盾構(gòu)（TBM）遠程診斷與維護關(guān)鍵技術(shù)

 

盾構(gòu)機作為城市軌道交通、水利工程、公路鐵路等領(lǐng)域隧道施工的關(guān)鍵設(shè)備，在我國城市建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。已在上海、廣州、北京、南京、成都、南寧、西安等全國45個城市進行地鐵施工，共有401條線路，5933座地鐵站。未來必將迎來地下工程建設(shè)的高潮，將會在更多的城市規(guī)劃建設(shè)地鐵，地鐵建設(shè)數(shù)量會逐年穩(wěn)步增長，盾構(gòu)機作為隧道掘進設(shè)備也將會隨著地下空間的大開發(fā)而大面積推廣使用。

 

盾構(gòu)機是集光、機、電、液、傳感、信息技術(shù)與一體的超大型、復(fù)雜設(shè)備，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌和測量導(dǎo)向糾偏等功能，涉及地質(zhì)、土木、機械、力學(xué)、液壓、電氣、控制以及測量等多門學(xué)科技術(shù)。目前國內(nèi)盾構(gòu)機保有量近1600臺，單臺價值從幾千萬到幾個億，總價值在600億，其中90%的盾構(gòu)機都參與到城市地鐵的建設(shè)當(dāng)中，其余10%用于建設(shè)高鐵、高速公路的穿山隧道建設(shè)中。每年用于設(shè)備維護、大修、保養(yǎng)及工程消耗上的費用估算在100億。

 

 

鑒于盾構(gòu)機的高成本、體積大、高復(fù)雜，且施工工藝復(fù)雜、作業(yè)空間狹小，只能前進不能后退等特點，盾構(gòu)制造企業(yè)、施工企業(yè)及地鐵業(yè)主單位對盾構(gòu)設(shè)備健康及安全生產(chǎn)都比較重視。首先，對盾構(gòu)/TBM設(shè)備的故障診斷與健康管理要求較高，盾構(gòu)機一旦在日常挖掘中遇到液壓和電氣控制方面的故障，會給設(shè)備的維修帶來巨大困難，將給施工單位及業(yè)主單位帶來巨大的經(jīng)濟損失，甚者造成人員的重大傷亡。因此，無論是盾構(gòu)機制造廠家，還是盾構(gòu)機的使用單位都對盾構(gòu)機的可靠性特別關(guān)注，對故障診斷維護及健康管理尤為看重，尤其是對盾構(gòu)機正常掘進起到致命性影響的主軸承及減速機等關(guān)鍵部件的故障診斷及健康管理。

 

針對盾構(gòu)/TBM故障難診斷、難預(yù)測的難點，利用聲發(fā)射、電流、弱信號處理和變速變載技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，采用基于聲發(fā)射的主軸承監(jiān)測技術(shù)、基于電機電流的盾構(gòu)減速機監(jiān)測技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備移動維保支持技術(shù)等新的技術(shù)手段。可實現(xiàn)對機械設(shè)備傳動鏈及軸承等關(guān)鍵部件的監(jiān)測，識別故障的性質(zhì)、程度、類別、部位、原因等，并能說明故障發(fā)展的趨勢及影響，做出預(yù)報使故障難以預(yù)測。利用大數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)勢，可以將多種盾構(gòu)信息集成表現(xiàn)為特征圖形，從而實現(xiàn)系統(tǒng)級的關(guān)聯(lián)特征提取，并可進一步進行特定數(shù)據(jù)的深入分析，實現(xiàn)從整體上到局部的交互分析，提升設(shè)備運行監(jiān)測的敏感性和故障診斷的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)基于海量數(shù)據(jù)的可視化診斷，為盾構(gòu)/TBM的遠程診斷維護提供了新的技術(shù)思路。

 

1基于聲發(fā)射的盾構(gòu)主軸承檢測技術(shù)

 

盾構(gòu)主軸承工作在典型的低速重載狀態(tài)下，傳統(tǒng)振動監(jiān)測難以實現(xiàn)有效監(jiān)測。而盾構(gòu)軸承在運行中表面間摩擦、材料受壓作用后內(nèi)部晶格的錯動或裂隙的閉合、擴展以及貫通，伴隨部分能量以彈性波的形式釋放出來，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。而聲發(fā)射信號頻率范圍廣、不受機械振動和環(huán)境噪聲干擾、信噪比高、能反映早期微小故障，尤其適用于盾構(gòu)主軸承的低速重載監(jiān)測診斷。

 

盾構(gòu)主驅(qū)動軸承是盾構(gòu)掘進機中的核心部件之一，由內(nèi)圈（止推圈）、外圏、軸內(nèi)圈（定位圈）和三排圓柱滾子組成，屬特種軸承。針對盾構(gòu)主軸承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，尺寸較大，滾動體數(shù)目多等相關(guān)問題，主要研究信號采集和信號處理兩方面的技術(shù)。其核心技術(shù)為：

