赵华：状态监测与故障诊断在盾构机的应用

中铁隧道集团有限公司 赵华

1.开展掘进机的状态监测与故障诊断的必要性

医院大夫给病人诊断疾病，需要综合分析体温、脉搏、血液化验、B超等多项指标检验结果，并与诊断标准对比，得出诊断结论；同样地，机械设备的故障诊断也需要采集温度、噪声、油液中磨粒的大小、形态、浓度，机械振动的频谱、液压系统压力、流量损失，电气系统的电压、电流等多个状态信号或参数，并与判断标准进行对比和综合分析，得出设备有无故障以及故障的原因、部位等诊断结论。TBM/盾构机作为大型专用设备也不例外。

 由于TBM/盾构机配置的设备数量多，关联性强，任何一套单独设备出现故障都将不同程度地影响TBM/盾构机的掘进进度，同时也会增加工程成本。因此，如何实施状态监测，提前预报故障，是值得深入研究的课题。

2.TBM故障诊断的特点和难点（以TBM主轴承为例）

1）.主机庞大、动力部件众多，振源各异，振动信号频域宽广，各部件的固有频率和相应的故障特征频率有可能产生相互重叠；
2）.价值昂贵，重80多吨，一旦进洞掘进，就不允许在洞内解体检查。主轴承的工作情况只有通过监测反映；
3）.低速重载决定了对滚动轴承的监测的难度：8个推进油缸施加2100吨轴向推力、32个撑靴油缸要承受800多吨的主机负载，主轴承承受巨大的径向和轴向荷载；
4）.刀盘上配置了71把盘形滚刀，掘进时石质不均，载荷剧烈地波动，转速也随之波动，信号随机波动也不可避免，增加了故障特征信号的提取和分离难度；
5）.主轴承处工作环境比较危险，不便靠近，不便进行信号的采集；
6）.结构参数不了解，轴承零件的特征频率难以确定，也不便于故障信号的分析。为此，须将几种监测手段综合运用，各取所长，相互弥补。如工业内窥镜监测滚子磨损、润滑油温度监测、润滑油磨损分析、在线实时监测等。

3.TBM故障诊断方案

3.1 TBM采用的诊断技术简介

1）.感官检查诊断技术－部件的初步判断；
2）.温度监测技术 －接触式测温－TBM主轴承润滑系统、液压系统的各个泵站等；非接触式测温，－主电机、变速箱、皮带机滚筒、高压电缆接头等部件；
3）.无损检测技术－主轴承滚子、滚道的磨损监测；
4）.油样检测分析技术 －TBM的各类油液的理化性能分析和磨损磨粒分析；
5）.旋转机械振动测试技术－TBM的电机、变速箱、水泵、风机等回转机械；
6）.性能状态参数测试技术－TBM电气、液压系统某一测点或局部的测试，如液压测试仪对液压系统的串、并联测试；
7）.故障树逻辑诊断－揭示TBM某一系统的故障规律和逻辑关系，适合于电气或液压系统的故障诊断；
8）.电气液压在线实时诊断－通过TBM自身所布设的各种传感器监测位移、速度、流量、压力、油位、温度、转速以及电气的电压、电流等参数，对TBM整个运行系统进行在线监测以及超过界定值的故障报警和停机控制。

3.1.1感官检查
      感官检查就是利用操作或维修人员的视、听、触、嗅觉，观测TBM设备或部件的运动情况、主控室的运转参数如电流、温度、压力、流量、速度等，检查机件的异响、异味、发热、裂纹、锈蚀、损伤、松动、油液色泽、油管滴漏等，初步判断部件的工作状态。虽然凭感觉检查有时不够精确，且对个人的经验依赖性较强，但这种传统的检测是进行设备监测诊断的基础，是现场的维修保养工作中不可或缺的常用方法。
例如盾构机主轴承前腔密封是通过脉冲式油脂泵注入CONDAT公司生产的HBW润滑脂进行润滑的，这些油脂将外界灰尘和杂质封堵在外，以保护主轴承。若有润滑脂挤出，说明润滑脂注入情况正常，否则就要检查润滑脂泵系统的故障或主轴承密封是否堵塞。在开仓时顺便观察主轴承前端密封处HBW润滑脂挤出情况可以判断HBW润滑脂的润滑效果。

