盾構(gòu)/TBM專用振動監(jiān)測傳感器VM-BOX的研發(fā)

辛?xí)埽?周遠(yuǎn)航， 張 萌， 李 磊

(中鐵隧道局集團(tuán)專用設(shè)備中心， 河南 洛陽 471009)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國鐵路、公路、地鐵、輸油和輸氣等大型工程建設(shè)投入在不斷加大，隧道及地下工程建設(shè)迎來了前所未有的快速發(fā)展[1]。盾構(gòu)/TBM是專門用于隧道掘進(jìn)的工程機(jī)械設(shè)備，具有一次開挖成型的優(yōu)勢，在交通基礎(chǔ)設(shè)施和城市軌道交通建設(shè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[2-3]。盾構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，一旦出現(xiàn)故障將會影響到盾構(gòu)的正常施工，甚至造成人員傷亡等大型施工事故。盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)作為盾構(gòu)的關(guān)鍵部位，在掘進(jìn)過程中受到的沖擊和振動最大，其在很大程度上決定了掘進(jìn)施工的速度。對盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取部件的狀態(tài)信息很有必要[4]。

對刀盤系統(tǒng)振動的監(jiān)測手段，傳統(tǒng)方法采用振動測試儀拾取、記錄和分析動態(tài)信號，通過對被監(jiān)測設(shè)備的振動能量的測試和頻譜圖形分析[5]，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的評估和故障診斷，此方法獲得的測試數(shù)據(jù)具有間接性，且誤差在3.1%～6.2%，不能時時掌握設(shè)備狀態(tài)[6]。此外，采用振動測試儀不能實現(xiàn)實時監(jiān)測，需耗費人力物力，且數(shù)據(jù)采集過程中易受到人為因素干擾，監(jiān)測結(jié)果易產(chǎn)生人為誤差，單次監(jiān)測費用在5～8萬元，產(chǎn)生誤差的概率在5%左右。而在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速、技術(shù)成熟，已在發(fā)電、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用且效果良好，其中風(fēng)電在線監(jiān)測覆蓋率達(dá)到86%以上，設(shè)備故障率同比以3%的速度下降[7]。目前國內(nèi)已開展盾構(gòu)/TBM刀盤在線狀態(tài)監(jiān)測研究工作。在線監(jiān)測數(shù)據(jù)存在8.2%左右的誤差，誤差主要來源為傳感器性能不穩(wěn)定，易受溫度、濕度和振動頻率變化的干擾[8-9]。盾構(gòu)在線監(jiān)測的主要困難之一是沒有適用于采集刀盤系統(tǒng)振動信號的傳感器，因此，研發(fā)針對刀盤系統(tǒng)各部件的在線監(jiān)測方法及專用傳感器十分必要。

本文選取盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)作為研究對象，研發(fā)VM-BOX振動數(shù)據(jù)采集器，對主軸承、減速箱、主電機(jī)和刀盤泵進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)采集的振動數(shù)據(jù)和溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)來判別各部件的磨損狀態(tài)(當(dāng)存在非正常磨損時，會引起各部件溫度的升高和振動幅值的增大)，從而保證盾構(gòu)/TBM刀盤系統(tǒng)的可靠性，為工程開展提供技術(shù)保障。

1 VM-BOX應(yīng)用拓?fù)?/h2>

針對傳統(tǒng)的手持式振動儀無法對盾構(gòu)主要部件的振動狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測的問題，本文設(shè)計了盾構(gòu)/TBM專用振動監(jiān)測傳感器VM-BOX。VM-BOX可安裝在盾構(gòu)/TBM內(nèi)部關(guān)鍵零部件上，實時采集其在工作過程中的振動和溫度數(shù)值。

VM-BOX內(nèi)部集成振動傳感器、溫度傳感器和微處理器等，可以對振動信號實施采集、分析、告警，通過串口(RS485)傳送到數(shù)據(jù)集中器，其應(yīng)用拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 VM-BOX應(yīng)用拓?fù)銯ig. 1 Application topology of VM-BOX

2 振動信號處理方法與裝置配置選型研究

據(jù)統(tǒng)計,機(jī)械設(shè)備由于振動引起的故障占總機(jī)械故障的 60%～70%，這主要是指運動機(jī)械、特別是量大面廣的旋轉(zhuǎn)機(jī)械與往復(fù)機(jī)械，因此，振動分析方法已成為設(shè)備故障診斷所使用的現(xiàn)代監(jiān)測、分析和識別的主要技術(shù)和方法，且發(fā)展十分迅速[10]。盾構(gòu)各主要核心部件大多數(shù)為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運轉(zhuǎn)時會形成振動沖擊，產(chǎn)生振動信號。當(dāng)機(jī)械發(fā)生故障時，這些振動信號幅值和頻率成分等會發(fā)生變化，通過研究這些變化可以對機(jī)械的故障進(jìn)行診斷[11]。振動信號易于拾取，且可采用信號放大器、信號調(diào)理器和信號分析算法對振動信號進(jìn)行分析處理，以提取有用信息，從而進(jìn)行故障診斷。利用振動信號進(jìn)行故障分析的難點在于如何判定信號是由機(jī)械故障產(chǎn)生的振動還是工作中產(chǎn)生的擾動。

