盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承無損檢測應(yīng)用技術(shù)

王龍

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450000）

盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承無損檢測應(yīng)用技術(shù)

王龍

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著中國城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)地鐵施工在各大城市得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于盾構(gòu)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感和信息技術(shù)于一體，主機(jī)龐大，輔助設(shè)備復(fù)雜多樣，在施工過程中盾構(gòu)機(jī)自身設(shè)備的安全性、可靠性已成為盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家和施工方關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是主驅(qū)動(dòng)軸承核心部件，一旦隧道內(nèi)發(fā)生故障很難就地修復(fù)。針對(duì)目前較普遍的振動(dòng)監(jiān)測和診斷技術(shù)分析，提出在盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承的無損檢測中采用沖擊脈沖檢測技術(shù)獲取主軸承的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，通過對(duì)其信息的測量和分析，實(shí)現(xiàn)可以不停機(jī)或不解體設(shè)備就可以對(duì)主驅(qū)動(dòng)軸承劣化的部位和故障的性質(zhì)作出判斷，作出超前維保滿足施工要求。并通過實(shí)際的現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了成功，產(chǎn)生了大量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

盾構(gòu)機(jī)；主驅(qū)動(dòng)軸承；振動(dòng)監(jiān)測；沖擊脈沖

目前盾構(gòu)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)軸承（回轉(zhuǎn)支撐軸承、驅(qū)動(dòng)小齒輪軸端圓錐滾子軸承）一般生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)使用壽命在10km左右［1］，但隨著盾構(gòu)掘進(jìn)地層工況的變化，大批盾構(gòu)的主驅(qū)動(dòng)軸承在盾構(gòu)掘進(jìn)2～3km拆機(jī)轉(zhuǎn)場時(shí)，需要對(duì)其解體檢查，確保下個(gè)區(qū)間施工的設(shè)備保障［2］。但是，此種檢修往往造成維修不足或者過剩維修，增加了總體故障率。許多事例表明本來很穩(wěn)定的主驅(qū)動(dòng)軸承，經(jīng)過維修反而出現(xiàn)許多故障。因?yàn)閷?duì)于穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，維修就是一種干擾。特別是對(duì)于精密回轉(zhuǎn)支撐軸承拆解維修只能增加故障率，而且此種檢修浪費(fèi)大量人力、物力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有40%～50%的費(fèi)用被浪費(fèi)了。因?yàn)橛性S多被檢修軸承完全處于良好狀態(tài)。更嚴(yán)重的是，在對(duì)精密回轉(zhuǎn)支撐主軸承拆解維修中，由于其零部件很多，各種零部件的連接特別牢固，每次拆、組、裝都要損傷一些零部件，使零部件受到?jīng)_擊，使其整體壽命下降。因此，為了解決過剩維修和擺脫“事后維修”的困境，應(yīng)用盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)參數(shù)，在不停機(jī)的施工過程中，使用沖擊脈沖技術(shù)監(jiān)測軸承狀態(tài)和頻譜綜合分析系統(tǒng)，診斷軸承是否存在機(jī)械故障以及對(duì)中、平衡、松動(dòng)等異常現(xiàn)象，實(shí)時(shí)掌握、不斷積累軸承的狀態(tài)信息，預(yù)測軸承的劣化趨勢(shì)和剩余壽命［3-5］。并根據(jù)具體情況制定不同的維修措施，保證盾構(gòu)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)軸承核心部件性能可靠，延長使用壽命。

1 沖擊脈沖檢測技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)在使用做功過程中，主驅(qū)動(dòng)軸承會(huì)發(fā)生振動(dòng)，主要有在開挖面不均質(zhì)作用在刀盤上引起的軸向力、周向力、傾覆力變化導(dǎo)致的振動(dòng)；回轉(zhuǎn)體與固定體之間游隙變化引起的沖擊振動(dòng)；各小齒輪與齒圈制造誤差及中心距誤差引起的齒輪嚙合綜合沖擊振動(dòng)；電機(jī)和主減速器本身的綜合傳遞振動(dòng)；主軸承內(nèi)部雜質(zhì)（如果已經(jīng)存在碎屑）的摩擦引起的振動(dòng)等。振動(dòng)中，常常是幾個(gè)信號(hào)疊加在一起。因此，利用沖擊脈沖技術(shù)可以把通常認(rèn)為有用的信號(hào)提取出來（相關(guān)分析、頻譜分析等），進(jìn)行處理分析，判斷得出故障原因。

