盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)應(yīng)用與故障分析

謝祖能

（廣州市市政集團有限公司，廣東 廣州 510010）

1 盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)

1.1 盾構(gòu)機簡介

我國雖然幅員遼闊、地大物博，但是面對如此龐大的人口數(shù)目仍舊為我國城市的交通帶來了很大的壓力。尤其是在一、二線城市，人口數(shù)目非常眾多，城市交通狀況不容樂觀。隨著私家車數(shù)量的不斷攀升，現(xiàn)各大城市早晚高峰期時段道路極其擁堵，給人們的日常出行、上下班帶來了極大的不便。為了滿足經(jīng)濟發(fā)展需要，我國持續(xù)推進對地下隧道工程的發(fā)展和施工技術(shù)的不斷創(chuàng)新。我國對盾構(gòu)機的研究起步時間相對較晚，受限于當時的社會環(huán)境和經(jīng)濟狀況，我國盾構(gòu)技術(shù)的研發(fā)遲遲未能取得決定性的成果。我國的隧道工程也因此發(fā)展緩慢，施工過程面臨重重困難。這種情況一直持續(xù)到20 世紀90 年代，隨著地鐵交通的發(fā)展進一步促進了盾構(gòu)技術(shù)的研發(fā)。通過盾構(gòu)機的使用，可以保證隧道地下開挖技術(shù)的穩(wěn)定及安全性，滿足現(xiàn)代工程項目施工的安全和進度需求。但是在盾構(gòu)機實際運行中，其電氣系統(tǒng)受到施工環(huán)境惡劣、用電量設(shè)備多的影響，在施工作業(yè)中容易發(fā)生電氣故障，無法滿足系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

因此，在盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)運行的過程中，機電設(shè)備管理部門應(yīng)結(jié)合盾構(gòu)機的特點，進行電氣系統(tǒng)的構(gòu)造分析和狀態(tài)檢查，及時發(fā)現(xiàn)電氣系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，并針對故障問題構(gòu)建解決措施。

1.2 盾構(gòu)機系統(tǒng)的組成

經(jīng)過我國科研人員的不斷努力和技術(shù)攻堅才有了今天集機電技術(shù)、液壓技術(shù)、自動控制等多領(lǐng)域技術(shù)為一體的盾構(gòu)機，成為能夠完成對地下土層進行開挖、切削、輸送支護等多項隧道掘進作業(yè)的綜合性機械設(shè)備。自此我國的隧道掘進技術(shù)踏入了新的領(lǐng)域[1]。盾構(gòu)機大致可分為機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)三個系統(tǒng)組成部分。其中機械系統(tǒng)是盾構(gòu)機的整體框架，主要包括刀盤、盾體、連接橋、臺車等部件；而液壓系統(tǒng)通常指泵站、油缸、馬達、管路等，主要負責為盾構(gòu)機的運行提供動力并進行傳動；最后就是電氣系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)可分為高壓供電系統(tǒng)，低壓配電系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，機械液壓控制系統(tǒng)。每個系統(tǒng)又可按功能部件進行細分，可以說盾構(gòu)機的電氣系統(tǒng)組成是尤為復雜的[2]。保障電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠對于盾構(gòu)機的整體運轉(zhuǎn)起著至關(guān)重要的作用。

1.3 盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)調(diào)試思路

調(diào)試要求的標準來自設(shè)計的主要參數(shù)，主要設(shè)計參數(shù)有參數(shù)規(guī)格說明書、液壓原理圖、電氣原理圖、部件結(jié)構(gòu)圖等。

