盾構主軸承齒輪箱應用參數監測技術的可行性研究

楊其明, 康寶生, 易新乾

(1. 北京天捷優越科技有限公司, 北京 100088; 2. 中鐵隧道集團有限公司, 河南 洛陽 471009;3. 石家莊鐵道大學, 河北 石家莊 050043)

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盾構主軸承齒輪箱應用參數監測技術的可行性研究

楊其明1, 康寶生2, 易新乾3

(1. 北京天捷優越科技有限公司, 北京 100088; 2. 中鐵隧道集團有限公司, 河南 洛陽 471009;3. 石家莊鐵道大學, 河北 石家莊 050043)

以刀盤扭矩、刀盤轉速和主驅動電流為3個變量，通過理論推導，定義參量“能量輸出效率E”，對盾構主軸承齒輪箱的能量傳遞效率進行定量評價。其可行性在延長盾構/TBM使用壽命相關研究實踐中得到了驗證。對主軸承齒輪箱等盾構部件工作狀態進行參數監測，“E”參量具有開發應用前景。

盾構/TBM； 主軸承齒輪箱； 狀態監測； 參數監測； 能量輸出效率E

0 引言

為實現盾構運行的安全、長效，中國中鐵隧道集團將《應用減摩修復技術延長盾構使用壽命研究》列入科技開發計劃。此研究通過在掘進施工中對盾構主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機齒輪箱應用減摩修復技術達到延長盾構使用壽命的目標[1]。為了評價所采用摩安減摩修復技術的安全性和有效性，作為試驗方案的一部分，在研究中運用了參數監測技術。參數監測是與振動監測、油液監測相并列的3大現代機械設備狀態監測技術之一[2-3]。盾構結構復雜精密，為使各功能部件在封閉、惡劣、高負荷、強沖擊的環境下安全高效地運行，采用多種機電傳感器，實時采集、記錄如電流、電壓、轉速、壓力等常規機電數據，并預設閾值報警。這些數據包含著大量的信息，為基于單一數據變量的大樣本經典統計分析提供了條件。然而，這些原生單項數據雖能用來比對、監視其是否處于設計技術指標的安全范圍之內，但很難對各功能部件乃至整個系統的狀態和效能做出綜合評價。主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機齒輪箱均屬于齒輪系摩擦副，其功能是在變換工作轉速的同時實現能量的傳遞。利用各類單項機電數據，推演、定義科學的工程參量，以監測、評價齒輪系能量傳遞的效能，是在上述項目研究中對減磨修復效果進行評價的關鍵課題，需要在理論基礎和分析方法上進行創新。

據此，在采集多項工作參數數據大樣本和綜合分析其相關性的基礎上，根據工程力學基本理論，提出“能量輸出效率E”并對其進行了定義和參量推導。該研究在上述項目實踐中首用成功，同時也驗證了將基于工作參數的狀態監測技術應用于盾構/TBM的可行性。

1 數據采集

數據采自在長株潭城際鐵路綜合 Ⅰ 標五工區施工的2臺海瑞克盾構(S657(試驗)、S658(對比))的主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機齒輪箱，各取12項。其中，直接反映主軸承齒輪箱工作性能和故障情況的有10項： 1)刀盤扭矩； 2)刀盤轉速； 3)主驅動電機電流； 4)齒輪油溫度； 5)刀盤扭矩報警； 6)主驅動電機電流報警； 7)主驅動電機扭矩限制器脫扣； 8)主驅動齒輪油溫報警； 9)齒輪油過濾2； 10)OPV 1-3。

與主軸承齒輪箱動力傳遞性能和摩擦能量損失直接相關并需常態監測的主要是前4項數據，即刀盤扭矩、刀盤轉速、主驅動電機電流和齒輪油溫度。

2 單項機電數據統計分析

對以上4項工作參數在2個月內各626個數據利用常規統計分析，得到各自的變化曲線以及平均值、標準差等數學參量[4]。圖1—3示出S657盾構(試驗機)的機電參數數據和曲線圖，另一臺對比機的數據圖省略。

圖1 刀盤扭矩數據變化曲線(S657)

在試驗盾構自動生成的數據報告中，以額定電流(460 A)為1、所測實際電流與額定電流百分比作為驅動電流的計量方式，本文保留原始表達方式，下同。

圖3 主驅動電流數據變化曲線(S657)

Fig. 3 Electric current variation curve of main driving (S657)

