盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

袁光賢

摘要：盾構(gòu)機(jī)是國(guó)內(nèi)外在修建隧道時(shí)的主要使用機(jī)械，在近年來(lái)對(duì)其的研究中，對(duì)盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是主要的研究方向。本文以三菱盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)為例，對(duì)其液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵字：三菱盾構(gòu)機(jī)，液壓系統(tǒng)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，故障診斷

一、三菱盾構(gòu)機(jī)概述

盾構(gòu)機(jī)的綜合性非常強(qiáng)，以電氣部分為例就包括：電子、電力、電機(jī)、PLC、計(jì)算機(jī)通信以及傳感和檢測(cè)多種技術(shù)的應(yīng)用。三菱盾構(gòu)及的動(dòng)力來(lái)源是電力，自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)依靠PLC、觸摸屏、氣動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及變頻器之間的相互協(xié)作。

對(duì)于三菱盾構(gòu)機(jī)來(lái)說(shuō)，其主要特點(diǎn)就是高度的自動(dòng)化控制，致使盾構(gòu)施工的各個(gè)環(huán)節(jié)都能通過(guò)人機(jī)對(duì)話或PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制。但是高自動(dòng)化也為其設(shè)備檢測(cè)、機(jī)械調(diào)修以及故障診斷帶了更大的困難。

本文以三菱盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)為例，對(duì)其液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障診斷進(jìn)行分析。

二、液壓系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

在盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)中，大部分結(jié)構(gòu)基本都是使用液壓驅(qū)動(dòng)的，可見液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)中非常重要的部分。

對(duì)于一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要包括：液壓泵、動(dòng)力原件、控制元件、執(zhí)行元件以及輔助原件。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)于盾構(gòu)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，他是盾構(gòu)系統(tǒng)的心臟。所以一旦液壓系統(tǒng)出現(xiàn)問題，都會(huì)給盾構(gòu)機(jī)工作帶來(lái)非常大的影響，甚至造成停機(jī)。因此對(duì)于盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及故障檢修是非常有意義的。

在盾構(gòu)機(jī)中，液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境一般是封閉管路內(nèi)部，所以其故障不易發(fā)現(xiàn)和排查，所以給故障檢測(cè)帶來(lái)了一定的困難。對(duì)液壓系統(tǒng)的故障機(jī)理進(jìn)行研究分析，能夠定性定向的分析故障原因，對(duì)于液壓系統(tǒng)的診斷效率以及精度是非常有意義的。

1.液壓泵的故障機(jī)理

液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力，本文設(shè)計(jì)的三菱盾構(gòu)機(jī)使用的是斜盤式軸向柱塞泵。斜盤式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種激勵(lì)力形式，這些激勵(lì)力會(huì)形成振源。這些振源主要包括：（1）、缸體與配油盤之間接觸面的摩擦（2）、軸承運(yùn)動(dòng)沖擊；（3）、由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以流體為介質(zhì)在配油盤上的沖擊；（4）、滑靴對(duì)斜盤的沖擊；（5）、活塞和滑靴對(duì)回程盤的沖擊；（6）、滑靴與斜盤接觸面的摩擦。這些振源所攜帶的信息會(huì)通過(guò)柱塞泵的介質(zhì)向外傳播，其傳播主要有三種途徑：（1）、以金屬元件為介質(zhì)，向機(jī)座和殼體傳播，造成機(jī)座和殼體的異常振動(dòng)；（2）、以流體為介質(zhì)向壓力油路中傳遞壓力，引起油路系統(tǒng)的壓力振擺與沖擊；（3）、以氣體為介質(zhì)向空氣中輸送振動(dòng)，產(chǎn)生噪音。

2.液壓回路的故障機(jī)理

在三菱盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)中，除液壓泵外還有控制元件、執(zhí)行元件、輔助原件以及液壓油。液壓系統(tǒng)是封閉的閉環(huán)回路，主要故障包括：（1）、壓力異常造成的液壓系統(tǒng)故障，主要表現(xiàn)為：壓力值大幅度波動(dòng)，系統(tǒng)失壓或壓力大小失控；（2）、油溫異常或油液清潔度不合格造成的液壓系統(tǒng)故障；（3）、執(zhí)行元件異常造成的液壓系統(tǒng)故障，主要取決于液壓油缸的工作狀態(tài)；（4）、液壓系統(tǒng)的泄漏造成的液壓系統(tǒng)故障，而泄露又包括內(nèi)泄露以及外泄露。

3.液壓系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷

液壓檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)的壓力、溫度、以及油液進(jìn)行測(cè)試的系統(tǒng)。盾構(gòu)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備以及個(gè)人計(jì)算機(jī)。

由于盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)比較龐大，并且控制的油路眾多，所以需要多種檢測(cè)方法。本文主要介紹了液壓泵振動(dòng)診斷以及液壓系統(tǒng)油液分析診斷。

（1）、液壓泵振動(dòng)診斷

液壓泵是液壓系統(tǒng)的心臟，在使用過(guò)程中，其故障的發(fā)生概率是液壓系統(tǒng)中最高的，所以液壓泵的工作狀態(tài)的優(yōu)劣直接決定了液壓系統(tǒng)的工作能力。對(duì)液壓泵的診斷方法主要包括：油液檢測(cè)、壓力檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、噪聲檢測(cè)等。

一般正常的軸向柱塞泵的能量主要集中在基頻以及高倍頻上，并且差異性較小，當(dāng)泵出現(xiàn)故障時(shí)，基頻處的能量較為集中。在時(shí)域統(tǒng)計(jì)表中可以對(duì)其各項(xiàng)時(shí)域指標(biāo)進(jìn)行觀察，看其是否處于正常的水平，若各項(xiàng)時(shí)域指標(biāo)正常且頻譜圖中也未見任何異則證明該液壓泵的運(yùn)行情況良好。

（2）、油液分析研究

油液系統(tǒng)分析包括鐵譜分析和光譜分析以及理化性能指標(biāo)分析。鐵譜性能指標(biāo)主要有兩個(gè)：一是直讀式鐵譜，二是分析式鐵譜；而光譜主要是針對(duì)油液中元素如鐵、鋅、銅、磷硅、等的含量進(jìn)行分析；理化性能指標(biāo)主要包括：水分、污染度以及運(yùn)動(dòng)粘度等，各指標(biāo)正常標(biāo)準(zhǔn)范圍分別為：水分<0.1%；污染度符合ISO 4406 18/15 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；運(yùn)動(dòng)粘度應(yīng)為 45.4 cSt/40 ℃。

對(duì)油液的測(cè)試診斷可以使用油液三線值分析法。所謂油液三線值就是指油液的正常線、警告線和報(bào)警線的值，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理后得到所檢油液的擬合線，通過(guò)判斷擬合線的位置從而對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定，這也顯示使用比較廣泛的方法。

四、結(jié)語(yǔ)

本文以三菱盾構(gòu)機(jī)的液壓系統(tǒng)的檢測(cè)與故障診斷為例進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，但是在應(yīng)用中仍然有很多問題和不足需要去解決。盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)既龐大又復(fù)雜，對(duì)其狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷需要工程人員以及研究人員的不斷改進(jìn)以及完善，以期能夠盡量減少盾構(gòu)施工中因盾構(gòu)機(jī)故障停機(jī)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

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