盾構（TBM）遠程診斷與維護關鍵技術

 

盾構機作為城市軌道交通、水利工程、公路鐵路等領域隧道施工的關鍵設備，在我國城市建設中發揮著重要作用。已在上海、廣州、北京、南京、成都、南寧、西安等全國45個城市進行地鐵施工，共有401條線路，5933座地鐵站。未來必將迎來地下工程建設的高潮，將會在更多的城市規劃建設地鐵，地鐵建設數量會逐年穩步增長，盾構機作為隧道掘進設備也將會隨著地下空間的大開發而大面積推廣使用。

 

盾構機是集光、機、電、液、傳感、信息技術與一體的超大型、復雜設備，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌和測量導向糾偏等功能，涉及地質、土木、機械、力學、液壓、電氣、控制以及測量等多門學科技術。目前國內盾構機保有量近1600臺，單臺價值從幾千萬到幾個億，總價值在600億，其中90%的盾構機都參與到城市地鐵的建設當中，其余10%用于建設高鐵、高速公路的穿山隧道建設中。每年用于設備維護、大修、保養及工程消耗上的費用估算在100億。

 

 

鑒于盾構機的高成本、體積大、高復雜，且施工工藝復雜、作業空間狹小，只能前進不能后退等特點，盾構制造企業、施工企業及地鐵業主單位對盾構設備健康及安全生產都比較重視。首先，對盾構/TBM設備的故障診斷與健康管理要求較高，盾構機一旦在日常挖掘中遇到液壓和電氣控制方面的故障，會給設備的維修帶來巨大困難，將給施工單位及業主單位帶來巨大的經濟損失，甚者造成人員的重大傷亡。因此，無論是盾構機制造廠家，還是盾構機的使用單位都對盾構機的可靠性特別關注，對故障診斷維護及健康管理尤為看重，尤其是對盾構機正常掘進起到致命性影響的主軸承及減速機等關鍵部件的故障診斷及健康管理。

 

針對盾構/TBM故障難診斷、難預測的難點，利用聲發射、電流、弱信號處理和變速變載技術等新技術的發展，采用基于聲發射的主軸承監測技術、基于電機電流的盾構減速機監測技術、基于物聯網的設備移動維保支持技術等新的技術手段。可實現對機械設備傳動鏈及軸承等關鍵部件的監測，識別故障的性質、程度、類別、部位、原因等，并能說明故障發展的趨勢及影響，做出預報使故障難以預測。利用大數據可視化的優勢，可以將多種盾構信息集成表現為特征圖形，從而實現系統級的關聯特征提取，并可進一步進行特定數據的深入分析，實現從整體上到局部的交互分析，提升設備運行監測的敏感性和故障診斷的關聯性，實現基于海量數據的可視化診斷，為盾構/TBM的遠程診斷維護提供了新的技術思路。

 

1基于聲發射的盾構主軸承檢測技術

 

盾構主軸承工作在典型的低速重載狀態下，傳統振動監測難以實現有效監測。而盾構軸承在運行中表面間摩擦、材料受壓作用后內部晶格的錯動或裂隙的閉合、擴展以及貫通，伴隨部分能量以彈性波的形式釋放出來，這種現象稱為聲發射。而聲發射信號頻率范圍廣、不受機械振動和環境噪聲干擾、信噪比高、能反映早期微小故障，尤其適用于盾構主軸承的低速重載監測診斷。

 

盾構主驅動軸承是盾構掘進機中的核心部件之一，由內圈（止推圈）、外圏、軸內圈（定位圈）和三排圓柱滾子組成，屬特種軸承。針對盾構主軸承結構較復雜，尺寸較大，滾動體數目多等相關問題，主要研究信號采集和信號處理兩方面的技術。其核心技術為：

 

盾構主軸承監測的聲發射測點位置選擇與優化技術

聲發射模擬信號的低頻包絡動態獲取獲取技術

基于先進信號處理的盾構主軸承變速變載故障特征提取技術

基于盾構典型故障實驗的典型故障數據庫構建

 

 

2基于電機電流的盾構減速機監測技術

 

盾構的刀盤傳動系統由電機提供動力源，電機輸出軸依次經過減速器和齒輪的減速，驅動刀盤轉動。在此傳動系統中，減速機是直接影響盾構的掘進狀態的關鍵部件。由于盾構減速機通常都是定制，出現故障后難以在短期內維修和更換，會極大的影響施工進度。因此對于盾構減速機的監測是勢在必行的。

 

電機電流分析法（MCSA）是一種基于驅動電機定子電流信號的傳動系統故障診斷的方法，目前在諸如機床等重大裝備故障診斷中已有實際應用。使用電機電流分析法對盾構減速機進行監測診斷，相比于其他監測診斷方法，具有如下優勢：電流傳感器便于安裝，電流信號的采集過程安全，獲取的電流信號特征明顯且很少受到傳遞路徑的影響。基于電機電流信號的盾構減速機監測系統示意圖如下圖所示。其核心技術包括：

 

盾構傳動系統仿真模型建立及減速機特征頻率計算

基于小波解調和頻譜細化的電流信號邊頻帶特征提取技術

基于SVD分解重構的微弱調制頻率提取技術

非平穩電流信號特征提取與識別技術

 

 

3基于物聯網的設備移動維保支持技術

 

基于物聯網的設備移動維保支持技術利用物聯網信息通信技術，以人為主導，對維保管理過程的各種信息、資源和數據進行采集、儲存、傳輸、推送、交互和預測，將傳統維保管理轉變為數據化形態，基于移動互聯網實現人與系統實時互動，實現信息和數據的共享，幫助用戶簡化和優化維保執行過程。

 

利用物聯網近場通訊技術，通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術采集設備維保信息，利用大數據分析技術對設備的趨勢性風險做出預測，提醒維保人員對設備進行有針對性的預防性保養，降低設備出現問題的風險。設備物聯網技術還能及時監督維保現場，設備維修是否按部就班，安全規程是否一一落實，提升設備的維護保養質量。基于物聯網的設備移動維保支持技術示意圖如下圖所示。其核心技術包括：

 

盾構關鍵部件維護保養流程、方法、技術等研究

基于NFC的物聯網近場通訊技術

基于Webservice的移動端App與PC服務端數據分發服務技術

設備全生命周期健康分析與故障預測技術

 

 

基于聲發射的盾構機主軸承故障預示及潤滑狀態監測技術：采用聲發射技術實現低速重載的盾構主軸承狀態監測，不僅可辨識軸承故障，并可實現潤滑狀態在線監測，為潤滑油量控制提供支持。

 

基于電機電流的盾構減速箱故障辨識與分離技術：盾構減速箱為行星齒輪系統結構，故障檢測難度大。采用電機電流分析方法，實現減速箱的高信噪比、高集成度監測，減少傳感器安裝難度，提升了在線故障辨識能力。

 

基于物聯網的盾構移動維保快速信息支持技術：針對盾構系統復雜、維保缺乏信息支持的問題，采用移動互聯網技術，提供快速的維護信息支持，提供維修支持能力，也可降低維保操作的技術難度。