2臺盾構主軸承齒輪箱機電參數的數理統計結果見表1。由表可知，將刀盤扭矩、刀盤轉速和主驅動電機電流3個單項機電參數的均值、標準差進行單項比對，很難對2盾構主軸承齒輪箱的工作狀態做出區分和判斷。這是由于與其他穩定工況下運行的機械設備存在本質不同，盾構工作環境和載荷多變，這3個機電數據各自變化較大卻又彼此高度相關。單項數據比對只能用來判斷其是否超出設計標準，這從安全監視角度講是十分必要的，但均無法用來定量表征和綜合判斷主軸承齒輪箱在能量傳遞方面的工作狀態。

表1 2臺盾構主軸承齒輪箱機電數據數理統計結果

3 能量輸出效率E

3.1 參量定義與理論推導

針對此項研究的特定對象、數據結構和課題目標，提出“能量輸出效率E”(暫以英文單詞efficiency首字母“E”命名)的概念，作為監測和評價主軸承齒輪箱工作狀態的綜合參量。

齒輪箱是以變換轉速為目的的能量傳遞摩擦副。盾構主軸承齒輪箱的源頭能量輸入形式為電能，能量輸出形式為機械能。在電能驅動下，經齒輪箱的能量傳遞和轉速變換，刀盤以一定扭矩和轉速切割土石方，消耗機械能從而實現掘進。在齒輪箱能量傳遞過程中，自身的機械摩擦消耗了一部分輸入的驅動能量，并將其轉化為熱能，從而減少了輸出能量。齒輪箱工作狀態越好，其能量消耗越少，能量傳輸效率越高。輸出功率P1與輸入功率P2之比可作為表征齒輪箱工作狀態的參量，即定義能量傳輸效率E=P1/P2。

根據物理學原理，剛性體(如主刀盤)做旋轉運動時，其輸出機械功率

P1=T·ω[5]。

式中：T為扭矩，N·m；ω為角速度，rad/s。

由此可得，主刀盤輸出功率

P1=T·ω=T·2π·r/t=2π·60·T·r/min=

120π·T·r/min。

式中：r為轉數，量綱為一；t為時間，s。

作為齒輪系的能量輸入端，輸入電功率

P2=I·V。

式中：I為驅動電流，A；V為輸入電壓，V。

則能量傳輸效率

為求解使用“能量傳輸效率E”，受現有盾構機載實時數據采集系統的限制和出于平行試驗的特定應用考慮，能量傳輸效率公式可以進一步簡化，但條件是：

1)通過盾構操作系統，所能采集到的輸出端實時參數，是以MN·m為單位的扭矩和以r/min為單位的轉速。經以上推導可知，在這些工程單位與標準單位的換算過程中雖出現了常數項120π，但量綱沒變。故為使用方便，直接采用主刀盤扭矩T(MN·m)與刀盤轉速(r/min)之積表征輸出功率P1，省略常數項120π。

2)由于所試驗的盾構操作系統沒有采集加載在主刀盤驅動系統上輸入電壓的實時數據，故在假定各臺盾構輸入電壓基本相同并穩恒(排除出現較大波動的異常情況)即V為常數的常態條件下，由電流I獨立表征輸入功率P2。

3)盾構主驅動電流讀取數據時保留了設備操作系統自動生成的相對電流計量數據，計量單位為%，而不是標準計量單位A。將其作為同一型號盾構的非標工程單位，予以直接使用，不再換算為標準計量單位。

在以上邊界條件基本成立時，“能量傳輸效率E”可簡化為可直接應用的“E*”，

在以上特定條件下定義的“E*”可以解釋為“單位驅動電流所產生的機械能輸出功率”。理論上，如E*值越大，則表明每單位驅動電流可輸出更高能量，驅動和變速系統的工作狀態更佳；反之，則能量損耗大，輸出效率低，系統工作狀態欠佳。

3.2 概念與定義的應用

引入E的概念和E*定義后，對表1進行補充，得到表2。

表2 2臺盾構主軸承齒輪箱的E*值

由表中E*值的計算結果，不但可以定性地得出試驗盾構S657主軸承齒輪箱的工作狀態要優于對比盾構S658，而且可以進一步定量地計算出能量輸出提高的比例并說明性能優化的程度。該試驗結果表明，通過減磨技術降低因齒輪摩擦產生的能量損失，能夠有效提高能量傳遞的效率。

4 主軸承齒輪箱潤滑油溫度監測

潤滑油溫度也是潤滑機械參數監測的重要選項之一[3]。圖4和圖5分別示出S657盾構(試驗)和S658盾構(對比)在試驗同期的齒輪油溫度變化曲線。

圖4 S657盾構(試驗)齒輪油溫度變化曲線

Fig. 4 Temperature variation curve of grease oil of shield S657 (tested)

