盾構(gòu)主軸承齒輪箱應(yīng)用參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性研究

楊其明, 康寶生, 易新乾

(1. 北京天捷優(yōu)越科技有限公司, 北京 100088; 2. 中鐵隧道集團(tuán)有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471009;3. 石家莊鐵道大學(xué), 河北 石家莊 050043)

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盾構(gòu)主軸承齒輪箱應(yīng)用參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性研究

楊其明1, 康寶生2, 易新乾3

(1. 北京天捷優(yōu)越科技有限公司, 北京 100088; 2. 中鐵隧道集團(tuán)有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471009;3. 石家莊鐵道大學(xué), 河北 石家莊 050043)

以刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和主驅(qū)動(dòng)電流為3個(gè)變量，通過(guò)理論推導(dǎo)，定義參量“能量輸出效率E”，對(duì)盾構(gòu)主軸承齒輪箱的能量傳遞效率進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。其可行性在延長(zhǎng)盾構(gòu)/TBM使用壽命相關(guān)研究實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。對(duì)主軸承齒輪箱等盾構(gòu)部件工作狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，“E”參量具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。

盾構(gòu)/TBM； 主軸承齒輪箱； 狀態(tài)監(jiān)測(cè)； 參數(shù)監(jiān)測(cè)； 能量輸出效率E

0 引言

為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)運(yùn)行的安全、長(zhǎng)效，中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)將《應(yīng)用減摩修復(fù)技術(shù)延長(zhǎng)盾構(gòu)使用壽命研究》列入科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃。此研究通過(guò)在掘進(jìn)施工中對(duì)盾構(gòu)主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機(jī)齒輪箱應(yīng)用減摩修復(fù)技術(shù)達(dá)到延長(zhǎng)盾構(gòu)使用壽命的目標(biāo)[1]。為了評(píng)價(jià)所采用摩安減摩修復(fù)技術(shù)的安全性和有效性，作為試驗(yàn)方案的一部分，在研究中運(yùn)用了參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)。參數(shù)監(jiān)測(cè)是與振動(dòng)監(jiān)測(cè)、油液監(jiān)測(cè)相并列的3大現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)之一[2-3]。盾構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，為使各功能部件在封閉、惡劣、高負(fù)荷、強(qiáng)沖擊的環(huán)境下安全高效地運(yùn)行，采用多種機(jī)電傳感器，實(shí)時(shí)采集、記錄如電流、電壓、轉(zhuǎn)速、壓力等常規(guī)機(jī)電數(shù)據(jù)，并預(yù)設(shè)閾值報(bào)警。這些數(shù)據(jù)包含著大量的信息，為基于單一數(shù)據(jù)變量的大樣本經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析提供了條件。然而，這些原生單項(xiàng)數(shù)據(jù)雖能用來(lái)比對(duì)、監(jiān)視其是否處于設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的安全范圍之內(nèi)，但很難對(duì)各功能部件乃至整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)和效能做出綜合評(píng)價(jià)。主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機(jī)齒輪箱均屬于齒輪系摩擦副，其功能是在變換工作轉(zhuǎn)速的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。利用各類(lèi)單項(xiàng)機(jī)電數(shù)據(jù)，推演、定義科學(xué)的工程參量，以監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)齒輪系能量傳遞的效能，是在上述項(xiàng)目研究中對(duì)減磨修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵課題，需要在理論基礎(chǔ)和分析方法上進(jìn)行創(chuàng)新。

據(jù)此，在采集多項(xiàng)工作參數(shù)數(shù)據(jù)大樣本和綜合分析其相關(guān)性的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程力學(xué)基本理論，提出“能量輸出效率E”并對(duì)其進(jìn)行了定義和參量推導(dǎo)。該研究在上述項(xiàng)目實(shí)踐中首用成功，同時(shí)也驗(yàn)證了將基于工作參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)/TBM的可行性。