 

盾構(gòu)主軸承監(jiān)測的聲發(fā)射測點位置選擇與優(yōu)化技術(shù)

聲發(fā)射模擬信號的低頻包絡(luò)動態(tài)獲取獲取技術(shù)

基于先進信號處理的盾構(gòu)主軸承變速變載故障特征提取技術(shù)

基于盾構(gòu)典型故障實驗的典型故障數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

 

 

2基于電機電流的盾構(gòu)減速機監(jiān)測技術(shù)

 

盾構(gòu)的刀盤傳動系統(tǒng)由電機提供動力源，電機輸出軸依次經(jīng)過減速器和齒輪的減速，驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動。在此傳動系統(tǒng)中，減速機是直接影響盾構(gòu)的掘進狀態(tài)的關(guān)鍵部件。由于盾構(gòu)減速機通常都是定制，出現(xiàn)故障后難以在短期內(nèi)維修和更換，會極大的影響施工進度。因此對于盾構(gòu)減速機的監(jiān)測是勢在必行的。

 

電機電流分析法（MCSA）是一種基于驅(qū)動電機定子電流信號的傳動系統(tǒng)故障診斷的方法，目前在諸如機床等重大裝備故障診斷中已有實際應(yīng)用。使用電機電流分析法對盾構(gòu)減速機進行監(jiān)測診斷，相比于其他監(jiān)測診斷方法，具有如下優(yōu)勢：電流傳感器便于安裝，電流信號的采集過程安全，獲取的電流信號特征明顯且很少受到傳遞路徑的影響。基于電機電流信號的盾構(gòu)減速機監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如下圖所示。其核心技術(shù)包括：

 

盾構(gòu)傳動系統(tǒng)仿真模型建立及減速機特征頻率計算

基于小波解調(diào)和頻譜細化的電流信號邊頻帶特征提取技術(shù)

基于SVD分解重構(gòu)的微弱調(diào)制頻率提取技術(shù)

非平穩(wěn)電流信號特征提取與識別技術(shù)

 

 

3基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備移動維保支持技術(shù)

 

基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備移動維保支持技術(shù)利用物聯(lián)網(wǎng)信息通信技術(shù)，以人為主導(dǎo)，對維保管理過程的各種信息、資源和數(shù)據(jù)進行采集、儲存、傳輸、推送、交互和預(yù)測，將傳統(tǒng)維保管理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)化形態(tài)，基于移動互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人與系統(tǒng)實時互動，實現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的共享，幫助用戶簡化和優(yōu)化維保執(zhí)行過程。

 

利用物聯(lián)網(wǎng)近場通訊技術(shù)，通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)采集設(shè)備維保信息，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對設(shè)備的趨勢性風(fēng)險做出預(yù)測，提醒維保人員對設(shè)備進行有針對性的預(yù)防性保養(yǎng)，降低設(shè)備出現(xiàn)問題的風(fēng)險。設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能及時監(jiān)督維保現(xiàn)場，設(shè)備維修是否按部就班，安全規(guī)程是否一一落實，提升設(shè)備的維護保養(yǎng)質(zhì)量。基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備移動維保支持技術(shù)示意圖如下圖所示。其核心技術(shù)包括：

 

盾構(gòu)關(guān)鍵部件維護保養(yǎng)流程、方法、技術(shù)等研究

基于NFC的物聯(lián)網(wǎng)近場通訊技術(shù)

基于Webservice的移動端App與PC服務(wù)端數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)技術(shù)

設(shè)備全生命周期健康分析與故障預(yù)測技術(shù)

 

 

基于聲發(fā)射的盾構(gòu)機主軸承故障預(yù)示及潤滑狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)：采用聲發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)低速重載的盾構(gòu)主軸承狀態(tài)監(jiān)測，不僅可辨識軸承故障，并可實現(xiàn)潤滑狀態(tài)在線監(jiān)測，為潤滑油量控制提供支持。

 

基于電機電流的盾構(gòu)減速箱故障辨識與分離技術(shù)：盾構(gòu)減速箱為行星齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，故障檢測難度大。采用電機電流分析方法，實現(xiàn)減速箱的高信噪比、高集成度監(jiān)測，減少傳感器安裝難度，提升了在線故障辨識能力。

 

基于物聯(lián)網(wǎng)的盾構(gòu)移動維保快速信息支持技術(shù)：針對盾構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜、維保缺乏信息支持的問題，采用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供快速的維護信息支持，提供維修支持能力，也可降低維保操作的技術(shù)難度。