盾構/TBM專用振動監測傳感器VM-BOX的研發

辛書杰， 周遠航， 張 萌， 李 磊

(中鐵隧道局集團專用設備中心， 河南 洛陽 471009)

0 引言

進入21世紀以來，我國鐵路、公路、地鐵、輸油和輸氣等大型工程建設投入在不斷加大，隧道及地下工程建設迎來了前所未有的快速發展[1]。盾構/TBM是專門用于隧道掘進的工程機械設備，具有一次開挖成型的優勢，在交通基礎設施和城市軌道交通建設中發揮了關鍵作用[2-3]。盾構設備結構龐大，一旦出現故障將會影響到盾構的正常施工，甚至造成人員傷亡等大型施工事故。盾構刀盤系統作為盾構的關鍵部位，在掘進過程中受到的沖擊和振動最大，其在很大程度上決定了掘進施工的速度。對盾構刀盤系統進行數據采集，獲取部件的狀態信息很有必要[4]。

對刀盤系統振動的監測手段，傳統方法采用振動測試儀拾取、記錄和分析動態信號，通過對被監測設備的振動能量的測試和頻譜圖形分析[5]，實現對設備狀態的評估和故障診斷，此方法獲得的測試數據具有間接性，且誤差在3.1%～6.2%，不能時時掌握設備狀態[6]。此外，采用振動測試儀不能實現實時監測，需耗費人力物力，且數據采集過程中易受到人為因素干擾，監測結果易產生人為誤差，單次監測費用在5～8萬元，產生誤差的概率在5%左右。而在線監測技術發展迅速、技術成熟，已在發電、化工等領域得到廣泛應用且效果良好，其中風電在線監測覆蓋率達到86%以上，設備故障率同比以3%的速度下降[7]。目前國內已開展盾構/TBM刀盤在線狀態監測研究工作。在線監測數據存在8.2%左右的誤差，誤差主要來源為傳感器性能不穩定，易受溫度、濕度和振動頻率變化的干擾[8-9]。盾構在線監測的主要困難之一是沒有適用于采集刀盤系統振動信號的傳感器，因此，研發針對刀盤系統各部件的在線監測方法及專用傳感器十分必要。

本文選取盾構刀盤系統作為研究對象，研發VM-BOX振動數據采集器，對主軸承、減速箱、主電機和刀盤泵進行監測，根據采集的振動數據和溫度傳感器采集的溫度數據來判別各部件的磨損狀態(當存在非正常磨損時，會引起各部件溫度的升高和振動幅值的增大)，從而保證盾構/TBM刀盤系統的可靠性，為工程開展提供技術保障。

1 VM-BOX應用拓撲

針對傳統的手持式振動儀無法對盾構主要部件的振動狀態進行實時監測的問題，本文設計了盾構/TBM專用振動監測傳感器VM-BOX。VM-BOX可安裝在盾構/TBM內部關鍵零部件上，實時采集其在工作過程中的振動和溫度數值。

VM-BOX內部集成振動傳感器、溫度傳感器和微處理器等，可以對振動信號實施采集、分析、告警，通過串口(RS485)傳送到數據集中器，其應用拓撲如圖1所示。

圖1 VM-BOX應用拓撲Fig. 1 Application topology of VM-BOX

2 振動信號處理方法與裝置配置選型研究

據統計,機械設備由于振動引起的故障占總機械故障的 60%～70%，這主要是指運動機械、特別是量大面廣的旋轉機械與往復機械，因此，振動分析方法已成為設備故障診斷所使用的現代監測、分析和識別的主要技術和方法，且發展十分迅速[10]。盾構各主要核心部件大多數為旋轉機械，旋轉機械在運轉時會形成振動沖擊，產生振動信號。當機械發生故障時，這些振動信號幅值和頻率成分等會發生變化，通過研究這些變化可以對機械的故障進行診斷[11]。振動信號易于拾取，且可采用信號放大器、信號調理器和信號分析算法對振動信號進行分析處理，以提取有用信息，從而進行故障診斷。利用振動信號進行故障分析的難點在于如何判定信號是由機械故障產生的振動還是工作中產生的擾動。