2.1 振動采集與處理的硬件配置

信號采集系統(tǒng)的硬件主要包括以下4個部分： 傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和運算處理器。傳感器是連接被測設(shè)備和測試系統(tǒng)的橋梁，把要采集的物理信號轉(zhuǎn)化成電信號。由于被測電信號在測量和傳輸?shù)倪^程中存在各種噪聲和信號削弱，使得被測信號通常很微弱，并伴有噪聲，因此需要信號調(diào)理電路對其進(jìn)行必要的調(diào)理。信號調(diào)理電路的功能一般有放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵和線性化等。數(shù)據(jù)采集模塊將調(diào)理之后的模擬信號轉(zhuǎn)化成便于微處理器讀取和分析的數(shù)字信號。

VM-BOX的主要功能是采集振動/溫度數(shù)據(jù)，并計算出描述振動的參數(shù)，如加速度、速度、頻率等。一個典型的數(shù)據(jù)采集裝置的硬件主要由傳感器(振動/溫度)、濾波電路、放大電路、A/D采樣、嵌入式處理器、存儲器(Memory)、通信接口(Serial)等構(gòu)成。VM-BOX數(shù)據(jù)采集裝置的硬件配置如圖2所示。

圖2 VM-BOX數(shù)據(jù)采集裝置的硬件配置

Fig. 2 Hardware configuration of data acquisition device of VM-BOX

2.2 主要芯片選型方案

2.2.1 傳感器

傳感器類似于人的感覺器官，是獲取被測信號的唯一途徑，因此它使用的是否得當(dāng)將直接影響測試效果的好壞甚至成敗。盾構(gòu)的掘進(jìn)施工環(huán)境惡劣、作業(yè)空間狹小且空氣濕度高，常常會受到泥漿、土塊、油液和水的污染，且掘進(jìn)過程中難以更換傳感器，所以對傳感器的各項要求都比較高。靈敏度、測量范圍、可靠性、精確度和響應(yīng)特性是傳感器選取的重要指標(biāo)。

振動傳感器分為振動位移傳感器、振動速度傳感器和振動加速度傳感器。由于盾構(gòu)振源多而雜，振動情況復(fù)雜，故需選用頻率測量范圍大的振動加速度傳感器；同時，由于振動加速度傳感器輸出的電量較小，容易被周圍噪聲所覆蓋，因此需要外加電荷放大器。此外，由于盾構(gòu)工作環(huán)境惡劣且承受沖擊比較大，因此需選用抗沖擊性強(qiáng)、可靠性高的傳感器。

隨著手機(jī)/PAD等移動終端的普及，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)得到快速發(fā)展。在此技術(shù)上開發(fā)的傳感器的尺寸越來越小，而精度卻越來越高，如MEMS加速度傳感器已經(jīng)普遍應(yīng)用于手機(jī)、智能手表中。與傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器相比，MEMS傳感器具備體積小、靈敏度高和可集成度高等特點。本方案中采用ADI(analog devices)的MEMS加速度傳感器。

MEMS加速度傳感器有模擬接口和數(shù)字接口2種，考慮到設(shè)計的便利以及抗干擾能力，采用數(shù)字接口更好一些。本方案中采用ADXL345和ADXL375 2款加速度傳感器。ADXL345量程為16g，該量程覆蓋了常規(guī)的振動監(jiān)測范圍；ADXL375量程為200g，主要應(yīng)用于比較大的撞擊試驗，如汽車碰撞、爆炸等沖擊。盾構(gòu)的部件振動大部分為低頻機(jī)械振動，16g的量程已經(jīng)可以滿足使用，同時考慮到不同的地質(zhì)條件下，盾構(gòu)施工中遇到較大沖擊的可能性，在本方案中也選用了200g的ADXL375作為備用。在常規(guī)振動監(jiān)測中采用ADXL345的數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出量程，則采集ADXL375的數(shù)據(jù)，從而既保證了數(shù)據(jù)的精度，也兼顧了數(shù)據(jù)量程的要求。

ADXL345和ADXL375的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示(單軸示意)。

圖3 ADXL345和ADXL375的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 3 Internal structure of ADXL345 and ADXL375