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采自在長(zhǎng)株潭城際鐵路綜合 Ⅰ 標(biāo)五工區(qū)施工的2臺(tái)海瑞克盾構(gòu)(S657(試驗(yàn))、S658(對(duì)比))的主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機(jī)齒輪箱，各取12項(xiàng)。其中，直接反映主軸承齒輪箱工作性能和故障情況的有10項(xiàng)： 1)刀盤(pán)扭矩； 2)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速； 3)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流； 4)齒輪油溫度； 5)刀盤(pán)扭矩報(bào)警； 6)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流報(bào)警； 7)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩限制器脫扣； 8)主驅(qū)動(dòng)齒輪油溫報(bào)警； 9)齒輪油過(guò)濾2； 10)OPV 1-3。

與主軸承齒輪箱動(dòng)力傳遞性能和摩擦能量損失直接相關(guān)并需常態(tài)監(jiān)測(cè)的主要是前4項(xiàng)數(shù)據(jù)，即刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流和齒輪油溫度。

2 單項(xiàng)機(jī)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)以上4項(xiàng)工作參數(shù)在2個(gè)月內(nèi)各626個(gè)數(shù)據(jù)利用常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，得到各自的變化曲線以及平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)學(xué)參量[4]。圖1—3示出S657盾構(gòu)(試驗(yàn)機(jī))的機(jī)電參數(shù)數(shù)據(jù)和曲線圖，另一臺(tái)對(duì)比機(jī)的數(shù)據(jù)圖省略。

圖1 刀盤(pán)扭矩?cái)?shù)據(jù)變化曲線(S657)

在試驗(yàn)盾構(gòu)自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)報(bào)告中，以額定電流(460 A)為1、所測(cè)實(shí)際電流與額定電流百分比作為驅(qū)動(dòng)電流的計(jì)量方式，本文保留原始表達(dá)方式，下同。

圖3 主驅(qū)動(dòng)電流數(shù)據(jù)變化曲線(S657)

Fig. 3 Electric current variation curve of main driving (S657)

2臺(tái)盾構(gòu)主軸承齒輪箱機(jī)電參數(shù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，將刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流3個(gè)單項(xiàng)機(jī)電參數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行單項(xiàng)比對(duì)，很難對(duì)2盾構(gòu)主軸承齒輪箱的工作狀態(tài)做出區(qū)分和判斷。這是由于與其他穩(wěn)定工況下運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備存在本質(zhì)不同，盾構(gòu)工作環(huán)境和載荷多變，這3個(gè)機(jī)電數(shù)據(jù)各自變化較大卻又彼此高度相關(guān)。單項(xiàng)數(shù)據(jù)比對(duì)只能用來(lái)判斷其是否超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這從安全監(jiān)視角度講是十分必要的，但均無(wú)法用來(lái)定量表征和綜合判斷主軸承齒輪箱在能量傳遞方面的工作狀態(tài)。

表1 2臺(tái)盾構(gòu)主軸承齒輪箱機(jī)電數(shù)據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 能量輸出效率E

3.1 參量定義與理論推導(dǎo)

針對(duì)此項(xiàng)研究的特定對(duì)象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和課題目標(biāo)，提出“能量輸出效率E”(暫以英文單詞efficiency首字母“E”命名)的概念，作為監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)主軸承齒輪箱工作狀態(tài)的綜合參量。

齒輪箱是以變換轉(zhuǎn)速為目的的能量傳遞摩擦副。盾構(gòu)主軸承齒輪箱的源頭能量輸入形式為電能，能量輸出形式為機(jī)械能。在電能驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)齒輪箱的能量傳遞和轉(zhuǎn)速變換，刀盤(pán)以一定扭矩和轉(zhuǎn)速切割土石方，消耗機(jī)械能從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)。在齒輪箱能量傳遞過(guò)程中，自身的機(jī)械摩擦消耗了一部分輸入的驅(qū)動(dòng)能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少了輸出能量。齒輪箱工作狀態(tài)越好，其能量消耗越少，能量傳輸效率越高。輸出功率P1與輸入功率P2之比可作為表征齒輪箱工作狀態(tài)的參量，即定義能量傳輸效率E=P1/P2。