2.1 振動采集與處理的硬件配置

信號采集系統的硬件主要包括以下4個部分： 傳感器、信號調理、數據采集和運算處理器。傳感器是連接被測設備和測試系統的橋梁，把要采集的物理信號轉化成電信號。由于被測電信號在測量和傳輸的過程中存在各種噪聲和信號削弱，使得被測信號通常很微弱，并伴有噪聲，因此需要信號調理電路對其進行必要的調理。信號調理電路的功能一般有放大、隔離、多路復用、濾波、激勵和線性化等。數據采集模塊將調理之后的模擬信號轉化成便于微處理器讀取和分析的數字信號。

VM-BOX的主要功能是采集振動/溫度數據，并計算出描述振動的參數，如加速度、速度、頻率等。一個典型的數據采集裝置的硬件主要由傳感器(振動/溫度)、濾波電路、放大電路、A/D采樣、嵌入式處理器、存儲器(Memory)、通信接口(Serial)等構成。VM-BOX數據采集裝置的硬件配置如圖2所示。

圖2 VM-BOX數據采集裝置的硬件配置

Fig. 2 Hardware configuration of data acquisition device of VM-BOX

2.2 主要芯片選型方案

2.2.1 傳感器

傳感器類似于人的感覺器官，是獲取被測信號的唯一途徑，因此它使用的是否得當將直接影響測試效果的好壞甚至成敗。盾構的掘進施工環境惡劣、作業空間狹小且空氣濕度高，常常會受到泥漿、土塊、油液和水的污染，且掘進過程中難以更換傳感器，所以對傳感器的各項要求都比較高。靈敏度、測量范圍、可靠性、精確度和響應特性是傳感器選取的重要指標。

振動傳感器分為振動位移傳感器、振動速度傳感器和振動加速度傳感器。由于盾構振源多而雜，振動情況復雜，故需選用頻率測量范圍大的振動加速度傳感器；同時，由于振動加速度傳感器輸出的電量較小，容易被周圍噪聲所覆蓋，因此需要外加電荷放大器。此外，由于盾構工作環境惡劣且承受沖擊比較大，因此需選用抗沖擊性強、可靠性高的傳感器。

隨著手機/PAD等移動終端的普及，微機電系統(MEMS)技術得到快速發展。在此技術上開發的傳感器的尺寸越來越小，而精度卻越來越高，如MEMS加速度傳感器已經普遍應用于手機、智能手表中。與傳統的機械式傳感器相比，MEMS傳感器具備體積小、靈敏度高和可集成度高等特點。本方案中采用ADI(analog devices)的MEMS加速度傳感器。

MEMS加速度傳感器有模擬接口和數字接口2種，考慮到設計的便利以及抗干擾能力，采用數字接口更好一些。本方案中采用ADXL345和ADXL375 2款加速度傳感器。ADXL345量程為16g，該量程覆蓋了常規的振動監測范圍；ADXL375量程為200g，主要應用于比較大的撞擊試驗，如汽車碰撞、爆炸等沖擊。盾構的部件振動大部分為低頻機械振動，16g的量程已經可以滿足使用，同時考慮到不同的地質條件下，盾構施工中遇到較大沖擊的可能性，在本方案中也選用了200g的ADXL375作為備用。在常規振動監測中采用ADXL345的數據，一旦發現數據超出量程，則采集ADXL375的數據，從而既保證了數據的精度，也兼顧了數據量程的要求。

ADXL345和ADXL375的內部結構如圖3所示(單軸示意)。

圖3 ADXL345和ADXL375的內部結構Fig. 3 Internal structure of ADXL345 and ADXL375

MEMS微機電結構中，每個軸向的機械部分包括2個不同的框架，一個固定式，一個移動式。這些框架之間有一系列層板，從而形成一個可變的差分容性網絡。當框架受到與重力或加速度相關的力時，移動框架會改變其相對于固定框架的物理位置，導致電容發生變化。微型彈簧將移動框架連接到固定框架，并決定加速度和物理位移之間的關系。移動極板上的調制信號會通過各容性路徑饋入固定框架極板和解調電路，從而生成與器件上加速運動成正比的電信號。采集這些電信號即可得到加速度的值。

ADXL345和ADXL375的內部集成了信號調理和數據采樣電路，有效抑制了環境噪聲對振動信號的影響,提高了信噪比;同時，采用數字通信接口,簡化了外圍電路的設計。

