盾構機關鍵設備狀態監測與故障診斷

袁光賢

摘要：盾構機是國內外在修建隧道時的主要使用機械，在近年來對其的研究中，對盾構機關鍵設備狀態監測與故障診斷是主要的研究方向。本文以三菱盾構機的液壓系統為例，對其液壓系統的狀態監測以及故障診斷進行了簡要的分析。

關鍵字：三菱盾構機，液壓系統，狀態監測，故障診斷

一、三菱盾構機概述

盾構機的綜合性非常強，以電氣部分為例就包括：電子、電力、電機、PLC、計算機通信以及傳感和檢測多種技術的應用。三菱盾構及的動力來源是電力，自動化的實現依靠PLC、觸摸屏、氣動系統、液壓系統以及變頻器之間的相互協作。

對于三菱盾構機來說，其主要特點就是高度的自動化控制，致使盾構施工的各個環節都能通過人機對話或PLC系統進行控制。但是高自動化也為其設備檢測、機械調修以及故障診斷帶了更大的困難。

本文以三菱盾構機的液壓系統為例，對其液壓系統的狀態監測以及故障診斷進行分析。

二、液壓系統設備狀態監測與故障診斷

在盾構機結構中，大部分結構基本都是使用液壓驅動的，可見液壓系統是盾構機中非常重要的部分。

對于一個完整的液壓系統來說，主要包括：液壓泵、動力原件、控制元件、執行元件以及輔助原件。其系統結構較為復雜，對于盾構系統來說，他是盾構系統的心臟。所以一旦液壓系統出現問題，都會給盾構機工作帶來非常大的影響，甚至造成停機。因此對于盾構機液壓系統的狀態監測以及故障檢修是非常有意義的。

在盾構機中，液壓系統的工作環境一般是封閉管路內部，所以其故障不易發現和排查，所以給故障檢測帶來了一定的困難。對液壓系統的故障機理進行研究分析，能夠定性定向的分析故障原因，對于液壓系統的診斷效率以及精度是非常有意義的。

1.液壓泵的故障機理

液壓泵是液壓系統的動力，本文設計的三菱盾構機使用的是斜盤式軸向柱塞泵。斜盤式軸向柱塞泵的結構較為復雜，運轉時會產生多種激勵力形式，這些激勵力會形成振源。這些振源主要包括：（1）、缸體與配油盤之間接觸面的摩擦（2）、軸承運動沖擊；（3）、由于活塞的往復運動以流體為介質在配油盤上的沖擊；（4）、滑靴對斜盤的沖擊；（5）、活塞和滑靴對回程盤的沖擊；（6）、滑靴與斜盤接觸面的摩擦。這些振源所攜帶的信息會通過柱塞泵的介質向外傳播，其傳播主要有三種途徑：（1）、以金屬元件為介質，向機座和殼體傳播，造成機座和殼體的異常振動；（2）、以流體為介質向壓力油路中傳遞壓力，引起油路系統的壓力振擺與沖擊；（3）、以氣體為介質向空氣中輸送振動，產生噪音。

2.液壓回路的故障機理

在三菱盾構機的液壓系統中，除液壓泵外還有控制元件、執行元件、輔助原件以及液壓油。液壓系統是封閉的閉環回路，主要故障包括：（1）、壓力異常造成的液壓系統故障，主要表現為：壓力值大幅度波動，系統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故障；（3）、執行元件異常造成的液壓系統故障，主要取決于液壓油缸的工作狀態；（4）、液壓系統的泄漏造成的液壓系統故障，而泄露又包括內泄露以及外泄露。

3.液壓系統的狀態檢測與故障診斷

液壓檢測系統時對盾構機的液壓系統的壓力、溫度、以及油液進行測試的系統。盾構機測試系統主要包括：數據采集設備、傳感器、信號調理設備以及個人計算機。

由于盾構機的液壓系統比較龐大，并且控制的油路眾多，所以需要多種檢測方法。本文主要介紹了液壓泵振動診斷以及液壓系統油液分析診斷。

（1）、液壓泵振動診斷

液壓泵是液壓系統的心臟，在使用過程中，其故障的發生概率是液壓系統中最高的，所以液壓泵的工作狀態的優劣直接決定了液壓系統的工作能力。對液壓泵的診斷方法主要包括：油液檢測、壓力檢測、振動檢測、噪聲檢測等。

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，當泵出現故障時，基頻處的能量較為集中。在時域統計表中可以對其各項時域指標進行觀察，看其是否處于正常的水平，若各項時域指標正常且頻譜圖中也未見任何異則證明該液壓泵的運行情況良好。

（2）、油液分析研究

油液系統分析包括鐵譜分析和光譜分析以及理化性能指標分析。鐵譜性能指標主要有兩個：一是直讀式鐵譜，二是分析式鐵譜；而光譜主要是針對油液中元素如鐵、鋅、銅、磷硅、等的含量進行分析；理化性能指標主要包括：水分、污染度以及運動粘度等，各指標正常標準范圍分別為：水分<0.1%；污染度符合ISO 4406 18/15 級標準要求；運動粘度應為 45.4 cSt/40 ℃。

對油液的測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、警告線和報警線的值，通過計算機處理后得到所檢油液的擬合線，通過判斷擬合線的位置從而對設備的運行狀態進行判定，這也顯示使用比較廣泛的方法。

四、結語

本文以三菱盾構機的液壓系統的檢測與故障診斷為例進行了簡單的分析，但是在應用中仍然有很多問題和不足需要去解決。盾構機結構既龐大又復雜，對其狀態監測與故障診斷需要工程人員以及研究人員的不斷改進以及完善，以期能夠盡量減少盾構施工中因盾構機故障停機所帶來的經濟損失。

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