地鐵盾構設備狀態故障與檢測關鍵技術

楊永剛

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

在城市化的進程中，地鐵的建設也逐漸惠及到多個城市。為了提高地鐵施工的工作效率，盾構機被廣泛應用于施工過程中。施工中為確保盾構機正常運行，需要對其進行養護與維修。鑒于此，有必要研究地鐵盾構設備故障與狀態檢測，促使地鐵工程的順利進行。

1 工程概況

某地鐵盾構施工區，使用的盾構機類型為直徑6.25 m土壓平衡盾構機，數量為2臺。整個盾構施工區間單線長度可達3151 m，水平運輸線可達3530 m。施工現場地質條件：中風化泥質粉砂巖層，巖石的穩定性能較強，可執行盾構操作。單線最高每天可掘進16環。施工中準備MG45/16門式起重機1臺，MG16/5門式起重機1臺，海瑞克盾構機2臺。

2 地鐵盾構設備故障與狀態檢測的意義

隨著盾構設備的引入，越來越多的研究學者將研究重點放在該設備的施工工藝上。在專家學者的研究中，盾構設備故障診斷專家系統已逐步應用于地鐵項目的建設過程中。結合高科技信息技術的故障診斷系統不僅可以加快故障的辨別診斷速度，而且還能提升地鐵建設的信息化水準[1]。

盾構機是一種大型綜合設備，既涉及到機械工作部分、液壓工作還涉及到電氣控制領域的工作。因而操作起來比較復雜，再加上整個地鐵施工現場活動空間有限，很容易引發設備的使用故障。一旦設備出現故障不僅會增大資金的投入，使施工成本增大，還影響了施工效率，拖慢了施工進度。鑒于此點，研究盾構設備的故障檢測就顯得尤為重要。不僅可以提升故障的辨別效率還能對設備出現故障情況做出相應的預測判斷。

3 地鐵盾構設備故障與狀態檢測關鍵技術

3.1 建立知識庫

從地鐵盾構設備狀態故障與檢測的功能來看，進行故障辨別與檢測的過程實質上是獲取知識并將其運用到推理分析進而判定故障類型的復雜過程。鑒于此，要想確保盾構設備狀態故障與檢測過程的順利運行一個很重要的前提是依靠強大的知識庫。該系統可以從知識庫中提取盾構設備故障的癥狀去對應相符合的故障類型，進而找出合適的解決方案選擇適當的方式來檢測故障設備。要想使檢測結果更準確，需要建立一個龐大的知識庫，將盾構設備所遇到的各種故障類型及檢測事故全部錄入到知識庫中，方便維修人員調取有用的信息。但在實際擴充過程中，有很多復雜知識的錄入操作相當困難增加了相關人員的工作負擔。鑒于此，相關從業人員需要根據實際需要進行取舍。在設備檢測過程中，需要結合實際情況，選擇合適的檢測方法，提高檢測的有效率[2]。

3.2 設計推理機

在盾構設備故障檢測系統中不可或缺的一部分就是推理機。它可以對整個系統進行協調控制。換言之，推理機會根據盾構設備故障系統檢測出的故障信息，再結合維修人員輸入的數據信息，綜合考慮，再調出知識庫中所儲存的知識，選擇合適的檢測方式，對整個盾構設備的故障情況進行分析，初步評估出本次故障的類型，在這一基礎之上進行推理，找出設備產生故障的原因，完成故障檢測。考慮到地鐵盾構設備出現故障并不是一種因素作用的結果，而是多種因素共同作用的結果，而且同一種癥狀的出現可能對應多個原因分析，因而在推理盾構設備故障檢測分析的過程中要做好權衡。為了盡快排查出地鐵盾構設備故障類型，迅速找出產生故障的原因并匹配出合適的解決方案，應該盡可能的制定出與每一種故障類型相匹配的故障消解對策，產生故障類型與解決方案優先匹配，以此來確保盾構設備故障監測系統的匹配效率。

