盾构油液安全在线远程诊断维护关键技术应用

盾构（TBM）远程诊断与维护关键技术

 

盾构机作为城市轨道交通、水利工程、公路铁路等领域隧道施工的关键设备，在我国城市建设中发挥着重要作用。已在上海、广州、北京、南京、成都、南宁、西安等全国45个城市进行地铁施工，共有401条线路，5933座地铁站。未来必将迎来地下工程建设的高潮，将会在更多的城市规划建设地铁，地铁建设数量会逐年稳步增长，盾构机作为隧道掘进设备也将会随着地下空间的大开发而大面积推广使用。

 

盾构机是集光、机、电、液、传感、信息技术与一体的超大型、复杂设备，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌和测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制以及测量等多门学科技术。目前国内盾构机保有量近1600台，单台价值从几千万到几个亿，总价值在600亿，其中90%的盾构机都参与到城市地铁的建设当中，其余10%用于建设高铁、高速公路的穿山隧道建设中。每年用于设备维护、大修、保养及工程消耗上的费用估算在100亿。

 

 

鉴于盾构机的高成本、体积大、高复杂，且施工工艺复杂、作业空间狭小，只能前进不能后退等特点，盾构制造企业、施工企业及地铁业主单位对盾构设备健康及安全生产都比较重视。首先，对盾构/TBM设备的故障诊断与健康管理要求较高，盾构机一旦在日常挖掘中遇到液压和电气控制方面的故障，会给设备的维修带来巨大困难，将给施工单位及业主单位带来巨大的经济损失，甚者造成人员的重大伤亡。因此，无论是盾构机制造厂家，还是盾构机的使用单位都对盾构机的可靠性特别关注，对故障诊断维护及健康管理尤为看重，尤其是对盾构机正常掘进起到致命性影响的主轴承及减速机等关键部件的故障诊断及健康管理。

 

针对盾构/TBM故障难诊断、难预测的难点，利用声发射、电流、弱信号处理和变速变载技术等新技术的发展，采用基于声发射的主轴承监测技术、基于电机电流的盾构减速机监测技术、基于物联网的设备移动维保支持技术等新的技术手段。可实现对机械设备传动链及轴承等关键部件的监测，识别故障的性质、程度、类别、部位、原因等，并能说明故障发展的趋势及影响，做出预报使故障难以预测。利用大数据可视化的优势，可以将多种盾构信息集成表现为特征图形，从而实现系统级的关联特征提取，并可进一步进行特定数据的深入分析，实现从整体上到局部的交互分析，提升设备运行监测的敏感性和故障诊断的关联性，实现基于海量数据的可视化诊断，为盾构/TBM的远程诊断维护提供了新的技术思路。

 

1基于声发射的盾构主轴承检测技术

 

盾构主轴承工作在典型的低速重载状态下，传统振动监测难以实现有效监测。而盾构轴承在运行中表面间摩擦、材料受压作用后内部晶格的错动或裂隙的闭合、扩展以及贯通，伴随部分能量以弹性波的形式释放出来，这种现象称为声发射。而声发射信号频率范围广、不受机械振动和环境噪声干扰、信噪比高、能反映早期微小故障，尤其适用于盾构主轴承的低速重载监测诊断。

 

盾构主驱动轴承是盾构掘进机中的核心部件之一，由内圈（止推圈）、外圏、轴内圈（定位圈）和三排圆柱滚子组成，属特种轴承。针对盾构主轴承结构较复杂，尺寸较大，滚动体数目多等相关问题，主要研究信号采集和信号处理两方面的技术。其核心技术为：

 

盾构主轴承监测的声发射测点位置选择与优化技术

声发射模拟信号的低频包络动态获取获取技术

基于先进信号处理的盾构主轴承变速变载故障特征提取技术

基于盾构典型故障实验的典型故障数据库构建

 

 

2基于电机电流的盾构减速机监测技术

 

盾构的刀盘传动系统由电机提供动力源，电机输出轴依次经过减速器和齿轮的减速，驱动刀盘转动。在此传动系统中，减速机是直接影响盾构的掘进状态的关键部件。由于盾构减速机通常都是定制，出现故障后难以在短期内维修和更换，会极大的影响施工进度。因此对于盾构减速机的监测是势在必行的。

 

电机电流分析法（MCSA）是一种基于驱动电机定子电流信号的传动系统故障诊断的方法，目前在诸如机床等重大装备故障诊断中已有实际应用。使用电机电流分析法对盾构减速机进行监测诊断，相比于其他监测诊断方法，具有如下优势：电流传感器便于安装，电流信号的采集过程安全，获取的电流信号特征明显且很少受到传递路径的影响。基于电机电流信号的盾构减速机监测系统示意图如下图所示。其核心技术包括：

 

盾构传动系统仿真模型建立及减速机特征频率计算

基于小波解调和频谱细化的电流信号边频带特征提取技术

基于SVD分解重构的微弱调制频率提取技术

非平稳电流信号特征提取与识别技术

 

 

3基于物联网的设备移动维保支持技术

 

基于物联网的设备移动维保支持技术利用物联网信息通信技术，以人为主导，对维保管理过程的各种信息、资源和数据进行采集、储存、传输、推送、交互和预测，将传统维保管理转变为数据化形态，基于移动互联网实现人与系统实时互动，实现信息和数据的共享，帮助用户简化和优化维保执行过程。

 

利用物联网近场通讯技术，通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术采集设备维保信息，利用大数据分析技术对设备的趋势性风险做出预测，提醒维保人员对设备进行有针对性的预防性保养，降低设备出现问题的风险。设备物联网技术还能及时监督维保现场，设备维修是否按部就班，安全规程是否一一落实，提升设备的维护保养质量。基于物联网的设备移动维保支持技术示意图如下图所示。其核心技术包括：

 

盾构关键部件维护保养流程、方法、技术等研究

基于NFC的物联网近场通讯技术

基于Webservice的移动端App与PC服务端数据分发服务技术

设备全生命周期健康分析与故障预测技术

 

 

基于声发射的盾构机主轴承故障预示及润滑状态监测技术：采用声发射技术实现低速重载的盾构主轴承状态监测，不仅可辨识轴承故障，并可实现润滑状态在线监测，为润滑油量控制提供支持。

 

基于电机电流的盾构减速箱故障辨识与分离技术：盾构减速箱为行星齿轮系统结构，故障检测难度大。采用电机电流分析方法，实现减速箱的高信噪比、高集成度监测，减少传感器安装难度，提升了在线故障辨识能力。

 

基于物联网的盾构移动维保快速信息支持技术：针对盾构系统复杂、维保缺乏信息支持的问题，采用移动互联网技术，提供快速的维护信息支持，提供维修支持能力，也可降低维保操作的技术难度。