1.3.1 高壓送電，分級合閘

在盾構(gòu)機完成整體的組裝之后，對盾構(gòu)機的后配套拖車以及燈線控制線展開檢查合格后，可以給后配套拖車以及盾構(gòu)機的盾體照明燈送電。對盾構(gòu)機中的后配套拖車變壓器接口進行灰塵清理及控制線路檢查，對油位以及油溫進行確定，檢查線圈的連接質(zhì)量，并對變壓器進行耐壓實驗，確定耐壓試驗合格與高壓相序正常的情況下，可以將高壓的開關(guān)打開，為后配套拖車配電箱進行送電。對急停按鈕進行手動復位，然后用萬用表對開關(guān)下級的線路以及接地現(xiàn)象展開逐項檢查，確定無誤后可以進行逐個合閘操作。

1.3.2 參數(shù)設(shè)置

主要是對電力參數(shù)儀表展開參數(shù)的設(shè)定，設(shè)置補償器的參數(shù)以及斷路器的參數(shù)等，這些是盾構(gòu)機動力系統(tǒng)的各類參數(shù)，要根據(jù)圖紙要求進行設(shè)置。在進行通電之后，可以保證各方面參數(shù)正常。

1.3.3 上載PLC 程序

通常盾構(gòu)機都是PLC 控制的，主機系統(tǒng)運用的是主站和遠程智能模塊，主控系統(tǒng)是可編程控制系統(tǒng)。

1.3.4 打通PLC 通訊回路

對通訊回路展開檢查，其中確定線路正常，然后將通訊地址依據(jù)圖紙上的要求，進行合理布置，最后給所有的模塊送電。

1.3.5 消除警報點

在這個調(diào)試過程中，消除警報點是盾構(gòu)機調(diào)試的難點，結(jié)合盾構(gòu)機觸摸屏報警的詳細信息，可以詳細了解報告盾構(gòu)機上的故障代碼，然后查找設(shè)計圖紙上，可以確定故障所在的位置，便于進行警報點故障的排除。

1.3.6 安裝導向系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序

對數(shù)據(jù)的采集進行控制，從而進一步開展數(shù)據(jù)的具體分析，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，要進行反復的程序操作，在數(shù)據(jù)采集的計算機上，進行數(shù)據(jù)綜合的整備，而且采集系統(tǒng)的安裝就需要專業(yè)的人員進行安裝，在導向系統(tǒng)的安裝中，是專業(yè)廠家負責安裝以及調(diào)試的工作。

1.3.7 檢驗系統(tǒng)功能

對各個系統(tǒng)展開逐項試驗動作，檢查確認其功能正常，確定系統(tǒng)所有功能可以正常發(fā)揮。

2 盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)故障及排除方法

通常狀況下要求在盾構(gòu)電氣系統(tǒng)故障檢查排除故障過程中，按照先簡單后復雜、先外表后里內(nèi)的技術(shù)原則進行。經(jīng)過多次實踐試驗與理論統(tǒng)計，在盾構(gòu)機的實際操作運行流程中，PLC 運行控制程序性能相對單片機來說較為靈活穩(wěn)定，出現(xiàn)故障的概率問題較少[3]。

2.1 連接線路故障及排查方法

盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)各組件之間的連接非常復雜，線路、管路眾多，主要有供電供能和數(shù)據(jù)通信控制的作用。如果是在線路的連接環(huán)節(jié)中存在接觸不良或是斷路，那必然就會導致盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)的信息通訊作用中斷、指令無法傳達，不能及時進行數(shù)據(jù)傳輸和收集工作，設(shè)備運行部分功能面臨崩潰[4]。針對盾構(gòu)機線路兩端連接的情況復雜、線路距離較長等難點，需要組織相關(guān)技術(shù)人員先要將電線上的線路一端進行短聯(lián)接，之后需要對其另外一端進行的數(shù)據(jù)及通斷時間進行測量，如果檢測后結(jié)果顯示為通，意味著此條盾構(gòu)線路正常，能夠完成信息傳輸功能。反之如果線路經(jīng)現(xiàn)場測量時顯示出電阻阻值已經(jīng)很高，通常可能意味著在線路中某處電路出現(xiàn)的了某種斷路或者故障，需要技術(shù)人員進一步對此進行詳細排查并確保及時地將故障線路再重新搭接好，再進行重復測量確保線路的連接無誤。

