全断面隧道掘进机主驱动密封安全状态检测系统及方法技术领域
本发明涉及全断面隧道掘进机安全控制技术领域，尤其是一种全断面隧道掘进机
主驱动密封安全状态检测系统及方法。
背景技术
隧道掘进机施工是在我国城市地铁隧道、过江河公路隧道、过江输水或输气管道
施工的主要方法，作为隧道掘进机核心部件之一的主驱动为刀盘的旋转提供扭矩同时，还
承受推进系统的全部推力，而密封系统是保证其正常工作的关键，如果密封系统没在安全
状态下工作，导致在带有压力润滑油的情况下密封圈与转轴之间的间隙过大，在隧道掘进
机工作过程中，土仓内带有一定压力的泥水和砂石就会粘附到密封圈导致密封圈磨损、温
度升高，或通过主驱动密封进入主驱动箱损坏主轴承和齿轮。在隧道掘进机施工中，如果唇
形密封圈、主轴承和齿轮产生损坏，即使在隧道内及时更换或维修，也将延长施工工期、增
加施工成本和工程风险。因此，对隧道掘进机主密封安全状态进行检测和控制，是本领域急
需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全断面隧道掘进机主驱动密封安全状态检
测系统，可以在线监测密封圈温度，进而控制冷却水供应量，保证密封系统处于安全工作状
态，防止密封圈损坏和失效；
本发明还要解决的技术问题是提供一种全断面隧道掘进机主驱动密封安全状态
检测方法，通过使用PLC对利用传感器所测得的主密封内圈和外圈温度与设定温度进行比
较，并依据预设程序控制冷却水量，进行闭环检测，方式因主密封温度过高而损害密封圈寿
命，降低工程风险。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种全断面隧道掘进机主驱
动密封安全状态检测系统，包括安装在主驱动密封内侧和外侧的两组传感器组、借助于信
号线与两组传感器组连接的A/D转换器以及与A/D转换器信号连接的控制器，所述控制器的
信号输出端与冷却水控制系统信号输入端连接。
所述两组传感器组均包括绕主驱动密封的唇形密封圈的轴线均匀布设的多套温
度传感器，所述温度传感器用于检测和唇形密封圈相接触的密封套的温度。
所述控制器为PLC模块。
为解决上述技术问题，本发明所采取的另一技术方案是：全断面隧道掘进机主驱
动密封安全状态检测方法，包括以下步骤：
第一步：通过安装在主密封内侧和外侧的两组温度传感器测量和唇形密封圈想接
触的密封套的温度，并通过A/D转换器将温度数据传递给控制器；
第二步：控制器将温度传感器所测得的温度与设定温度进行比对，当传感器所测
得的温度大于设定温度，控制器发出指令给冷却水控制系统，增大冷却水流量，直至传感器
所测得的温度小于设定温度；当传感器所测得的温度小于设定温度，控制器发出指令给冷
却水控制系统，减小冷却水流量；当传感器所测得的温度大于极限温度时，隧道掘进机停
机，并加大冷却水量进行冷却，直至传感器所测得的温度小于等于设定温度。
在所述第二步中假设隧道掘进机运行时主驱动密封温度为t,t包括两组传感器测
得的两组温度数据t1,t2…tn和t′1,t′2…t′n；主驱动密封温度极限值为Tmax；主驱动密封正
常冷却温度为Tmin，当t≤Tmin时，正常冷却；当Tmin＜t＜Tmax时，需要加大冷却水流量进行冷
却；当t≥Tmax时，隧道掘进机停机并加大冷却水流量进行冷却。
本发明的有益效果如下：通过使用PLC与温度传感器结合对主密封内圈和外圈的
温度进行检测，并经过与设定值对比后控制冷却水控制系统调节冷却水量，能够在隧道掘
进机工作中在线检测主驱动密封的温度，由温度传感器收集的数据经A/D转换器转换，控制
