盾構機主驅動軸承無損檢測應用技術

王龍

摘 要：隨著中國城市地鐵建設的快速發(fā)展，盾構機地鐵施工在各大城市得到越來越廣泛的應用。由于盾構機集光、機、電、液、傳感和信息技術于一體，主機龐大，輔助設備復雜多樣，在施工過程中盾構機自身設備的安全性、可靠性已成為盾構機生產廠家和施工方關注的焦點，尤其是主驅動軸承核心部件，一旦隧道內發(fā)生故障很難就地修復。針對目前較普遍的振動監(jiān)測和診斷技術分析，提出在盾構機主驅動軸承的無損檢測中采用沖擊脈沖檢測技術獲取主軸承的運動狀態(tài)信息，通過對其信息的測量和分析，實現(xiàn)可以不停機或不解體設備就可以對主驅動軸承劣化的部位和故障的性質作出判斷，作出超前維保滿足施工要求。并通過實際的現(xiàn)場工業(yè)試驗驗證，獲得了成功，產生了大量的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：盾構機；主驅動軸承；振動監(jiān)測；沖擊脈沖

中圖分類號：U455.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2017）03-0064-03

Abstract： 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 integrated 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 manufacturers and users 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 analysis 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 analyzing the information， in condition of non-stop or non-disintegration of the machine， judgments can be made to determine the location of deterioration and property of failure for the main bearing. Accordingly， the construction requirements can be satisfied by preventive maintenance. Further， through the actual on-site industrial test ， it is proven successfully， so as to contribute a large number of economic and social benefits.

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

目前盾構機的主驅動軸承（回轉支撐軸承、驅動小齒輪軸端圓錐滾子軸承）一般生產廠家的設計使用壽命在10km左右[1]，但隨著盾構掘進地層工況的變化，大批盾構的主驅動軸承在盾構掘進2～3km拆機轉場時，需要對其解體檢查，確保下個區(qū)間施工的設備保障[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)定的主驅動軸承，經過維修反而出現(xiàn)許多故障。因為對于穩(wěn)定的系統(tǒng)而言，維修就是一種干擾。特別是對于精密回轉支撐軸承拆解維修只能增加故障率，而且此種檢修浪費大量人力、物力。據(jù)統(tǒng)計，有40%～50%的費用被浪費了。因為有許多被檢修軸承完全處于良好狀態(tài)。更嚴重的是，在對精密回轉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，使零部件受到沖擊，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，應用盾構機的運轉動態(tài)參數(shù)，在不停機的施工過程中，使用沖擊脈沖技術監(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械故障以及對中、平衡、松動等異常現(xiàn)象，實時掌握、不斷積累軸承的狀態(tài)信息，預測軸承的劣化趨勢和剩余壽命[3-5]。并根據(jù)具體情況制定不同的維修措施，保證盾構機的主驅動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

盾構機在使用做功過程中，主驅動軸承會發(fā)生振動，主要有在開挖面不均質作用在刀盤上引起的軸向力、周向力、傾覆力變化導致的振動；回轉體與固定體之間游隙變化引起的沖擊振動；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；電機和主減速器本身的綜合傳遞振動；主軸承內部雜質（如果已經存在碎屑）的摩擦引起的振動等。振動中，常常是幾個信號疊加在一起。因此，利用沖擊脈沖技術可以把通常認為有用的信號提取出來（相關分析、頻譜分析等），進行處理分析，判斷得出故障原因。

沖擊脈沖技術是應用沖擊脈沖傳感器，工作在32kHz的固有頻率上，具有常規(guī)振動加速度傳感器5～7倍的靈敏度，直接采集到軸承運轉產生的沖擊信號，并對信號進行頻譜分析，能夠得出軸承故障及其潤滑狀態(tài)。相比其他常規(guī)的振動加速度頻譜圖、包絡解調頻譜圖結果更加可靠、準確。

1.1 常規(guī)振動加速度頻譜圖

如圖1振動加速度頻譜圖所示，可以看到軸承外圈的故障特征頻率及其諧波，驅動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，還需要其他方法驗證。

1.2 振動包絡解調頻譜圖

如圖2包絡頻譜圖所示，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，無法確認故障根源。是軸承問題還是其他問題，還需其他方法驗證。

1.3 沖擊脈沖頻譜

如圖3沖擊脈沖頻譜圖所示，結合沖擊脈沖指標及軸承故障特征頻率幅值進行趨勢分析，能準確判斷出軸承外圈故障。

1.4 沖擊脈沖應用

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

波形指標指波形與正弦波比較的偏移和歪斜，即Sf=xrms/xav，其中xav指平均絕對值。峰值指標指波形是否有沖擊，即Cf=[xpx]，I=Xp/Xrms。歪度指標指以平均值為中心，波形的對稱性。峭度指標指波形的尖峭程度、有無沖擊，即

波峰因數(shù)是峰值與有效值之比。其是一個無量綱參數(shù)，用于診斷滾動軸承的優(yōu)點是其不受滾動軸承幾何尺寸、轉速和載荷的影響，也不受傳感器靈敏度的影響。該參數(shù)適合于滾動軸承和齒輪箱的早期診斷。軸承無故障時，該值為3左右；隨故障的出現(xiàn)和發(fā)展，該值逐步增大，可達到10～15；當故障發(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，其也是一個無量綱參數(shù)。用于診斷滾動軸承的優(yōu)點是其不受滾動軸承幾何尺寸、轉速和載荷的影響，也不受傳感器靈敏度的影響。峭度也是適合點蝕類故障的診斷。監(jiān)測峭度隨時間的變化趨勢，一般經驗認為，滾動軸承正常時，峭度大約為3；軸承出現(xiàn)損傷并發(fā)展時，峭度明顯增大，甚至可達到幾十；故障嚴重時，峭度再次回落到3附近。

在武漢地鐵某項目對2臺盾構設備驅動軸的軸承采用了沖擊脈沖技術實施健康性能專項監(jiān)測，如圖4單臺盾構單軸測點示意圖、圖5軸驅動的測試順序圖所示。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。

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

診斷結果顯示此軸承沒有問題，油膜過厚。建議適當控制加油量，軸承可以繼續(xù)運行。此次共計22個測試點進行了數(shù)據(jù)采集，評定出該主驅動軸承無早期缺陷及油潤滑、對中、平衡、齒輪問題，建議施工項目嚴格控制有關掘進使用參數(shù)。之后，此盾構機掘進累計1 200m，無軸承故障發(fā)生。

2 結論

通過在現(xiàn)場盾構主驅動軸承故障特征頻率測試結果可以發(fā)現(xiàn)，盾構機的主驅動軸承檢查不需要專業(yè)拆解檢測就可以運用沖擊脈沖技術隨時進行檢測，得出有關準確的分析結果。因此，盾構機主驅動軸承無損檢測應用技術是提高設備的安全性、可靠性，降低故障的損失，減少維護成本，提高經濟效益的有效方法。在生產中運用該項技術，搞好主驅動軸承的無損檢測與故障診斷，可以延生到其他項目的檢測中，保證施工進度的順利完成。

參考文獻：

[1]王全先.機械設備故障診斷技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2013.

[2]盛美萍，王敏慶，孫進才.噪音與振動控制技術基礎[M].北京：科學出版社，2005.

[3]清華大學工程力學系編.機械振動[M].北京：機械工業(yè)出版社，1980.

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

[5]聞邦椿.機械振動理論及應用[M].北京：高等教育出版社，2009.