2.2 元器件故障及排查方法

元器件指的是繼電器、接觸器等類型的功能組件。當這兩類機械器件本身發(fā)生機械故障時或是器件被機械損壞時，電氣系統(tǒng)就將出現(xiàn)無法正常地啟動控制電機動作或中斷輸出電流電壓信號。可以先通過肉眼觀察電磁線圈上的電壓繼電器線圈工作運行的狀態(tài)標志，據(jù)此進行試驗判斷當系統(tǒng)完全運行失電之后繼電器線圈是否能夠復位。嘗試著在線圈繞組上施加一次額定電壓，觀察觸點間隙是否保持接通狀態(tài)良好，繼電器繞組能否被正常電壓吸合，取消和加開電位時常閉的觸點的接通狀況是否恢復良好，常時開的觸點間隙是否已斷開。如果發(fā)現(xiàn)是由傳感器元件以及電磁閥系統(tǒng)等主要元器件電壓異常，從而導致該設(shè)備長期的穩(wěn)定運行中出現(xiàn)這樣的設(shè)備故障時往往都不易立即發(fā)現(xiàn)，因為元器件的電流較小，所以給排查工作帶來了一定的困難[5]。如果遇到上述這種特殊情況時，最好先采用故障排除法檢測的接線方式后進行現(xiàn)場檢修。

2.3 參數(shù)及程序的故障排查

上文提到過在盾構(gòu)機的電氣系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)中，PLC控制程序相對發(fā)生故障的概率較小。因此在排查完其他系統(tǒng)部件的故障可能性后再展開對PLC 的硬件及程序參數(shù)的檢查工作。比如在針對海瑞克S1152 土壓盾構(gòu)機的故障排查工作中，發(fā)現(xiàn)此臺設(shè)備的螺旋輸送機最高轉(zhuǎn)速遠比所設(shè)置的參數(shù)要低。經(jīng)過排查后發(fā)現(xiàn)并不是傳輸線路的連接問題，各個元器件功能也正常，并且也未發(fā)現(xiàn)有動力系統(tǒng)方面的異常。最后技術(shù)人員在現(xiàn)場對PLC 智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行故障排查分析工作時，經(jīng)過現(xiàn)場檢測后發(fā)現(xiàn)螺旋輸送機放大版參數(shù)已發(fā)生明顯異常。PLC 系統(tǒng)的輸入與輸出的輸出信號都準確無誤，發(fā)現(xiàn)問題是放大版參數(shù)的最大輸出信號電流值過小。經(jīng)過系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整校正，后螺旋輸送機在最高的轉(zhuǎn)速范圍遠便能夠穩(wěn)定達到所設(shè)定參數(shù)標準，解決了盾構(gòu)機運行中出現(xiàn)故障的難點。

2.4 黃油泵故障排查

正常來說，黃油泵供油給多點泵油脂桶，當油脂桶內(nèi)油脂到達高液位時，液位傳感器發(fā)出信號，系統(tǒng)控制電磁閥關(guān)閉，黃油泵停止供油。如果液位傳感器故障時，會出現(xiàn)不能發(fā)出“油脂桶滿”的信號，導致油脂泵持續(xù)供油溢出無壓力，多點泵不能打油潤滑，所以應(yīng)該更換液位傳感器。當多點泵上的油脂桶低液位時，黃油泵開始泵送油脂，黃油泵出口壓力逐漸升高，動作越來越慢，直至黃油泵停止工作，供油處于停止狀態(tài)。打開黃油泵處的手動球閥泄壓后關(guān)閉，油脂泵的壓力上升到一定程度后再次停止工作，應(yīng)檢查發(fā)現(xiàn)多點泵入口處的電磁閥處是否處于正常打開狀態(tài)，然后判斷故障原因，是因為供油管路還是元件堵塞，一般情況下多點泵入口的電磁閥和過濾器容易發(fā)生堵塞。拆下過濾器發(fā)現(xiàn)兩層銅濾網(wǎng)堵塞嚴重，濾油孔被糊實，清洗后重新安裝，系統(tǒng)正常供油。