2.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的元件，主要用于工業過程溫度參數的測量與控制。溫度傳感器主要是熱電偶或熱電阻，即在不同溫度下電阻發生變化，可以較容易轉換為電壓或者電流變化。溫度傳感器的種類較多，應用也比較簡單。本方案中待測對象溫度為振動測試點的表面溫度，選用TI公司的溫度傳感器,接口為I2C總線。

2.2.3 嵌入式處理器

本方案設計針對的是長時間運行的在線監測設備,分布在盾構內部眾多關鍵部位，除了數據采集外，更重要的是對離散信號進行計算，實現信號的時域與頻域分析。綜上要求，選用的硬件平臺是Freescale/NXP公司的32位ARM/Cortex-M0+系列,其中Kinetis-M是專用于計量的微處理器，內核運行速度為75 MHz，內部包含了內存映射計算單元MMAU、高精度∑-Δ模數轉換器ADC、可編程增益放大器PGA、高精度參考電壓Vref、Flash/RAM內存單元、比較器CMP和RTC等外設，廣泛應用于各種測量表計。

2.2.4 Serial接口

Serial通信接口是采集器與數據集中器之間通信的接口，支持MODBUS通信規約，采用RS485接口，波特率根據需要可調節。

2.2.5 EEPROM

EEPROM用于存儲通信管理機的配置管理數據。采用I2C總線存取的EEPROM，可選用AT24C08，提供8 kB的數據存儲容量。

2.3 VM-BOX產品功能和電氣物理特性

VM-BOM傳感器的具體功能見表1，電氣物理特性見表2。

3 實現方案

3.1 系統框圖

VM-BOX硬件模塊間的交互關系如圖4所示。通過SPI接口讀取加速度傳感器的采集數據；通過I2C總線讀取溫度傳感器的數據；UART通過RS485接口電路連接外部MODBUS總線；預留3通道4-20 mA接口，接模擬傳感器，實現相位監測功能(后續開發)；采用SWD接口對CPU調試以及固件燒錄；GPIO控制LED指示燈指示運行狀態；DC24 V供電，內部DC/DC電路生成5 V/3.3 V,CPU供電為3.3 V； DC24 V還供給4-20 mA接口電路使用。

表1 VM-BOX的具體功能Table 1 Specific functions of VM-BOX

表2 VM-BOX電氣物理特性Table 2 Physico-electrical characteristics of VM-BOX

圖4 VM-BOX硬件模塊間的交互關系Fig. 4 Interaction between hardware modules of VM-BOX

本系統在設計時滿足通用硬件設計要求： 1)冗余設計； 2)復位； 3)看門狗； 4)硬件狀態指示； 5)維護與調試； 6)EMC； 7)安全。結構件如圖5所示。

由于采集的信號是振動信號,因此要求采集裝置應剛性連接于待測設備,以免發生減振的情況。可將采集盒通過底部螺絲固定在底座上，再將底座安裝于待測設備。底座應采用金屬材質，且滿足剛性要求。

圖5 VM-BOX結構件Fig. 5 Structure of VM-BOX

3.2 系統軟件與校準辦法

運行在Kinetis-M嵌入式處理器平臺的軟件，實現采集器的各項功能，采用IAR Embedded Workbench開發。主要模塊包括： 1)啟動程序Boot； 2)驅動程序Driver； 3)采樣Sampling； 4)快速傅里葉變換FFT； 5)計算(速度有效值、頻率)Calculating； 6)通信規約(MODBUS)處理Communication。

由于元器件個體的差異，采樣得到的讀數與實際的物理量數值之間存在偏差，因此需要進行校準后才能得到正確的數值。

一般情況下，讀數與實際物理量數值之間存在線性關系：

Y=Val×Factor+Offset或Val=(Y-offset)/Factor。

式中：Y為讀數； Val為實際的物理量數值； Factor為因子，即每變化一個單位的物理量的讀數變化； Offset為偏移，即物理量為基數(參考值)時的讀數(理想情況下為0)。

因此，校準需要計算2個參量，即Offset和Factor。在本方案設計中，物理量為加速度，可以通過重力加速度來計算這2個參量。通過在某軸上施加g、0、-g的重力加速度，根據此3種情況下的讀數變化，計算出Offset和Factor的數值。通過中值濾波方法可以有效去除環境噪聲對參數的影響。

