赵华：状态监测与故障诊断在盾构机的应用

演讲主题：状态监测与故障诊断在TBM与盾构机的应用

主讲嘉宾：中铁隧道集团有限公司 赵华

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。

4.TBM状态监测与故障诊断技术

4.1 TBM油液检测

在机械运动中，大部分摩擦副产生的磨粒都要进入润滑油或液压油中，油液中携带着来自磨损表面的磨损碎屑，作为一种诊断媒介，对磨粒的分析可以提供有关设备状态的重要信息，因而了解油液中磨粒的成分、数量、形态，能够及时准确地了解机械的磨损程度和磨损性质，从而判断机械的技术状态和故障趋势，为TBM的故障维修提供依据。
      对于TBM各类油液的检测，主要是采用油质检测仪和污染度测试仪，对油质的理化性能指标进行检测，并结合铁谱、光谱分析技术，对磨损磨粒进行定性和趋势分析。
      油液污染度、水分、斑点、粘度分析等理化分析方法可以直观地判断TBM各类油质的劣化程度；
      铁谱分析可以清楚地辨别油液磨粒的种类、大小、磨损性质和油品的老化程度，尤其是对异常磨损的较大磨粒的分析判断（10μm以上的磨屑 ）；
      光谱分析虽然对较大磨粒不很敏感，但可以精确地测定油液中所含微量元素的含量和属性，据此判断油液中磨损物的来源是外界侵入、密封损坏还是机件的表面磨耗。

4.2 TBM振动监测及案例分析

利用振动信号对故障进行诊断是一种行之有效的方法。机械部件在运动过程中的振动及其特征信息是反映该系统状态及其变化规律的主要信号，通过采集这些信号并加以分析处理，从而判别机械故障的原因、部位。
      这些分析方法主要包括振动的加速度、速度、位移分析、功率谱分析、幅值谱分析、时域分析、频域分析等。
      振动测试、分析比较适合于TBM的主电机、变速箱、泵站、各类水泵、风机等旋转机械的监测与诊断。
      

新疆吐鲁番中天山隧道TBM主轴承故障案例

      通过我中天山项目部检测工作的开展，TBM在新疆的引水隧道施工时出现故障我们及时处理，为下步的主轴承解决方案提供了重要的基础。通过我们采取有力的应对手段，如今TBM在中天山还在正常的掘进，主轴承的磨损状况在检测室的可控范围之内，大大提高了设备的运行寿命。

4.3 TBM电气液压故障的在线实时诊断

TBM盾构系统庞大，自动化程度高，控制环节和工序复杂且相互影响，相互并联，因此故障的实时监测和记录对故障的诊断和处理尤其重要。TBM自身带有故障、数据实时监测和记录系统，充分开发和利用这一系统对电气液压故障的快速诊断和处理非常重要。

4.4 TBM的故障树逻辑诊断

在进行TBM状态监测与故障诊断时，除采用油质分析、振动测试外，故障树逻辑诊断也是一种行之有效的方法。
      它是将TBM各系统中最不希望发生的故障状态作为分析的目标，找出引起这一故障发生的全部因素，再找出引起下一级事件发生的全部直接因素，直至追查到最原始的故障机理、而不必再深究的因素为止。从而形成了TBM的故障树逻辑诊断方法。
       TBM故障树逻辑诊断可以涵盖以下主要内容：刀具故障、刀盘驱动系统故障、主轴承、主电机故障、主变速箱故障、离合器故障、传动轴故障、液压辅助驱动回路故障、刀盘推进系统故障等21个子系统。每个子系统又包含了多种不同的故障树。

4.5 小结

油液污染度、水分、斑点、粘度分析可以直观地判断TBM各类油质的劣化程度；
      铁谱分析可以清楚地辨别油液磨粒的种类、大小、磨损性质和油品的老化程度，尤其是对异常磨损的较大磨粒的分析判断；
      光谱分析虽然对较大磨粒不很敏感，但可以精确地测定油液中所含微量元素的含量和属性，据此判断油液中磨损物的来源是外界侵入、密封损坏还是机件的表面磨耗，这些方法对工况恶劣的隧道掘进机的油质分析十分有效；
      由于采用频谱分析的方法，振动监测可以比较准确地判断TBM各种旋转机械的故障部位和故障特征；
      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。

 

5.经验介绍

      建立设备状态监测、故障预报及诊断 的两级机构
      设物部－－成立大型设备运行监测中心
      盾构及TBM施工专业公司－－ 成立检测站和配备专/兼职的检测人员 
      建立大型设备机况评估制度 
      建立设备检测报表及档案制度

 

6.取得的成效、存在的问题及展望

故障树的逻辑诊断规律还有待于进一步探索；铁谱定量分析的标准和规律有待于进一步总结归纳；光谱分析的趋势分析及判定标准商需完善；对复杂的回转机械的频谱分析还不够充分和准确，在往复机械中的应用还不够充分。

      对大型、复杂的设备进行故障诊断时，采用多种监测手段相结合，可以提高设备的故障诊断准确率，从而避免因片面的误诊对生产带来损失。展望前景，状态监测与故障诊断技术将在设备管理维修工作中发挥越来越重要的作用
      TBM公司内部的掘进参数和设备运行状态的实时监控；未来应建立各子公司和集团公司的TBM盾构掘进参数远程传输及远程故障诊断系统。
      现场采集状态和故障信息，通过互联网传输至公司总部，通过总部盾构专业故障诊断方面的专家，帮助现场分析疑难故障。以节省费用和时间，提高工作效率。远程故障诊断系统为国内外目前各高校及科研机构的故障诊断专业开发和研究的重点内容。
      状态监测与故障诊断工作需要长期坚持不懈的积累数据和经验，摸索和建立判断和诊断标准，不仅需要坚实的机械液压电气等方面的理论知识，而且需要丰富的实践经验。
      本文简要介绍了中铁隧道集团有限公司在大型设备状态监测与故障诊断方面的一些做法和体会，，接下来还有大量的工作需要我们去做。希望在座专家能给予更多的指导，帮助我们更好开展TBM与盾构机的状态检测工作。

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