2.5 電機不能啟動

當變頻器處于啟動的狀態(tài)，卻缺少速度指令，所以電機不能啟動，這正是控制面板在與變頻器CPU 進行傳輸時將速度信號丟失。工作人員隨之應(yīng)將控制面板打開，對其信號接收部分進行檢查，看到已被損壞的電子元件，馬上更換，使信息可以正常傳輸。通過工作的總結(jié)，認識到故障的排除需結(jié)合設(shè)備的圖紙，對多種因素做到逐一地排除，了解程序工作流程，才能使故障的范圍縮小，準確地找到問題的關(guān)鍵，直搗“病灶”。

2.6 刀盤電機紅燈常亮故障

刀盤電機出現(xiàn)故障時，盾構(gòu)機上的故障燈會突然閃起紅燈，又或者是處于常亮的狀態(tài)，同時啟動電機不能工作。若出現(xiàn)故障燈常亮時，多數(shù)故障是因斷路或者開關(guān)沒有正確閉合，也存在電機突然過流故障而導致電機自動跳閘的概率；若電機故障燈一直閃爍，則一般是由于電機溫度上升過高。工作人員根據(jù)實際情況做到排查，在紅燈常亮時先檢查斷路的開關(guān)，如若在過流的狀態(tài)下跳閘，應(yīng)對過流保護值進行檢查，是否存在短路接地現(xiàn)象，如果是當設(shè)置值較小時，將電流保護值適度調(diào)高，繼而對動力回路的短路現(xiàn)象進行排查。若紅燈常亮且斷路器開關(guān)未閉合，那么只需將其合上，即可使電機工作正常。

3 盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)的保養(yǎng)措施

為確保盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，減少因故障而導致工期貽誤的情況，需要根據(jù)工作強度和運行頻率來對電氣系統(tǒng)進行維護保養(yǎng)工作，尤其是在進行復雜工況的高強度掘進作業(yè)后，要重視對機械液壓部件的維護。這對于進行維護作業(yè)的技術(shù)人員來說，其專業(yè)知識水平和操作技能水平有一定的要求。需要加強對相關(guān)知識的培訓以及維護經(jīng)驗的積累，確保技術(shù)人員能夠勝任對控制柜的冷卻系統(tǒng)、流量計、傳感器、易損壞器件、控制面板、充電器等設(shè)備的日常檢查工作。在進行維護及保養(yǎng)檢查的工作過程，能夠?qū)赡馨l(fā)現(xiàn)的問題和故障同時做出最準確有效的綜合判斷，并始終按照一定標準的故障邏輯順序逐個進行維修檢查，從而保障盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)安全、高效、穩(wěn)定地運行。

4 結(jié)語

盾構(gòu)機的使用中，工作人員要對常見的故障做好較為全面的記錄，探究出現(xiàn)問題的根源并做好科學的歸納，繼而從中進行切實有效的總結(jié)，結(jié)合實際情況去尋找解決的辦法，使工程施工能夠順利地進行，保證施工的總體進度。工作人員要對出現(xiàn)故障的元件進行細致的記錄，維修時加以參考，少走彎路，直搗故障的關(guān)鍵點，在有據(jù)可查的前提下快速將故障排除，使排查時間縮短，維修的效率提升，提升專業(yè)性。除此之外，盾構(gòu)電氣系統(tǒng)由相關(guān)的人員還要進行定期維護，通過有針對性的保養(yǎng)使之處于較好的工作狀態(tài)，延長設(shè)備運轉(zhuǎn)的時間，保障工期，設(shè)備的故障率隨之下降，使工程質(zhì)量得到提升。