圖5 S658盾構(對比)齒輪油溫度變化曲線

Fig. 5 Temperature variation curve of grease oil of shield S658 (compared)

統計分析及評價結果見表3。

表3 主軸承齒輪箱潤滑油溫度對比

Table 3 Comparison between shield S657 and shield S658 in terms of lubricating grease temperature of main bearing gearboxe

盾構平均溫度/℃溫度標準差/℃平均溫度差值/℃平均溫度相差比例/%S657(試驗)36.544.33-1.92-5.0S658(對比)38.464.2100

2齒輪箱潤滑油溫度分布標準差值幾乎相等，說明數據離散程度相同，在此基礎上對平均溫度進行單項對比則基本可行。試驗機平均油溫低于對比機近2 ℃，二者相差5%，表明在實施減磨技術后，減少了因齒輪摩擦而產生的熱能損失。潤滑油溫度監測結果與能量輸出效率E值提高的結論相吻合。

5 結論與討論

1)以刀盤扭矩、刀盤轉速和主驅動電流為3個變量,從理論上提出、定義并推導了“能量輸出效率E”參量，以對盾構主軸承齒輪箱能量傳遞效率做出定量評價。其有效性和實用性在延長盾構/TBM使用壽命的相關研究實踐中得到了驗證。

2)“能量輸出效率E”的提出和試用為在大型機械裝備(如盾構/TBM等)上應用工作參數監測技術提供了理論與實踐依據。在今后盾構/TBM的設計、制造以及運用過程中，“能量輸出效率E”有著潛在的應用價值和開發前景。

3)受當前工作參數數據采集覆蓋面的限制，“能量輸出效率E”定義變量尚存在不充分性。例如，由于無法實現輸入電壓的實時數據采集而在能量輸入端由電流獨立表征輸入功率，這必然會給應用結果的可信度帶來影響。今后應在此基礎上及時跟蹤設備的技術升級，予以補充和完善。

[1] 康寶生，陳義得，陳饋. 應用減磨修復技術延長盾構/TBM使用壽命研究[J]. 隧道建設， 2015， 35(9)： 861-866.

KANG Baosheng, CHEN Yide, CHEN Kui. Study of prolonging service life of TBMs by using friction-reducing and self-repairing technology[J].Tunnel Construction, 2015， 35(9)： 861-866.

[2] 楊其明，嚴新平，賀石中，等. 油液監測分析現場實用技術[M]. 北京： 機械工業出版社， 2006. YANG Qiming，YAN Xinping，HE Shizhong，et al. Oil monitoring and analysis: A field practical technology[M]. Beijing: China Machine Press, 2006.

[3] Babbar A, Syrmos V L, Ortiz E M, et al. Advanced diagnostics and prognostics for engine health monitoring[C]//Proceedings of the IEEE Aerospace Conference.[S.l.]: [s.n.], 2009.

[4] 陳家鼎，劉宛如，汪仁官. 概率統計講義[M]. 3版.北京： 高等教育出版社， 2004. CHEN Jiading，LIU Wanru，WANG Renguan. Probability and statistics[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press， 2004.

[5] 周衍柏. 理論力學教程 [M]. 3版.北京： 高等教育出版社， 2009. ZHOU Yanbo. Rational mechanics[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press， 2009.

Study of Feasibility of Applying Parameter Monitoring to Main Bearing Gearbox of Shield

YANG Qiming1, KANG Baosheng2, YI Xinqian3

(1.BeijingTechjetScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100088,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China;3.ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

In order to evaluate the energy transmit efficiency of main bearing gearbox of shield/TBM quantitatively, a reference valueE(efficiency of energy output) is calculated and defined theoretically based on 3 variables, i.e., torque, rotational speed and driving current of the cutting wheel. Its feasibility has been verified in the research practice about prolonging the service life of shield/TBM. The parameter monitoring is carried out on working condition of shield/TBM components such as main bearing gearbox. TheEparameter is worth developing and popularizing.

shield/TBM; gearbox of main bearing; condition monitoring; parameter monitoring; energy output efficiencyE

2017-02-20;

2017-04-01

楊其明(1946—)，男，山東濟寧人，1969年畢業于北京大學，物理專業，本科，教授級高級工程師，現從事機械設備狀態監測、工業摩擦學等領域的新技術、新產品研發與應用工作。E-mail: qmy0202@aliyun.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.017

U 455.3

A

1672-741X(2017)05-0637-04