器对转换后的数据进行分析，判断主密封的温度是否在设定值之内，并根据预设程序给冷
却水系统发出水量控制信号，有效地对主驱动密封系统的安全状态进行控制，确保隧道掘
进机施工的顺利进行。
附图说明
图1是本发明的系统原理图；
图2是本发明的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
综上所述，本发明公开了一种全断面隧道掘进机主驱动密封安全状态检测系统
(参见附图1)，包括安装在主驱动密封内侧和外侧的两组传感器组、借助于信号线与两组传
感器组连接的A/D转换器以及与A/D转换器信号连接的控制器，所述控制器的信号输出端与
冷却水控制系统信号输入端连接；所述两组传感器组均包括绕主驱动密封的唇形密封圈的
轴线均匀布设的多套温度传感器，所述温度传感器用于检测和唇形密封圈相接触的密封套
的温度；所述控制器为PLC模块，本发明的温度传感器采用红外线温度传感器(OS136-1，上
海思百吉仪器系统有限公司)；本发明的PLC模块型号为：S7-200，生产厂家为西门子(中国)
有限公司。
在具体使用过程中，将系统连接电源，各部分开始工作，首先通过温度传感器采集
主驱动密封温度信号，然后将采集到的温度信号通过信号线传送给控制器，控制器将收集
到的信号进行分析，判断密封系统是否处于安全运行状态，然后根据得到的温度值t与Tmin
和Tmax进行比较，如果高于温度极限值(即t≥Tmax)，隧道掘进机停止运行并及时发出故障信
号，并提示修理人员修理；如果主驱动密封温度Tmin＜t＜Tmax，控制器给冷却水系统发出加
大冷却水流量信号，冷却水系统根据接收到的信号调节冷却水供应量；如果所检测得到的
主驱动密封温度值t≤Tmin，冷却水系统处于正常冷却状态，隧道掘进机处于正常运行中。
温度传感器设置好采样频率，传感器ii检测到的温度为ti、温升速率为![]()
经过一段时间后传感器ii检测到温度为ti+1、温升速率为![]()
当ti＞Tmin时，经控制器
给冷却水系统发出加大冷却水流量信号，冷却水系统增大冷却水供应量后，传感器ii检测
到ti+1≤Tmin时，说明主驱动密封系统正常；如果传感器ii仍然检测到温度ti+1＞Tmin或者温
升速率Δti+1>Δti时,说明在传感器ii附近的主驱动密封出现问题，及时发出故障信号并提
示修理人员修理。
本发明中的的温度传感器数量为2组，分别为处于主驱动密封内侧的内侧传感器
组(i1,i2…in)和处于主驱动密封外侧的外侧传感器组(j1,j2…jn)进行安全状态检测，同时
对主驱动内密封圈的温度(t1,t2…tn)和外密封圈的温度(t'1,t'2…t'n)进行检测，2组温度
传感器均匀分布在主驱动密封的四周，能检测主驱动密封任何一处的温度变化，及时根据
发现的问题发出提示信号并检查出故障位置，温度传感器直接检测与唇形密封圈相接触的
密封套的温度，通过唇形密封圈与传感器之间密封套的传热速率及热传导的计算来设定最
高与最低温度值，如下：
密封套的传热速率计算为：
Q＝-λAdt/dr＝-λ2πrLdt/dr
式中Q---密封套的导热速率，w；
A---密封套与密封圈的导热面积，m2，A＝2πrL，
L---导热面积的轴向宽度，m；
dt/dr---温度梯度，K/m；
λ---比例系数，密封套的导热系数，w/m·K；
r---密封套的平均半径，r＝(r1+r2)/2,r1为唇形密封圈与传感器接触圆面的半
径,r2为温度传感器所在圆面的半径。
由于温度梯度的方向指向温度升高的方向，而热流方向与之相反，故在式中乘一
负号。上式称为导热基本方程式，也称为傅立叶定律，对于稳定导热和不稳定导热均适用。
