基于物聯網技術的盾構油液在線監測系統研究

吳朝來

(中鐵隧道局集團有限公司設備分公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

盾構是地下空間開發的主要施工機械，在我國的城市地鐵、過江公路隧道、跨海隧道等大型隧道工程項目中得到了廣泛應用。盾構主軸承及液壓系統是盾構的核心部件，其性能直接影響整個盾構的性能狀態。如果在施工過程中主軸承潤滑系統和液壓系統中進入泥水、沙礫或出現異常磨損，將導致主驅動系統和液壓系統嚴重損壞，給盾構施工帶來不可估量的損失[1-4]。

根據相關統計資料，機械裝備的惡性故障50%以上是由潤滑失效和過度磨損引起的[5-6]，因此，油液在線監測及診斷技術的研究及運用具有重要的現實意義。目前有許多學者對油液監測技術的應用做了較多研究，文獻[7-8]主要對油液檢測技術進行了研究； 文獻[9-10]主要介紹了油液檢測技術在設備故障診斷中的應用情況； 文獻[11-12]介紹了離線檢測技術在盾構中的應用情況。但隨著盾構自動化、集成化的不斷提高及數量的不斷增多，采用以離線檢測為主的檢測技術已經不能滿足現代設備長周期連續監測的需要。

也有很多學者對在線監測技術進行了研究，文獻[13]主要是對在線鐵譜技術在故障分析中的應用情況進行了說明； 文獻[14-15]對檢測技術的應用和在線監測的理論模型進行了說明，但缺少在盾構方面的應用研究。本文將油液在線監測技術應用于盾構中，并采用物聯網技術實現遠程監控，通過大量研究，選用滿足盾構監測需求的傳感器及技術參數，并經過實踐驗證，以期為實現盾構自動化、網絡化、智能化管理奠定基礎。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統結構

盾構油液在線監測系統結構如圖1所示。系統主要由油液監測模塊、控制器、現場監控站和遠程監控中心組成。

圖1 盾構油液在線監測系統結構

1.2 設計原理

根據盾構實際情況，在液壓系統和主軸承潤滑系統中增加油液在線監測模塊，對油液的介電常數、水分、黏度、污染度和鐵磁顆粒度等指標進行實時監測； 將采集到的各項數據通過控制器處理后傳輸到現場監控站進行分析、存儲和顯示，同時，通過互聯網技術將數據傳輸至遠程監控中心。

2 系統模塊設計

2.1 主軸承齒輪油在線監測模塊

2.1.1 模塊與盾構連接設計

盾構主軸承齒輪油在線監測模塊連接在盾構及主軸承潤滑回路中。從主軸承潤滑系統回路中取油，流經齒輪油在線監測模塊內部各個傳感器； 完成各項指標的實時監測后，將監測過的油液再通過主軸承齒輪箱呼吸口流入齒輪箱。主軸承齒輪油在線監測設備連接控制如圖2所示。

圖2 主軸承齒輪油在線監測設備連接控制示意圖

Fig. 2 Connection and control of online monitoring equipment of main bearing gear oil

2.1.2 模塊內部設計

對于主驅動齒輪油，主要監測指標為溫度、黏度、水分、介電常數、鐵磁顆粒和污染度等，因此，在主軸承齒輪油在線監測模塊中設計了高黏度傳感器、水分傳感器、鐵磁傳感器和激光顆粒傳感器，實時采集上述指標。傳感器布置如圖3所示，傳感器參數見表1。

圖3 主軸承齒輪油在線監測模塊傳感器布置示意圖

Fig. 3 Sensor layout of online monitoring module of main bearing gear oil

表1主軸承齒輪油在線監測模塊傳感器參數

Table 1 Sensor parameters of online monitoring module of main bearing gear oil

名稱檢測指標量程精度高黏度傳感器黏度 0.5×10-6～500×10-6m2/s±5%溫度0～150℃±0.1℃水分傳感器水分0～2000mg/L±10%介電常數1.0～6.00.015鐵磁傳感器 磨損鐵磁顆粒與非鐵磁顆粒 監測>40μm的鐵磁顆粒和>135μm的非鐵磁顆粒±5%激光顆粒傳感器 4、6、14、21μm4個量程通道顆粒數ISO4～251