MEMS微機(jī)電結(jié)構(gòu)中，每個軸向的機(jī)械部分包括2個不同的框架，一個固定式，一個移動式。這些框架之間有一系列層板，從而形成一個可變的差分容性網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)框架受到與重力或加速度相關(guān)的力時，移動框架會改變其相對于固定框架的物理位置，導(dǎo)致電容發(fā)生變化。微型彈簧將移動框架連接到固定框架，并決定加速度和物理位移之間的關(guān)系。移動極板上的調(diào)制信號會通過各容性路徑饋入固定框架極板和解調(diào)電路，從而生成與器件上加速運動成正比的電信號。采集這些電信號即可得到加速度的值。

ADXL345和ADXL375的內(nèi)部集成了信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采樣電路，有效抑制了環(huán)境噪聲對振動信號的影響,提高了信噪比;同時，采用數(shù)字通信接口,簡化了外圍電路的設(shè)計。

2.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的元件，主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量與控制。溫度傳感器主要是熱電偶或熱電阻，即在不同溫度下電阻發(fā)生變化，可以較容易轉(zhuǎn)換為電壓或者電流變化。溫度傳感器的種類較多，應(yīng)用也比較簡單。本方案中待測對象溫度為振動測試點的表面溫度，選用TI公司的溫度傳感器,接口為I2C總線。

2.2.3 嵌入式處理器

本方案設(shè)計針對的是長時間運行的在線監(jiān)測設(shè)備,分布在盾構(gòu)內(nèi)部眾多關(guān)鍵部位，除了數(shù)據(jù)采集外，更重要的是對離散信號進(jìn)行計算，實現(xiàn)信號的時域與頻域分析。綜上要求，選用的硬件平臺是Freescale/NXP公司的32位ARM/Cortex-M0+系列,其中Kinetis-M是專用于計量的微處理器，內(nèi)核運行速度為75 MHz，內(nèi)部包含了內(nèi)存映射計算單元MMAU、高精度∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、可編程增益放大器PGA、高精度參考電壓Vref、Flash/RAM內(nèi)存單元、比較器CMP和RTC等外設(shè)，廣泛應(yīng)用于各種測量表計。

2.2.4 Serial接口

Serial通信接口是采集器與數(shù)據(jù)集中器之間通信的接口，支持MODBUS通信規(guī)約，采用RS485接口，波特率根據(jù)需要可調(diào)節(jié)。

2.2.5 EEPROM

EEPROM用于存儲通信管理機(jī)的配置管理數(shù)據(jù)。采用I2C總線存取的EEPROM，可選用AT24C08，提供8 kB的數(shù)據(jù)存儲容量。

2.3 VM-BOX產(chǎn)品功能和電氣物理特性

VM-BOM傳感器的具體功能見表1，電氣物理特性見表2。

3 實現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)框圖

VM-BOX硬件模塊間的交互關(guān)系如圖4所示。通過SPI接口讀取加速度傳感器的采集數(shù)據(jù)；通過I2C總線讀取溫度傳感器的數(shù)據(jù)；UART通過RS485接口電路連接外部MODBUS總線；預(yù)留3通道4-20 mA接口，接模擬傳感器，實現(xiàn)相位監(jiān)測功能(后續(xù)開發(fā))；采用SWD接口對CPU調(diào)試以及固件燒錄；GPIO控制LED指示燈指示運行狀態(tài)；DC24 V供電，內(nèi)部DC/DC電路生成5 V/3.3 V,CPU供電為3.3 V； DC24 V還供給4-20 mA接口電路使用。

表1 VM-BOX的具體功能Table 1 Specific functions of VM-BOX

表2 VM-BOX電氣物理特性Table 2 Physico-electrical characteristics of VM-BOX

圖4 VM-BOX硬件模塊間的交互關(guān)系Fig. 4 Interaction between hardware modules of VM-BOX

本系統(tǒng)在設(shè)計時滿足通用硬件設(shè)計要求： 1)冗余設(shè)計； 2)復(fù)位； 3)看門狗； 4)硬件狀態(tài)指示； 5)維護(hù)與調(diào)試； 6)EMC； 7)安全。結(jié)構(gòu)件如圖5所示。

由于采集的信號是振動信號,因此要求采集裝置應(yīng)剛性連接于待測設(shè)備,以免發(fā)生減振的情況?？蓪⒉杉型ㄟ^底部螺絲固定在底座上，再將底座安裝于待測設(shè)備。底座應(yīng)采用金屬材質(zhì)，且滿足剛性要求。

圖5 VM-BOX結(jié)構(gòu)件Fig. 5 Structure of VM-BOX

3.2 系統(tǒng)軟件與校準(zhǔn)辦法

運行在Kinetis-M嵌入式處理器平臺的軟件，實現(xiàn)采集器的各項功能，采用IAR Embedded Workbench開發(fā)。主要模塊包括： 1)啟動程序Boot； 2)驅(qū)動程序Driver； 3)采樣Sampling； 4)快速傅里葉變換FFT； 5)計算(速度有效值、頻率)Calculating； 6)通信規(guī)約(MODBUS)處理Communication。