沖擊脈沖技術(shù)是應(yīng)用沖擊脈沖傳感器，工作在32kHz的固有頻率上，具有常規(guī)振動(dòng)加速度傳感器5～7倍的靈敏度，直接采集到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，能夠得出軸承故障及其潤滑狀態(tài)。相比其他常規(guī)的振動(dòng)加速度頻譜圖、包絡(luò)解調(diào)頻譜圖結(jié)果更加可靠、準(zhǔn)確。

1.1 常規(guī)振動(dòng)加速度頻譜圖

如圖1振動(dòng)加速度頻譜圖所示，可以看到軸承外圈的故障特征頻率及其諧波，驅(qū)動(dòng)齒輪箱的故障特征頻率也比較突出。是軸承問題還是齒輪問題，還需要其他方法驗(yàn)證。

圖1 振動(dòng)加速度頻譜圖

1.2 振動(dòng)包絡(luò)解調(diào)頻譜圖

如圖2包絡(luò)頻譜圖所示，軸承外圈故障頻率可以看到，但幅值較低。低頻部分幅值較高，無法確認(rèn)故障根源。是軸承問題還是其他問題，還需其他方法驗(yàn)證。

1.3 沖擊脈沖頻譜

如圖3沖擊脈沖頻譜圖所示，結(jié)合沖擊脈沖指標(biāo)及軸承故障特征頻率幅值進(jìn)行趨勢(shì)分析，能準(zhǔn)確判斷出軸承外圈故障。

圖2 包絡(luò)頻譜圖

圖3 沖擊脈沖頻譜圖

1.4 沖擊脈沖應(yīng)用

一般振動(dòng)測試都是用有效值xrms來描述。其主要原因是在于有效值與振動(dòng)的能量有直接關(guān)系。如位移的xrms代表了振動(dòng)系統(tǒng)的勢(shì)能含量；速度的xrms代表了振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能含量；加速度的xrms代表了振動(dòng)系統(tǒng)的功率譜密度的含量。信號(hào)可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)幅值用xp，在測試之前，一般都應(yīng)對(duì)xp或xp-p有足夠的估計(jì)，以便確定測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，使之不致產(chǎn)生削波現(xiàn)象，真實(shí)地反映被測信號(hào)的最大值。

波峰因數(shù)是峰值與有效值之比。其是一個(gè)無量綱參數(shù)，用于診斷滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)是其不受滾動(dòng)軸承幾何尺寸、轉(zhuǎn)速和載荷的影響，也不受傳感器靈敏度的影響。該參數(shù)適合于滾動(dòng)軸承和齒輪箱的早期診斷。軸承無故障時(shí)，該值為3左右；隨故障的出現(xiàn)和發(fā)展，該值逐步增大，可達(dá)到10～15；當(dāng)故障發(fā)展到一定程度，又逐步變小，并接近于3。波峰因數(shù)適合點(diǎn)蝕類故障的診斷。

峭度定義為歸一化的四階中心矩，其也是一個(gè)無量綱參數(shù)。用于診斷滾動(dòng)軸承的優(yōu)點(diǎn)是其不受滾動(dòng)軸承幾何尺寸、轉(zhuǎn)速和載荷的影響，也不受傳感器靈敏度的影響。峭度也是適合點(diǎn)蝕類故障的診斷。監(jiān)測峭度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，一般經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，滾動(dòng)軸承正常時(shí)，峭度大約為3；軸承出現(xiàn)損傷并發(fā)展時(shí)，峭度明顯增大，甚至可達(dá)到幾十；故障嚴(yán)重時(shí)，峭度再次回落到3附近。

