可快速安装的盾构机滚刀状态在线检测系统及方法技术领域
本发明涉及检测系统，具体涉及一种可快速安装的盾构机滚刀状态在线检测系统
及方法。
背景技术
随着盾构机在国内的广泛使用，刀具磨损已经成为一个影响工程质量和进度的关
键问题，刀具的完善性及刀具的磨损状态判断是盾构正常掘进中的关键因素。目前，滚刀检
测装置不能直接安装在大多数盾构机上或是需要对刀箱进行修整，操作麻烦，工作效率低；
而现有的检测方法相对复杂，精确度不高，影响工程进度和效率。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提供了一种可快速安装的盾构机滚刀状态在
线检测系统及方法，用于解决现有滚刀检测装置不能直接安装在大多数盾构机上和检测精
度不高的问题。
本发明的技术方案是：一种可快速安装的盾构机滚刀状态在线检测系统，包括滚
刀检测装置、数据接收装置、监控显示装置，滚刀检测装置包括与刀箱相连接的支座、盖板、
电池、控制单元模块、电涡流传感模块、转速传感模块，盖板通过螺栓与支座相连接，控制单
元模块、电涡流传感模块、转速传感模块均安装在支座上，电池安装在支座上的电池槽内，
电池与控制单元模块、电涡流传感模块、转速传感模块相连接；所述电涡流传感模块包括电
涡流传感器、防护壳、保护罩，防护壳安装在支座的电涡流传感器槽中，保护罩与防护壳相
连接，电涡流传感器安装在防护壳内部；所述转速传感模块包括转速传感器、安装帽、安装
杆，安装杆安装在支座的柱槽上，安装帽安装在安装帽的一端，转速传感器安装在安装帽的
内部。
所述支座为凹字形，支座的中部设有倾斜的电涡流传感器槽，支座的一侧设有倾
斜的柱槽、另一侧设有电池槽。
所述电涡流传感器槽的中心线与竖直方向所成角度为15°，所述柱槽的中心线与
竖直方向所成角度为15°。
所述盖板、保护罩材质为POM材料，防护壳的材质为不锈钢，防护罩中部设有通孔。
所述防护壳与支座螺纹连接，防护壳与保护罩为螺纹配合；所述安装杆为中空圆
柱，安装杆穿过柱槽并用螺母固定在支座上，安装杆与安装帽为螺纹配合。
所述控制单元模块包括主板、无线发射模块，主板通过双排插针与无线发射模块
相连接，控制单元模块通过铜柱与支座螺纹连接。
所述盖板底部设有天线预留槽，盖板通过八个螺栓固定到支座上。
一种可快速安装的盾构机滚刀状态在线检测方法，滚刀实际转速：在滚刀的180°
对角设置两颗感应磁铁，滚刀转动一周转速传感器能检测到两个脉冲信号，微处理器根据
脉冲信号的周期计算出滚刀实际转速ω；
滚刀理论转速：根据刀盘实际转速ω1、滚刀所在位置距刀盘中心距离r1和滚刀自身半
径r2，计算滚刀理论转速ω2=（ω1×r1）/r2；
根据滚刀理论转速计算滚刀转动一周所需要的理论时间，在滚刀转动一周的时间内，
纪录一组磨损数据，并分别统计全组磨损最大值dmax、最小值dmin、平均值dave，以及根据
滚刀旋转一周内两次脉冲作为分界点计算两个半周的磨损量平均值dave1、dave2；
综合ω、ω2、dmax、dmin、dave、dave1、dave2，判断滚刀状态；
正常状态：正常使用：dmax-dmin<5mm，|dave-dave1|<2mm，|dave-dave2|<2mm，dmax<
25mm，dmin<25mm，dave<25mm，dave1<25mm，dave2<25mm，|ω-ω2|<5；静止卡转：ω=0；单侧
偏磨：dmax-dmin>15mm， |dave1-dave2|>10mm；
局部撕裂：在一组磨损数据中明显呈现个别点磨损量突变，其余大部分点磨损均匀；否
则是非正常状态，需检修或换刀。
本发明提出了一种无需对刀盘进行改动的滚刀状态检测方案，安装简单可靠，拆
卸方便，对于目前国内存在的大量土压平衡盾构机，可以直接安装使用。采用电涡流传感器
直接测量滚刀刀刃，较之前间接测量的方案更加直接，数据更加准确。整个系统为盾构操作
司机提供了关于滚刀状态的实时数据，可以作为带压进仓换刀的直接依据，有效减少不必
要的停机，同时司机可以根据滚刀转速信息判断当前的掘进状态，进行必要的掘进参数优
化，以提高掘进效率。
附图说明
图1为本发明整体结构图。
图2为本发明工作流程图。
图3为本发明滚刀检测装置装配示意图。
图4为本发明支座结构示意图。
图5为本发明滚刀检测装置结构示意图。
图6为本发明滚刀检测装置A-A向剖视图。
图7为本发明滚刀检测装置B-B向剖视图。
具体实施方式
实施例：如图1-7所示，一种可快速安装的盾构机滚刀状态在线检测系统及方法，
包括滚刀检测装置A、数据接收装置、监控显示装置，滚刀检测装置A包括与刀箱8相连接的
支座5、盖板4、电池1、控制单元模块2、电涡流传感模块3、转速传感模块6，盖板4底部设有天