密封套的热传导计算为：
t
1
=
t
2
+
Q
2
π
L
1
λ
l
n
r
2
r
1
]]>
式中Q---密封套的导热速率，w；
L---导热面积的轴向宽度，m；
λ---比例系数，密封套的导热系数，w/m·K；
t2---传感器测量温度，℃；
t1---唇型密封圈与密封套接触面的温度，℃；
r1---唇形密封圈与传感器接触圆面的半径，m；
r2---温度传感器所在圆面的半径，m。
t
=
t
2
+
Q
2
π
L
1
λ
l
n
r
2
r
1
]]>
t---程序设定温度值，℃
通过检测铁板温度进而推导出密封圈温度，根据经过计算得到的热传导过程温度
损失和温度传感器测得值来设定控制器中的控制温度t，此检测方法简单可靠。控制器为
PLC模块，对A/D转换器传送的数据进行分析，给冷却水系统发出命令信号，调节冷却水量大
小，从而调节主驱动密封系统处于安全状态下运行。
本发明由温度传感器检测到的温度信号经过A/D转换器数据转换发送给控制器，
控制器根据接收到的数据和设定的温度值进行分析，判断密封系统是否处于安全运行状
态，从而由控制器给冷却水系统发出水量控制信号进行冷却水冷却，从而降低主驱动密封
温度，保证其在安全状态下运行。
本发明还公开了一种全断面隧道掘进机主驱动密封安全状态检测方法，包括以下
步骤：
第一步：通过安装在主密封内侧和外侧的两组温度传感器测量和唇形密封圈想接
触的密封套的温度，并通过A/D转换器将温度数据传递给控制器；
第二步：控制器将温度传感器所测得的温度与设定温度进行比对，当传感器所测
得的温度大于设定温度，控制器发出指令给冷却水控制系统，增大冷却水流量，直至传感器
所测得的温度小于设定温度；当传感器所测得的温度小于设定温度，控制器发出指令给冷
却水控制系统，减小冷却水流量；当传感器所测得的温度大于极限温度时，隧道掘进机停
机，并加大冷却水量进行冷却，直至传感器所测得的温度小于等于设定温度。
在所述第二步中假设隧道掘进机运行时主驱动密封温度为t,t包括两组传感器测
得的两组温度数据t1,t2…tn和t′1,t′2…t′n；主驱动密封温度极限值为Tmax；主驱动密封正
常冷却温度为Tmin，当t≤Tmin时，正常冷却；当Tmin＜t＜Tmax时，需要加大冷却水流量进行冷
却；当t≥Tmax时，隧道掘进机停机并加大冷却水流量进行冷却。
在具体应用过程中，包括以下步骤(具体流程参见附图2)：
(1)将温度传感器、A/D转换器、控制器安装到指定位置，用信号线将三者连接，并
将控制器与冷却水系统连接；
(2)根据经过计算得到的热传导过程温度损失和温度传感器测得值来设定控制器
中的控制温度t。
(3)由温度传感器检测主驱动内密封和外密封的温度信号，将检测到的信号传输
给A/D转换器进行数据转换；
(4)控制器将由A/D转换器转换后的数据进行分析，判断主驱动密封的温度是否在
设定范围之内，根据分析结果给冷却水系统发出控制信号；
(5)冷却水系统根据接收到的控制信号执行水量控制操作，对主驱动密封系统进
行冷却，保证其处于安全运行状态；
(6)重复步骤(3)至步骤(5)，根据得到的数据进行冷却水量控制；
与现有技术相比，本发明的有益效果是提供了一种结构简单、有效控制主驱动密
封温度的隧道掘进机主驱动密封安全状态检测及方法，该方法能够在隧道掘进机工作中在
线检测主驱动密封的温度，由温度传感器收集的数据经A/D转换器转换，控制器对转换后的
数据进行分析，判断密封系统是否处于安全运行状态，给冷却水系统发出控水量信号，有效
地对主驱动密封系统的安全状态进行控制，确保隧道掘进机施工的顺利进行。