TBM機(jī)械工作原理與故障監(jiān)測(cè)實(shí)用技術(shù)

摘 要：機(jī)械設(shè)備故障監(jiān)測(cè)技術(shù)是設(shè)備管理現(xiàn)代化的一種重要手段，對(duì)保證機(jī)械設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，發(fā)揮其最大的設(shè)計(jì)能力和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。以TBM大型機(jī)械設(shè)備為對(duì)象，詳實(shí)介紹了TBM的工作原理和故障監(jiān)測(cè)實(shí)用技術(shù)手段和方法，可為隧道施工中TBM的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：TBM掘進(jìn)機(jī)；工作原理；故障監(jiān)測(cè)；實(shí)用技術(shù)

TBM機(jī)械由液、電、集三個(gè)方面于一身，造成其使用具有流水、工廠等工作特點(diǎn)，其施工環(huán)節(jié)中的各施工工序前后相關(guān)，密切聯(lián)系。這樣其在使用過程，如果某一結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)問題，會(huì)影響整個(gè)機(jī)械的使用，甚至造成機(jī)械停機(jī)癱瘓，造成施工停工，影響工程進(jìn)度和效益，對(duì)施工企業(yè)造成很大的損失。因此，為保證TBM機(jī)械設(shè)備的可靠運(yùn)行，延長其使用壽命，對(duì)TBM機(jī)械設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)和工作原理進(jìn)行系統(tǒng)的掌握是十分必要的。

1 TBM機(jī)械工作原理

TBM機(jī)械工作時(shí)，在機(jī)械動(dòng)力帶動(dòng)作用下，推動(dòng)盤形滾刀擠壓工作面的巖體，該盤形滾刀放置在刀盤上，刀盤在外力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這樣盤形滾刀一邊隨著刀盤中心軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一邊繞自身軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，隨著刀盤上施加的越來越強(qiáng)大推力和扭矩的共同作用下，在固定的掌子的面同心圓切縫上，滾刀不停的滾動(dòng)，當(dāng)滾刀的推力大于同心圓上的巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，同心圓上的巖石就會(huì)被盤形滾刀不停的壓碎，隨后巖石被盤形滾刀壓入，如此作用下，開挖面的巖石不停的被盤形滾刀擠壓破碎裂，形成多個(gè)不同的同心圓開挖槽，如此往復(fù)，開挖巖石面的開挖槽的深度不斷加深，在開挖巖石表明產(chǎn)生越來越多和越來越深的表面裂紋，最終，使開挖面巖石收到的外力大于其拉伸和剪切強(qiáng)度，開挖區(qū)的巖石被削成薄片而脫離。TBM機(jī)械破碎巖體的工作原理見圖1。在開挖施工時(shí)，通過TBM的機(jī)械支撐系統(tǒng)，TBM機(jī)械的主機(jī)被牢固地安置于施工開挖隧洞的墻壁上，這樣主機(jī)就能夠承擔(dān)TBM機(jī)械的推力和刀盤扭矩的反力。TBM機(jī)械的推進(jìn)油缸支撐在主機(jī)支撐系統(tǒng)上，為刀盤提供推力，刀盤被不停的推動(dòng)，從而不斷的破碎破巖。開挖面脫離的巖石在洞的底部經(jīng)旋轉(zhuǎn)的刀盤被送入刀盤上的鏟斗，通過刮板被輸送到主機(jī)內(nèi)的皮帶機(jī)上，再經(jīng)過主機(jī)皮帶機(jī)，破損巖石被運(yùn)送到配套的皮帶機(jī)上，最后通過軌道列車將破碎巖石運(yùn)送到洞外。

圖1 TBM機(jī)械破碎巖體原理

當(dāng)采用單護(hù)盾在軟弱圍巖地層掘進(jìn)施工時(shí)，不再使用主推進(jìn)和支撐系統(tǒng)，通常把伸縮護(hù)盾設(shè)置在收縮的地方，刀盤掘進(jìn)時(shí)，其反扭矩由圍巖和盾殼之間的摩擦力供給，由管片作為輔助推進(jìn)油缸支撐，提供刀盤的推力，安裝管片不能與TBM的施工掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，在這種情況下，TBM施工作業(yè)循環(huán)是：開挖掘進(jìn)施工-回收輔助油缸-管片安裝-再開挖掘進(jìn)施工；當(dāng)圍巖好，穩(wěn)定性強(qiáng)時(shí)，TBM機(jī)械采用雙護(hù)盾掘進(jìn)施工方法，把撐靴緊撐在洞壁上以為主推進(jìn)油缸提供反力，推動(dòng)TBM機(jī)械前進(jìn)，反扭矩油缸安置支撐盾上，為TBM機(jī)械刀盤提供反扭矩，安裝管片與TBM的施工掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，在這種情況下，TBM機(jī)械施工作業(yè)循環(huán)是：管片安裝和施工開挖掘進(jìn)-收回?fù)窝Q步-再支撐-管片安裝和施工開挖掘進(jìn)。

2 故障監(jiān)測(cè)實(shí)用技術(shù)