2.2 液壓油在線監測模塊

2.2.1 模塊與盾構連接設計

盾構液壓油在線監測模塊連接在盾構液壓系統回油管路中。從盾構液壓系統回油管路中取油，流經液壓油在線監測模塊內部各個傳感器； 完成對各項指標實時監測后，監測過的油液流入液壓油箱。液壓油在線監測設備連接控制如圖4所示。

2.2.2 模塊內部設計

對于液壓油，主要監測指標為溫度、黏度、水分、介電常數和污染度等，因此，在液壓油在線監測模塊中設計了流體特性傳感器、激光顆粒傳感器和水分傳感器，分別對以上指標進行實時采集。傳感器布置如圖5所示，傳感器參數選擇見表2。

Fig. 4 Connection and control of online monitoring equipment of hydraulic oil

圖5 液壓油在線監測模塊傳感器布置示意圖

Table 2 Sensor parameters of online monitoring module of hydraulic oil

名稱檢測指標量程精度流體特性傳感器黏度 0.5×10-6～50×10-6m2/s±5%溫度0～150℃±0.1℃激光顆粒傳感器 4、6、14、21μm4個量程通道顆粒數ISO4～251水分傳感器水分0～2000mg/L±10%介電常數1.0～6.00.015

2.3 關鍵技術

2.3.1 系統減振設計

由于在現場掘進施工時整個盾構會產生不間斷的振動，對于安裝的齒輪油在線監測模塊也會被動地產生相應的振動，從而對其正常工作、監測精度、使用壽命等產生較大的影響。為了有效消除上述影響，經過對盾構施工現場振動頻率、振幅和強度的監測和分析后，進行了有針對性的減振設計，主要體現在以下2個方面。

1)模塊減振設計。齒輪油在線監測模塊包含齒輪油監測的全部硬件，選用高阻尼板式橡膠支座作為模塊支撐座，用于模塊和盾構的連接，以隔絕或減弱振動能量的傳遞，能有效消除盾構振動對在線監測模塊的影響。

2)傳感器減振設計。傳感器是整個在線監測模塊的核心，對工況的要求非常嚴苛。為了保證傳感器正常工作，確保監測精度，對其實施相應的減振設計尤為重要。經過對各種減振裝置和材料的調查和分析，最終選用空氣阻尼器，該類阻尼器可以有效阻礙相互連接的物體做相對運動，把運動能量轉化為熱能，能有效隔離盾構振動對傳感器的影響。

2.3.2 數據信號干擾屏蔽和安全防護設計

盾構中動力線路、控制線路和信號線等混雜在一起，如果沒有相應的屏蔽或防干擾措施，就會出現各類信號相互干擾的問題，影響信號的傳輸，最終導致監測中心數據顯示異常。經過對比和分析，選用屏蔽信號線，有效解決了信號干擾和安全問題。

2.3.3 潤滑油氣泡消除設計

盾構液壓系統在運行過程中，由于大排量、高壓泵的運轉，在液壓油中不可避免地會產生很多微小氣泡，這些氣泡不僅會造成系統工作不良、油溫升高、導致氣蝕、引起系統振動和噪聲等危害，還會對液壓油顆粒度在線監測數據的準確性、穩定性產生很大的影響。為有效解決上述問題，經試驗驗證后設計制作了專門的氣泡消除裝置，基本消除了液壓油中的微小氣泡。

液壓油在線監測消泡裝置的工作原理如圖6所示。將液壓油經過金屬盤管進行穩流、降速、靜置后注入密閉的消泡罐中；消泡罐中的液位傳感器探測到待監測液壓油注入量達到指定液位，即關閉入口并封閉消泡罐；對罐中的待檢油液進行加壓、抽氣、排氣處理，以消除液壓油中混入的微小氣泡；最后，將經過消泡處理后的液壓油送至顆粒度傳感器進行監測。