在武漢地鐵某項(xiàng)目對(duì)2臺(tái)盾構(gòu)設(shè)備驅(qū)動(dòng)軸的軸承采用了沖擊脈沖技術(shù)實(shí)施健康性能專項(xiàng)監(jiān)測，如圖4單臺(tái)盾構(gòu)單軸測點(diǎn)示意圖、圖5軸驅(qū)動(dòng)的測試順序圖所示。輸入端軸承頻譜圖如圖6所示，輸出端軸承頻譜圖如圖7所示。

圖4 單臺(tái)盾構(gòu)單軸測點(diǎn)示意圖

圖5 軸驅(qū)動(dòng)軸承的測試順序圖

圖6 輸入端軸承頻譜圖

分析認(rèn)為：①頻譜結(jié)果同軸承油膜渦動(dòng)或油膜振蕩時(shí)的頻譜基本吻合；②徑向振動(dòng)頻譜中有顯著而穩(wěn)定的（0.42～0.48）×RPM分量；③軸向振動(dòng)的渦動(dòng)頻率處分量較小；④時(shí)域以穩(wěn)定的周期波形為主，沒有較大的加速度沖擊。

圖7 輸出端軸承頻譜圖

診斷結(jié)果顯示此軸承沒有問題，油膜過厚。建議適當(dāng)控制加油量，軸承可以繼續(xù)運(yùn)行。此次共計(jì)22個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，評(píng)定出該主驅(qū)動(dòng)軸承無早期缺陷及油潤滑、對(duì)中、平衡、齒輪問題，建議施工項(xiàng)目嚴(yán)格控制有關(guān)掘進(jìn)使用參數(shù)。之后，此盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)累計(jì)1 200m，無軸承故障發(fā)生。

2 結(jié)論

通過在現(xiàn)場盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)軸承故障特征頻率測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)軸承檢查不需要專業(yè)拆解檢測就可以運(yùn)用沖擊脈沖技術(shù)隨時(shí)進(jìn)行檢測，得出有關(guān)準(zhǔn)確的分析結(jié)果。因此，盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)軸承無損檢測應(yīng)用技術(shù)是提高設(shè)備的安全性、可靠性，降低故障的損失，減少維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的有效方法。在生產(chǎn)中運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，搞好主驅(qū)動(dòng)軸承的無損檢測與故障診斷，可以延生到其他項(xiàng)目的檢測中，保證施工進(jìn)度的順利完成。

［1］王全先.機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013.

［2］盛美萍，王敏慶，孫進(jìn)才.噪音與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［3］清華大學(xué)工程力學(xué)系編.機(jī)械振動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［4］S.鐵摩辛柯.工程中的振動(dòng)問題［M］.胡人禮，譯.北京：人民鐵道出版社，1978

［5］聞邦椿.機(jī)械振動(dòng)理論及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2009.

Application Technology of Nondestructive Testing for Main Drive Bearing of Shield Machine

Wang Long
（China Railway Engineering Equipment Group Technical Service Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

With the rapid development of urban subway construction in China,the construction of subway in shield machine method is becoming more and more widely applied in major cities of China.As a shield machine which is in?tegrated with optical,mechanical,electrical,fluid,sensing,informational technologies,large outer size,complex and diverse auxiliary equipments,safety and reliability of shield machine in the construction process have become focus of attention both at manufacturer’s and user’s side.Especially,main drive bearing,the one of core components,once failure in tunnel,it is difficult to repair in situ.In view of the more common vibration monitoring and diagnostic analy?sis techniques,it is proposed to use the impulse detection technology to acquire the motion information of the main bearing in nondestructive testing method for the main drive bearing of the shield machine.By measuring and analyz?ing the information,in condition of non-stop or non-disintegration of the machine,judgments can be made to deter?mine the location of deterioration and property of failure for the main bearing.Accordingly,the construction require?ments can be satisfied by preventive maintenance.Further,through the actual on-site industrial test,it is proven suc?cessfully,so as to contribute a large number of economic and social benefits.

shield machine；main drive bearing；vibration monitoring；impact pulse

U455.3

：A

：1003-5168（2017）03-0064-03

2017-02-12

王龍（1981-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械工程。