高其工作效率，减少停机时间缩短工期，减少人为的工作量，降低施工成本。

附图说明

图1为磁钢在滚刀上布置的示意图

图2为磁敏二极管差分电路图

图3为磁敏二极管测量电路原理示意图

图4为传感器安装整体示意图

图5为传感器安装主视图的刨切视图

图6为图5传感器安装部分局部放大图

图中：

1-耐磨挡板，2-螺钉，3-密封圈，4-开关型霍尔传感器，5-刀箱侧面板，6-刀盘筋板，7-外套筒，8-传感器基座，9-橡胶保护环，10-传感器保护外壳，11-数据输送线缆，12-引线孔防水密封环，13-螺栓，14-磁敏二极管差分电路传感器，15-隔热垫片，16-磁钢，17-滚刀刀圈，18-滚刀固定块，19-刀架，20-滚刀挡圈，21-滚刀刀体

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

针对现有技术，本发明提供一种滚刀磨损及滚刀转速的在线监测方法和装置。本发明采用两个磁敏二极管组成差分电路，及开关型霍尔传感器配合工作，将其安装在刀箱内，对滚刀刀圈实时在线监测，

如图1所示，在滚刀刀圈17上呈90°均匀分布设置四个磁钢，使其N极朝向刀圈外部；磁钢会随着刀圈磨损一同磨损。

为适应盾构机高温工作，选用具有较好温度特性的硅磁敏二极管组成差分电路。如图2和图3所示。选用r区(高复合区)相反布置的两个磁敏二极管，两个电阻R_L，外加电源，电压表组成差分电路，在磁钢磁场作用下，两个磁敏二极管的I区(本征区)电流大小变化相反，其阻值反向变化。当滚刀内的磁钢没有磨损时，通过磁敏二极管的磁场最大，此时磁敏二极管D₁受到磁钢产生的磁场作用，电子和空穴偏向r面，使得通过I区的电流最小，I区电阻最大。在磁敏二极管D₂中I区电流最大。之后随着滚刀的磨损，磁钢也在磨损，使磁钢到磁敏二极管的距离不断减小，通过磁敏二极管D₁、D₂的磁场降低，D₁中偏向r面的电子和空穴不断减小，I区电流不断增大，电阻不断减小，D₂中电阻不断增大，电压表度数不断减小，通过实验可以测出滚刀刀圈磨损量和电压表度数之间的关系，反应滚刀磨损的程度，测量电压越小，滚刀刀圈磨损越严重，刀圈半径越小，通过记录检测滚刀刀圈四个位置处的磨损情况，反应滚刀整体的磨损情况，判断是否需要更换刀具。

为了减小其他磁场及分布在刀圈上4个磁钢产生磁场的相互干扰，并且让数据提取检测更加清晰，采用由将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、oc(集电极开路输出门)等电路集成的开关型霍尔传感器与磁敏二极管电路配合工作，开关型霍尔传感器可以把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。设定开启阈值，当磁钢随滚刀转动到正对磁敏二极管和开关型霍尔传感器位置时，霍尔元件测得磁场强度最大，开关型霍尔传感器输出高电平，此时记录磁敏二极管电路电压U₀读数，滚刀转动一圈测量四个电压值，当有电压低于设定值时，证明刀具过度磨损，需要更换刀具。

此外，通过计算每个开关型霍尔传感器高电平间的时间间隔，可以间接求出滚刀转速，并且通过计算还可以得到滚刀纯滚动的距离。也可以检测滚刀是否发生卡转，偏磨等现象。当开关型霍尔传感器长时间没有输出或者一直输出高电平时，滚刀可能发生卡转的现象，需要对其进行更换和维修。

如图4和图5所示本发明提出了一种滚刀磨损在线监测装置，将开关型霍尔传感器和磁敏二极管差分电路组成的传感器安装在滚刀刀箱和刀盘筋板之间。并在滚刀内安装磁钢。其具体安装方法如图6所示，传感器和滚刀刀圈之间安装有耐磨挡板1，隔热垫片15，橡胶保护环9。其中耐磨挡板1通过螺钉2安装在刀箱上，由POM塑料制成，具有高硬度、高钢性、高耐磨性，将外部环境和传感器隔绝，并避免周围金属对两个磁敏传感器的影响，可以拆卸更换。采用密封圈3将耐磨板空隙密封，防止粉尘、油污进入。隔热垫片15用于减少温度对传感器的影响，橡胶保护环9起到缓震的作用，保护传感器。通过外套筒7连接刀箱和刀盘，构成传感器安装通道。开关型霍尔传感器4和磁敏二极管传感器14通过胶粘在橡胶保护环9上，安装于传感器保护外壳10内，并在保护外壳空腔内注入防水密封胶对传感器进行密封，并起到缓震保护的作用，数据输送线通过引线孔，与外部数据采集装置连接，通过防水密封环12将保护外壳密封。基座8通过螺栓13固定在刀盘筋板6上，挡住传感器外壳，将其固定锁死，实现两个传感器的安装固定和保护。