圖6 液壓油在線監測消泡裝置設計圖

Fig. 6 Design drawing of online monitoring defoaming device of hydraulic oil

3 系統應用及分析

3.1 應用情況介紹

盾構油液在線監測系統研制成功后，在合肥地鐵3號線使用的CT006H盾構上進行了試驗。試驗初期，因設計存在缺陷導致出現傳感器異常損壞、液壓油污染度監測數據波動范圍大等問題。通過分析發現，引起傳感器異常損壞的原因是系統減振設計不足，液壓油污染度監測數據波動范圍大的原因是液壓系統運轉中產生的微小氣泡被傳感器識別為污染物。因此，針對這2個問題進行了專項研究，系統中增加了減振裝置和消泡裝置，后期系統運轉較為穩定。盾構液壓油在線監測系統如圖7所示。

(a) 盾構液壓油在線監測模塊

為了測試盾構油液在線監測系統的性能和監測精度，在系統運轉正常后，對主軸承齒輪油和液壓油的黏度、溫度、水分、介電常數、污染度和磨損鐵磁顆粒等指標進行實時狀態數據采集。在試驗期間共采集近10萬個有效數據，并對其進行了匯總分析。

3.2 監測結果分析

3.2.1 齒輪油在線監測結果

通過對現場采集的數據進行比較分析，顯示齒輪油黏度在313×10-6～317×10-6m2/s波動，在此期間對該油液取樣，在實驗室檢測黏度(在40 ℃時)平均值為318.1×10-6m2/s，測試黏度數據誤差在1.6%以內。現場運行過程中監測得到的溫度與黏度曲線如圖8所示。

圖8 主軸承齒輪油溫度與黏度曲線

實驗室檢測水分含量最大為255 mg/L，水分數據上顯示水分有變大的趨勢，測試水分數據在正常波動范圍。現場運行過程中監測到的溫度與水分曲線如圖9所示。

圖9 主軸承齒輪油溫度與水分曲線

經數據分析，齒輪油鐵磁顆粒數量數據曲線如圖10所示； 對濾芯處取油樣進行實驗室光譜分析，Fe元素檢測含量曲線如圖11所示。對比可得，在線監測鐵磁顆粒數量曲線和實驗室檢測Fe元素含量曲線趨勢一致。

圖10 主軸承齒輪油鐵磁顆粒數量數據曲線

Fig. 10 Quantity and data curves of ferromagnetic particle of main bearing gear oil

圖11 主軸承齒輪油Fe元素含量曲線

Fig. 11 Content curves of element Fe of main bearing gear oil

3.2.2 液壓油在線監測結果

經數據分析，液壓油黏度數值穩定性較好，如圖12所示。液壓油40 ℃時的黏度測試值在67.1×10-6～68.3×10-6m2/s,實驗室檢測得到的黏度平均值為67.5×10-6m2/s，誤差波動幅度在-0.59%～1.19%。

圖12 液壓油黏度與溫度監測曲線

Fig. 12 Viscosity and temperature monitoring curves of hydraulic oil

液壓油水分監測值較穩定，在143～150 mg/L波動，如圖13所示。實驗室檢測得到的水分平均值為138 mg/L,誤差波動范圍在1.44%～3.62%。綜上可知，監測數據能夠真實反映油液運行狀況和趨勢。

圖13 液壓油水分監測曲線

4 結論與討論

1)本文主要針對盾構主軸承潤滑系統、液壓系統的潤滑情況和磨損信息進行監測和分析，以掌握設備運行過程中潤滑油各項指標的變化情況。研究實現了數據的采集、匯總、分析和診斷，能夠及時獲取設備運轉狀態信息，為盾構狀態維護和故障診斷提供可靠的數據支持，防止重大設備故障，降低維修成本，具有良好的經濟效益，值得推廣應用。

2)在線監測系統所采集的數據與實驗室檢測數據基本一致，說明研究的盾構油液在線監測系統運行具有較好的準確性。

3)雖然盾構油液在線監測系統成功在盾構上使用，并達到了預期的目的，但要使系統能夠更好地為盾構狀態維護和故障診斷提供服務，還需在不同型號盾構和不同工況條件下使用。通過采集大量數據，并進行分析、總結，不斷完善盾構油液在線監測數據庫，更好地指導盾構狀態維護和故障診斷，提高遠程故障診斷的準確性。