3.1.2温度监测技术

温度的变化与被监测设备的性能和工况有密切的关系。当机械的运动副发生异常磨损时，过度发热导致的温升影响着机械或润滑油的正常工作状态，从而形成恶性循环，致使设备过早损坏。
TBM的温度监测技术分接触和非接触式测温两种方法。
接触式测温主要是采用热电偶测温，在TBM主轴承润滑系统、液压系统的各个泵站等分别布置了测温传感器，对油温等进行有效的监控；
与此同时，现场维护人员利用手持式红外线测温计进行非接触式测温，可以方便、快速、安全地监测主电机、变速箱、皮带机滚筒、高压电缆接头等部件的工作温度。也可以利用手持式红外线测温计测量螺旋输送机出口的碴土温度，以辅助判断刀盘前方是否产生泥饼或堵仓。

3.1.3 无损检测技术
主要是指工业内窥镜监测法观测设备内部情况。打开TBM主轴承壳体的观测孔，利用工业内窥镜观测主轴承滚子、滚道、保持架的磨损和锈蚀情况。

3.1.4 性能状态参数测试技术

TBM的运转参数很多，但测试具有代表性的状态参数，可以有效地实施状态监测与故障诊断，如功率、扭矩、转速、掘进速度、压力、流量、温度及电气参数等,为TBM的操作和维修人员提供直观的故障信息和工作状态信息。

3.1.5 故障树逻辑诊断技术

故障树逻辑方法则是结合油质分析、振动分析以及噪声、温度和性能状态参数测试等多种方法，能够清晰地揭示TBM某一系统内的故障规律和逻辑关系。

比较适合TBM液压等多个系统的故障诊断。

3.1.6监测重点及巡检路径

根据监测对象在TBM运转中的作用和对停机造成影响的程度来确定监测的重点。以及TBM的巡检路径：

后配套→上层拖车→水泵电机及水泵→溜渣槽→三号皮带机及其泵站→拖拉系统泵站→变压器→下层拖车→输送泵→喷浆机械手

→主泵站→上层拖车→二号皮带机→主机记录数据→上部吊机→钢拱架运输机构→主变速箱→主机下部→仰拱吊机→材料吊机→污水泵及电机→除尘风机→一号皮带机。

3.2 诊断标准的制定

设备状态监测目的是力求准确的判断出设备的故障，而判断设备好坏的关键是标准的制订。TBM的故障诊断采用了三类判断标准：

      3.2.1 绝对判断标准

      TBM技术资料上注明标定工况下运转性能参数的标称值和极限值
旋转机械的振动量参照1974年颁布的ISO2372适用于工作转速600-12000转/分
温度：轴承壳体：70℃注意，90℃停止；轴承本体： 90℃注意，120℃停止；轴承内润滑油：80℃注意，100℃停止；基于主轴承的重要性，当油温达到65℃ 时报警，70℃停机；
TBM使用的油品的理化指标合格标准
铁谱分析：大于15μm的颗粒显著增加时，可初步判断为不正常； 大磨粒读数AL 、小磨粒读数 AS(分析式铁谱)可用趋势分析建立标准； 光谱分析：油中各种元素的含量也可通过趋势分析建立标准。

      3.2.2  相对判断标准
      采用这种判断标准时，要求根据设备的同一部位同一量值进行测定，将设备正常运转情况下的量值作为初始值即标准值，按时间先后将实测值与初始值进行比较来判断设备状态。具体来说，就是在TBM施工初期，对同一设备进行运转参数（振动、压力、温度、速度、流量等）、油品理化指标参数、铁谱、光谱、污染度、粘度、水分等诸多参数采集，以此作为初始测定值，经过不同阶段相同条件下的多次采集，经几次结果进行分析比较，可以推断出该部位的运转情况，故障的变化趋势。
      3.3.3  类比判断标准
      将数台机型相同、规格相同的设备如TBM（盾构）的8台主电机（液压马达）、主变速箱，在相同的运转条件下对它们进行参数测试，经过相互比较可对设备的状态进行评定。