4 試驗驗證

為了驗證新研制的盾構/TBM專用振動監測傳感器VM-BOX的性能，在合肥地鐵3號線2標CT006H項目中，在盾構2#刀盤驅動泵、螺旋機泵、管片拼裝機泵、1#主驅動減速機、3#主驅動減速機、7#主驅動減速機、1#—4#主軸承、推進泵上安裝此傳感器，對這些部件的振動信息進行實時測量。在硬件上，利用信號調理單元對采集的振動信號進行放大濾波處理；在軟件上，利用中值濾波算法對采集到的振動信號進行降噪處理；從而獲得更加真實的盾構/TBM振動信號，并參照旋轉機械振動診斷的國際標準ISO 2372《轉速為10～200 r/s機械振動規定評價標準》，對振動烈度進行測量和評定，達到判斷當前盾構/TBM機械結構性能的目的。

4.1 振動診斷標準

在實際工程中，針對傳感器監測的振動信息，采用ISO 2372國際標準進行判斷。ISO 2372的具體診斷標準見表3。

表3 ISO 2372振動診斷標準Table 3 Vibration diagnostic standards of ISO 2372

Ⅰ類機器： 在正常運行條件下,與整機連成一體的發動機或機器的單獨部件(如15 kW 及以下功率的電動機)。Ⅱ類機器： 無專用基礎的中型機器(如15～75 kW 的電動機),剛性安裝的發動機以及安裝在專用基礎上的機器(功率可達 100 kW)。Ⅲ類機器： 振動測量方向上相對剛度較大的重型基礎上安裝的大型原動機和其他大型旋轉機械。Ⅳ類機器： 振動測量方向上相對剛度較小的基礎上安裝的大型原動機和其他大型旋轉機械(如透平發電機組,特別是輕型結構基礎上的透平機組)。A級： 優良，振動在良好限值以下，認為振動狀態良好。B級： 合格，振動在良好限值和報警值之間，認為機組振動狀態是可接受的(合格)，可長期運行。C級： 尚合格，振動在報警限值和停機限值之間，機組可短期運行，但必須加強監測并采取措施。D級： 不合格，振動超過停機限值，應立即停機。

同時，應根據振動信號時間序列圖中振動的幅值和振動持續時間來判斷振動是否屬于盾構前進過程中產生的固有振動，或者是屬于機械故障引起的振動。盾構/TBM前進過程中產生的固有振動具有平穩、幅值較小的特點，機械故障引起的振動具有突變性、幅值較大的特點。

4.2 監測數據分析

由于監測部件較多，本文對2#刀盤驅動泵的監測數據進行分析。取2#刀盤驅動泵上某時段的監測信息，主要依據徑向速度對部件的振動狀態進行判斷，其速度即對應振動烈度。將2#刀盤驅動泵某時段的徑向速度監測數據轉化為莖圖，如圖6所示。

圖6 2#刀盤驅動泵某時段的徑向速度莖圖

Fig. 6 Stem diagram of radial velocity of drive pump of disc cutter No. 2

由圖6可知，刀盤驅動泵的徑向振動烈度大部分時間處于A級和B級，即振動狀態良好。部分間斷時間點的徑向速度值較大，振動狀態屬于C級或D級，即應該對該部件加強監測。由于盾構掘進過程中會產生振動，只有當監測數據連續處于D級時，才對盾構做停機處理。圖6所示刀盤驅動泵的徑向振動烈度未出現連續的異常監測數值，表明該時段刀盤驅動泵的振動狀態良好。

5 結論與討論

本文提出的盾構/TBM專用振動監測傳感器VM-BOX實現了對盾構/TBM關鍵部件在工作過程中振動、溫度的實時監測，能夠對設備磨損狀況及設備故障進行精準化、科學化管理。

專用振動監測傳感器能夠獲得連續的監測數據，為判斷該部件的運行趨勢提供參數依據，為進一步實現監測數據的智能化處理、對監測數據進行智能判斷提供研究基礎。

對盾構刀盤系統進行實時監測，監測數據能夠為生產廠家對刀盤的改進提供幫助，進而提升國內裝備制造能力。

振動傳感器在采集刀盤振動數據時，無法消除外界振動信號所產生的干擾，對監測數據的采集和判斷會產生一定影響，需要開展進一步研究以消除外界振動信號的干擾。

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