3.3 基于實時參數

基于實時參數構建地鐵盾構設備狀態故障檢測系統需要依靠傳感器來實現狀態的監控。根據傳感器的特征，可以從多種源頭上搜集數據信息，建立起一套基于實施參數的推理體系，可對監控信息進行故障分析。當實時模擬量或者開關量出現異常時，傳感器會將異常的數據信息傳遞到整個檢測系統，之后通過顯示屏，維修人員會了解到系統的異常之處。根據反饋回來的監測數據，檢測人員可以將此信息傳遞到推理機上，輔助展開推理。接口會將推理機獲取的最終故障原因傳遞給檢測人員，并附加相對應的解決方案。若獲取到的原因不是最終故障原因，那么系統就會自動開啟模糊推理體系，得出進一步的故障原因分析。二者進行原因匹配，取得造成故障的最終原因，以此來確保地鐵盾構故障解決得更為順利[3]。

就目前的地鐵盾構設備結構來看，絕大多數是液壓驅動結構。換言之，在地鐵設備中液壓系統是相當重要的一部分，可以稱得上是整個盾構設備的中樞系統。液壓系統的結構相對復雜，一旦出現問題，修復起來難度系數也較高。鑒于此，液壓系統的故障檢測應作為監測重點。

3.4 盾構機故障機理

（1）液壓泵故障機理。整個液壓系統重要的動力來源就是液壓泵。以海瑞克盾構機的液壓泵分析為例（圖1）。該盾構機的軸向柱塞泵是斜盤式，組成部分相對復雜。此外不同類型的激勵力產生在液壓系統的運行中，這些激勵力會產生振源力。

產生振源力的形式有2種情況：①摩擦產生的振源，可能是滑靴與斜盤接觸面的摩擦，缸體與配油盤的摩擦；②沖擊產生的振源，可能是滑靴沖擊斜盤或回程盤產生的振源。這些振源所對應的相關數據信息向外傳遞的媒介是柱塞泵。

傳輸方式有2種：①金屬部件將信息傳遞到殼體和機座，造成這兩者產生異常的振動。②壓力借助流體傳遞到壓力油通道，以形成壓力沖擊和油道系統的擺動。③氣體用作傳輸介質，振動傳遞到空氣中，產生噪聲。

圖1 海瑞克盾構機

（2）液壓回路故障機理。液壓系統在閉環回路中可能出現的故障類型：①液壓系統故障產生的原因在于壓力異常，由于壓力值的不穩定性使得整個系統出現失壓的狀況；②液壓系統出現故障產生的原因在于油溫出現異常或油液不夠清潔有雜質，使得整個油液的規格并不符合相關指標規定；③液壓系統故障產生的原因在于液壓油缸運行不正常，使得整個執行元件出現了問題；④液壓系統故障產生的原因是液壓系統外泄或液壓系統內泄。

（3）液壓系統的狀態檢測以及故障診斷。盾構系統構造比較復雜，相對來說體系較大，很多油路的流通都受到該系統的控制。鑒于此，液壓系統的檢測要運用多種方式，以確保檢測的準確性。液壓系統的中樞是液壓泵，因而在盾構機構的整體運行中液壓泵的工作強度較大，很容易發生各種故障。基于上述內容，液壓泵的運行狀態是否良好直接影響著整個液壓系統的運行效率，故而需重點關注液壓泵的檢測。當液壓泵工作狀態正常時，液壓泵產生的能量既有高倍頻又有基頻，二者之間沒有太大的差異。當液壓泵工作狀態異常時，液壓泵產生的能量主要是基頻。可借助于時域統計表來輔助檢測，獲取檢測數據。液壓泵運行正常時，各大時域指標、頻譜圖均處于正常范圍，沒有異常現象[4-5]。

（4）液壓系統油液的檢測。液壓系統油液的檢測方式有3種形式：①鐵譜檢測，按其讀取方式的不同又可分為直讀式和分析式鐵譜。②理化性能指標檢測，主要是用來檢測運動黏度值、污染程度和含水量，其含水量最高不得超過0.001，運動黏度值需達到4.54×10-5m2/s（40℃）。③光譜檢測，這種檢測方式鋅、銅、鐵在油液中的含量。此外，還可以根據油液的正常線、警告線和報警線的位置來判定油液的檢測情況。取得3項數據值之后借助于計算機分析，取得油液檢測擬合線。根據擬合線顯示的變化情況分析液壓系統的整體運行狀況。

4 結束語

地鐵施工的安全性很大程度上取決于地鐵盾構設備狀態故障與檢測工作的開展情況。鑒于此，相關的工作人員需在明確地鐵盾構設備狀態故障與檢測工作重要性的基礎之上，分析故障檢測系統應用的關鍵技術，積累施工經驗，增加盾構施工的安全系數。