根據(jù)物理學(xué)原理，剛性體(如主刀盤(pán))做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其輸出機(jī)械功率

P1=T·ω[5]。

式中：T為扭矩，N·m；ω為角速度，rad/s。

由此可得，主刀盤(pán)輸出功率

P1=T·ω=T·2π·r/t=2π·60·T·r/min=

120π·T·r/min。

式中：r為轉(zhuǎn)數(shù)，量綱為一；t為時(shí)間，s。

作為齒輪系的能量輸入端，輸入電功率

P2=I·V。

式中：I為驅(qū)動(dòng)電流，A；V為輸入電壓，V。

則能量傳輸效率

為求解使用“能量傳輸效率E”，受現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的限制和出于平行試驗(yàn)的特定應(yīng)用考慮，能量傳輸效率公式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，但條件是：

1)通過(guò)盾構(gòu)操作系統(tǒng)，所能采集到的輸出端實(shí)時(shí)參數(shù)，是以MN·m為單位的扭矩和以r/min為單位的轉(zhuǎn)速。經(jīng)以上推導(dǎo)可知，在這些工程單位與標(biāo)準(zhǔn)單位的換算過(guò)程中雖出現(xiàn)了常數(shù)項(xiàng)120π，但量綱沒(méi)變。故為使用方便，直接采用主刀盤(pán)扭矩T(MN·m)與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速(r/min)之積表征輸出功率P1，省略常數(shù)項(xiàng)120π。

2)由于所試驗(yàn)的盾構(gòu)操作系統(tǒng)沒(méi)有采集加載在主刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上輸入電壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，故在假定各臺(tái)盾構(gòu)輸入電壓基本相同并穩(wěn)恒(排除出現(xiàn)較大波動(dòng)的異常情況)即V為常數(shù)的常態(tài)條件下，由電流I獨(dú)立表征輸入功率P2。

3)盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)電流讀取數(shù)據(jù)時(shí)保留了設(shè)備操作系統(tǒng)自動(dòng)生成的相對(duì)電流計(jì)量數(shù)據(jù)，計(jì)量單位為%，而不是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位A。將其作為同一型號(hào)盾構(gòu)的非標(biāo)工程單位，予以直接使用，不再換算為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位。

在以上邊界條件基本成立時(shí)，“能量傳輸效率E”可簡(jiǎn)化為可直接應(yīng)用的“E*”，

在以上特定條件下定義的“E*”可以解釋為“單位驅(qū)動(dòng)電流所產(chǎn)生的機(jī)械能輸出功率”。理論上，如E*值越大，則表明每單位驅(qū)動(dòng)電流可輸出更高能量，驅(qū)動(dòng)和變速系統(tǒng)的工作狀態(tài)更佳；反之，則能量損耗大，輸出效率低，系統(tǒng)工作狀態(tài)欠佳。

3.2 概念與定義的應(yīng)用

引入E的概念和E*定義后，對(duì)表1進(jìn)行補(bǔ)充，得到表2。

表2 2臺(tái)盾構(gòu)主軸承齒輪箱的E*值

由表中E*值的計(jì)算結(jié)果，不但可以定性地得出試驗(yàn)盾構(gòu)S657主軸承齒輪箱的工作狀態(tài)要優(yōu)于對(duì)比盾構(gòu)S658，而且可以進(jìn)一步定量地計(jì)算出能量輸出提高的比例并說(shuō)明性能優(yōu)化的程度。該試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)減磨技術(shù)降低因齒輪摩擦產(chǎn)生的能量損失，能夠有效提高能量傳遞的效率。

4 主軸承齒輪箱潤(rùn)滑油溫度監(jiān)測(cè)

潤(rùn)滑油溫度也是潤(rùn)滑機(jī)械參數(shù)監(jiān)測(cè)的重要選項(xiàng)之一[3]。圖4和圖5分別示出S657盾構(gòu)(試驗(yàn))和S658盾構(gòu)(對(duì)比)在試驗(yàn)同期的齒輪油溫度變化曲線。