线预留槽，盖板4材质为POM材料且通过八个螺栓固定到支座5上，所述支座5为凹字形，支座
5的中部设有倾斜的电涡流传感器槽51，支座5的一侧设有倾斜的柱槽52、另一侧设有电池
槽53，电涡流传感器槽51的中心线与竖直方向所成角度为15°，电涡流传感器与滚刀刀刃正
对，所述柱槽52的中心线与竖直方向所成角度为15°，转速传感器与滚刀刀刃正对。控制单
元模块2、电涡流传感模块3、转速传感模块6均安装在支座5上，电池1安装在支座5上的电池
槽53内，电池1与控制单元模块2、电涡流传感模块3、转速传感模块6相连接。
所述电涡流传感模块3包括电涡流传感器31、防护壳32、保护罩33，保护罩33材质
为POM材料，防护壳32的材质为不锈钢，防护壳32的中部设有通孔，防护罩32安装在支座5的
电涡流传感器槽51中，保护罩33与防护壳32相连接，电涡流传感器31安装在防护壳32内部，
所述防护壳32与支座5螺纹连接，防护壳32与保护罩33为螺纹配合。由于电涡流传感器只对
金属敏感（特别是铁质材料，对不锈钢和铜的敏感性较弱），为了对传感器进行防护的同时
又不影响检测效果，设计将电涡流传感器固定在POM保护罩内部（检测面正对POM材料）。另
外为了减弱传感器周边铁质材料对传感器的影响，设计不锈钢防护壳，电涡流传感器的供
电和信号电缆通过不锈钢防护罩的通孔连接至支座内部的控制单元上。
所述转速传感模块6包括转速传感器61、安装帽62、安装杆63，安装杆63安装在支
座5的柱槽52上，安装帽62安装在安装帽62的一端，转速传感器61安装在安装帽62的内部，
所述安装杆63为中空圆柱，安装杆63穿过柱槽52并用螺母固定在支座5上，安装杆63与安装
帽62为螺纹配合。转速传感器的供电及信号电缆通过安装杆内部通孔连接至支座内部的控
制单元上。在滚刀刀圈的相应位置处，对称180°预埋有两颗6mm直径的强磁性永磁体，滚刀9
每旋转一周，转速传感器会输出两组脉冲。
所述控制单元模块2包括主板21、无线发射模块22，主板集供电电路、信号采集电
路、通讯电路和微控制器于一体，无线发射模块负责将处理后的数据发送至接收装置，主板
与无线发射模块通过双排插针连接，并实现主板对无线模块的供电及信号的传输。整个控
制单元通过4个M3×5铜柱固定在主结构上，在无线发射模块上集成有天线。
检测方法为：
滚刀实际转速：在滚刀的180°对角设置两颗感应磁铁，滚刀转动一周能检测到两个脉
冲信号，根据脉冲信号的周期计算滚刀实际转速ω。
滚刀理论转速：根据刀盘转速ω1、滚刀所在位置距刀盘中心距离r1和滚刀自身半
径r2，计算滚刀理论转速ω2=（ω1×r1）/r2。
根据滚刀理论转速计算滚刀转动一周所需要的理论时间，在滚刀转动一周的时间
内，纪录一组磨损数据（至少15个数据为一组），并分别统计全周磨损最大值dmax、最小值
dmin、平均值dave，以及根据滚刀旋转一周内两次脉冲作为分界点计算两个半周的磨损量
平均值dave1、dave2。
电涡流传感器有效量程0-40mm，减去POM防护罩10mm，以及传感器表面与滚刀的间
隙0-5mm，传感器能够检测滚刀有效磨损量25-30mm。
综合ω、ω2、dmax、dmin、dave、dave1、dave2，判断滚刀状态。
正常状态：正常使用：dmax≈dmin≈dave≈dave1≈dave2<25mm正常使用：dmax-
dmin<5mm，|dave-dave1|<2mm，|dave-dave2|<2mm，dmax<25mm，dmin<25mm，dave<25mm，
dave1<25mm，dave2<25mm，|ω-ω2|<5；静止卡转：ω=0；单侧偏磨：dmax-dmin>15mm， |
dave1-dave2|>10mm；
局部撕裂：在一组磨损数据中明显呈现个别点磨损量突变，其余大部分点磨损均匀。否
则是非正常状态，需检修或换刀。
工作原理：检测装置内部通过锂电池将电源供给微处理器与升压模块，升压模块
将3.6V直流电压升至5V，供给电涡流传感器模块与转速传感器模块，保证系统正常工作。电
涡流传感器模块与转速传感器模块输出的信号经过信号调理电路变成标准电信号，经微处
理器的A/D转换端口转换为数字量后，进行进一步的处理最终获得滚刀的转速与磨损数据，
通过无线发射模块传输至数据接收装置。无线数据接收装置位于盾构机前盾土仓隔板上
方，通过无线接收模块接收各个检测节点的数据，并通过有线传输的方式将数据传送至主
控室的监控显示装置，最终显示给盾构司机。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。