TBM機(jī)械由多臺(tái)單獨(dú)設(shè)備綜合組，在施工狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，按照監(jiān)測(cè)對(duì)象對(duì)停機(jī)的影響程度和其在施工中的重要性兩個(gè)方面來控制監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)?？紤]到關(guān)鍵是TBM機(jī)械的推進(jìn)系統(tǒng)和主機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)，因此，PLC控制系統(tǒng)、主軸承、主機(jī)液壓系統(tǒng)、主變速箱和主電機(jī)是TBM機(jī)械監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)?？紤]到通風(fēng)和除塵直接影響施工作業(yè)環(huán)節(jié)和施工作業(yè)人員的身體健康，因此還應(yīng)將通風(fēng)除塵系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。此外，考慮到碎石都是通過后配套皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出洞外的，該設(shè)備如果出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致開挖掘進(jìn)的施工停工，所以，還應(yīng)將皮帶運(yùn)輸機(jī)作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。除次之外，牽引機(jī)車、混凝土輸送泵、仰拱吊機(jī)、噴射機(jī)械手、材料吊機(jī)、水泵電機(jī)、翻碴臺(tái)、空壓機(jī)、拖拉系統(tǒng)等其他設(shè)備在監(jiān)測(cè)時(shí)也應(yīng)該考慮。TBM機(jī)械目前是大型先進(jìn)的施工機(jī)械，其自帶有主電機(jī)電壓、各潤滑系統(tǒng)油位、流量、各液壓系統(tǒng)壓力、推進(jìn)油缸位移和壓力、刀盤扭矩、電流、溫度和轉(zhuǎn)速等在線監(jiān)測(cè)功能，操作主司機(jī)能夠由PLC控制反饋系統(tǒng)得到相關(guān)信息，但因?yàn)門BM機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜繁多、龐大，通過在線監(jiān)測(cè)只能對(duì)其設(shè)備的重點(diǎn)關(guān)鍵部件的部位參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，其他重要設(shè)備參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備只能靠專業(yè)檢測(cè)人員進(jìn)行離線監(jiān)測(cè)。

2.1 油液分析

對(duì)液壓系統(tǒng)、主軸承、潤滑系統(tǒng)、減速箱、主泵站等應(yīng)進(jìn)行油液分析檢測(cè)。由于如果油液取樣不當(dāng)會(huì)對(duì)分析造成誤導(dǎo)，合理的進(jìn)行油液取樣是進(jìn)行油液分析的前提和基礎(chǔ)。油液取樣可從油箱中取樣，取油時(shí)應(yīng)把取油管放入郵箱油位面下一半深的地方；但油液取樣最好是從回油油路中取樣。取油樣應(yīng)選取在熱機(jī)狀態(tài)，應(yīng)保證油樣清潔，已保證油中的微粒分布均勻，同時(shí)應(yīng)該保證TBM機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不少于半個(gè)小時(shí)。要求油樣運(yùn)動(dòng)粘度，水分含量不超過0.1%，NAS級(jí)別不超過NAS9，在40℃時(shí)的變化率應(yīng)不超過±10%，機(jī)械雜質(zhì)含量不超過0.1%。在進(jìn)行油樣的污染度檢測(cè)前，先查看應(yīng)濾膜上的污染顆粒分布是否均勻，如果不滿足均勻條件，則統(tǒng)計(jì)不能進(jìn)行，應(yīng)重做濾膜。對(duì)油樣進(jìn)行鐵譜分析，利用油樣中的磨粒尺寸大小、成分、表面顏色、形態(tài)特征等分析結(jié)果來判定機(jī)械設(shè)備的磨損程度、工作狀態(tài)、磨損類型，利用對(duì)磨粒來源的分析結(jié)果判定機(jī)械的磨損部位；按照油樣中各種元素發(fā)射或吸收光譜的差異，通過對(duì)油液進(jìn)行光譜分析來確定油液中磨粒的含量和成分，最后根據(jù)結(jié)果來確定相應(yīng)零件的磨損狀況，判斷對(duì)設(shè)備的故障情況。

2.2 紅外溫度檢測(cè)

反應(yīng)速度快、空間分辨率高、具有不接觸式測(cè)溫、測(cè)溫范圍大、靈敏度高等是紅外溫度檢測(cè)的特點(diǎn)。為早期檢出TBM機(jī)械設(shè)備狀態(tài)劣化傾向和熱異常，對(duì)TBM機(jī)械的定點(diǎn)部位進(jìn)行周期性的紅外溫度監(jiān)測(cè)。通過參考專家的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)TBM機(jī)械設(shè)備安裝工藝、維修和運(yùn)行狀況等各個(gè)情況的概括分析等，就可以逐步確診出TBM機(jī)械設(shè)備的故障程度、性質(zhì)和部位，最終實(shí)現(xiàn)TBM機(jī)械設(shè)備壽命和故障發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

2.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)TBM機(jī)械設(shè)備故障診斷和狀態(tài)評(píng)估，采用振動(dòng)測(cè)試儀記錄、分析和拾取動(dòng)態(tài)信號(hào)，對(duì)被檢測(cè)TBM機(jī)械設(shè)備的頻譜圖形和振動(dòng)能量測(cè)試進(jìn)行分析，得到TBM機(jī)械設(shè)備故障特征頻率，從而判定TBM機(jī)械設(shè)備故障產(chǎn)生的原因和部位。應(yīng)用分析軟件，進(jìn)行局部故障的分析判斷，是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械軸類及軸承系統(tǒng)方面的故障診斷最有效的方法，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械故障見表1。

3 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了TBM機(jī)械的工作原理和故障監(jiān)測(cè)實(shí)用技術(shù)手段和方法。TBM是多臺(tái)設(shè)備組成的綜合體，施工中要連續(xù)或定期地對(duì)TBM機(jī)械設(shè)備的故障進(jìn)行診斷監(jiān)測(cè)，按照故障診斷監(jiān)測(cè)結(jié)果，在TBM機(jī)械設(shè)備失效前診斷和檢測(cè)出所存在的故障，以減少備件維修和消耗工作量，防止因檢修而出現(xiàn)的人為故障，從而使維修費(fèi)用降低，以延長TBM機(jī)械設(shè)備的使用壽命，減少維修時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

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[2]韓亞麗.TBM狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[J].施工技術(shù)，2003（5）：31-33.

作者簡介：張翠娟（1981-），碩士，講師。