圖4 S657盾構(gòu)(試驗(yàn))齒輪油溫度變化曲線

Fig. 4 Temperature variation curve of grease oil of shield S657 (tested)

圖5 S658盾構(gòu)(對(duì)比)齒輪油溫度變化曲線

Fig. 5 Temperature variation curve of grease oil of shield S658 (compared)

統(tǒng)計(jì)分析及評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 主軸承齒輪箱潤(rùn)滑油溫度對(duì)比

Table 3 Comparison between shield S657 and shield S658 in terms of lubricating grease temperature of main bearing gearboxe

盾構(gòu)平均溫度/℃溫度標(biāo)準(zhǔn)差/℃平均溫度差值/℃平均溫度相差比例/%S657(試驗(yàn))36.544.33-1.92-5.0S658(對(duì)比)38.464.2100

2齒輪箱潤(rùn)滑油溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差值幾乎相等，說(shuō)明數(shù)據(jù)離散程度相同，在此基礎(chǔ)上對(duì)平均溫度進(jìn)行單項(xiàng)對(duì)比則基本可行。試驗(yàn)機(jī)平均油溫低于對(duì)比機(jī)近2 ℃，二者相差5%，表明在實(shí)施減磨技術(shù)后，減少了因齒輪摩擦而產(chǎn)生的熱能損失。潤(rùn)滑油溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與能量輸出效率E值提高的結(jié)論相吻合。

5 結(jié)論與討論

1)以刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和主驅(qū)動(dòng)電流為3個(gè)變量,從理論上提出、定義并推導(dǎo)了“能量輸出效率E”參量，以對(duì)盾構(gòu)主軸承齒輪箱能量傳遞效率做出定量評(píng)價(jià)。其有效性和實(shí)用性在延長(zhǎng)盾構(gòu)/TBM使用壽命的相關(guān)研究實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

2)“能量輸出效率E”的提出和試用為在大型機(jī)械裝備(如盾構(gòu)/TBM等)上應(yīng)用工作參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。在今后盾構(gòu)/TBM的設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)用過(guò)程中，“能量輸出效率E”有著潛在的應(yīng)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)前景。

3)受當(dāng)前工作參數(shù)數(shù)據(jù)采集覆蓋面的限制，“能量輸出效率E”定義變量尚存在不充分性。例如，由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸入電壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集而在能量輸入端由電流獨(dú)立表征輸入功率，這必然會(huì)給應(yīng)用結(jié)果的可信度帶來(lái)影響。今后應(yīng)在此基礎(chǔ)上及時(shí)跟蹤設(shè)備的技術(shù)升級(jí)，予以補(bǔ)充和完善。

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KANG Baosheng, CHEN Yide, CHEN Kui. Study of prolonging service life of TBMs by using friction-reducing and self-repairing technology[J].Tunnel Construction, 2015， 35(9)： 861-866.

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Study of Feasibility of Applying Parameter Monitoring to Main Bearing Gearbox of Shield

YANG Qiming1, KANG Baosheng2, YI Xinqian3

(1.BeijingTechjetScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100088,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China;3.ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

In order to evaluate the energy transmit efficiency of main bearing gearbox of shield/TBM quantitatively, a reference valueE(efficiency of energy output) is calculated and defined theoretically based on 3 variables, i.e., torque, rotational speed and driving current of the cutting wheel. Its feasibility has been verified in the research practice about prolonging the service life of shield/TBM. The parameter monitoring is carried out on working condition of shield/TBM components such as main bearing gearbox. TheEparameter is worth developing and popularizing.

shield/TBM; gearbox of main bearing; condition monitoring; parameter monitoring; energy output efficiencyE

2017-02-20;

2017-04-01

楊其明(1946—)，男，山東濟(jì)寧人，1969年畢業(yè)于北京大學(xué)，物理專(zhuān)業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工業(yè)摩擦學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用工作。E-mail: qmy0202@aliyun.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.017

U 455.3

A

1672-741X(2017)05-0637-04