由于元器件個體的差異，采樣得到的讀數(shù)與實際的物理量數(shù)值之間存在偏差，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)后才能得到正確的數(shù)值。

一般情況下，讀數(shù)與實際物理量數(shù)值之間存在線性關(guān)系：

Y=Val×Factor+Offset或Val=(Y-offset)/Factor。

式中：Y為讀數(shù)； Val為實際的物理量數(shù)值； Factor為因子，即每變化一個單位的物理量的讀數(shù)變化； Offset為偏移，即物理量為基數(shù)(參考值)時的讀數(shù)(理想情況下為0)。

因此，校準(zhǔn)需要計算2個參量，即Offset和Factor。在本方案設(shè)計中，物理量為加速度，可以通過重力加速度來計算這2個參量。通過在某軸上施加g、0、-g的重力加速度，根據(jù)此3種情況下的讀數(shù)變化，計算出Offset和Factor的數(shù)值。通過中值濾波方法可以有效去除環(huán)境噪聲對參數(shù)的影響。

4 試驗驗證

為了驗證新研制的盾構(gòu)/TBM專用振動監(jiān)測傳感器VM-BOX的性能，在合肥地鐵3號線2標(biāo)CT006H項目中，在盾構(gòu)2#刀盤驅(qū)動泵、螺旋機(jī)泵、管片拼裝機(jī)泵、1#主驅(qū)動減速機(jī)、3#主驅(qū)動減速機(jī)、7#主驅(qū)動減速機(jī)、1#—4#主軸承、推進(jìn)泵上安裝此傳感器，對這些部件的振動信息進(jìn)行實時測量。在硬件上，利用信號調(diào)理單元對采集的振動信號進(jìn)行放大濾波處理；在軟件上，利用中值濾波算法對采集到的振動信號進(jìn)行降噪處理；從而獲得更加真實的盾構(gòu)/TBM振動信號，并參照旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動診斷的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2372《轉(zhuǎn)速為10～200 r/s機(jī)械振動規(guī)定評價標(biāo)準(zhǔn)》，對振動烈度進(jìn)行測量和評定，達(dá)到判斷當(dāng)前盾構(gòu)/TBM機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的目的。

4.1 振動診斷標(biāo)準(zhǔn)

在實際工程中，針對傳感器監(jiān)測的振動信息，采用ISO 2372國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。ISO 2372的具體診斷標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 ISO 2372振動診斷標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Vibration diagnostic standards of ISO 2372

Ⅰ類機(jī)器： 在正常運行條件下,與整機(jī)連成一體的發(fā)動機(jī)或機(jī)器的單獨部件(如15 kW 及以下功率的電動機(jī))。Ⅱ類機(jī)器： 無專用基礎(chǔ)的中型機(jī)器(如15～75 kW 的電動機(jī)),剛性安裝的發(fā)動機(jī)以及安裝在專用基礎(chǔ)上的機(jī)器(功率可達(dá) 100 kW)。Ⅲ類機(jī)器： 振動測量方向上相對剛度較大的重型基礎(chǔ)上安裝的大型原動機(jī)和其他大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械。Ⅳ類機(jī)器： 振動測量方向上相對剛度較小的基礎(chǔ)上安裝的大型原動機(jī)和其他大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械(如透平發(fā)電機(jī)組,特別是輕型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的透平機(jī)組)。A級： 優(yōu)良，振動在良好限值以下，認(rèn)為振動狀態(tài)良好。B級： 合格，振動在良好限值和報警值之間，認(rèn)為機(jī)組振動狀態(tài)是可接受的(合格)，可長期運行。C級： 尚合格，振動在報警限值和停機(jī)限值之間，機(jī)組可短期運行，但必須加強(qiáng)監(jiān)測并采取措施。D級： 不合格，振動超過停機(jī)限值，應(yīng)立即停機(jī)。

同時，應(yīng)根據(jù)振動信號時間序列圖中振動的幅值和振動持續(xù)時間來判斷振動是否屬于盾構(gòu)前進(jìn)過程中產(chǎn)生的固有振動，或者是屬于機(jī)械故障引起的振動。盾構(gòu)/TBM前進(jìn)過程中產(chǎn)生的固有振動具有平穩(wěn)、幅值較小的特點，機(jī)械故障引起的振動具有突變性、幅值較大的特點。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于監(jiān)測部件較多，本文對2#刀盤驅(qū)動泵的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。取2#刀盤驅(qū)動泵上某時段的監(jiān)測信息，主要依據(jù)徑向速度對部件的振動狀態(tài)進(jìn)行判斷，其速度即對應(yīng)振動烈度。將2#刀盤驅(qū)動泵某時段的徑向速度監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為莖圖，如圖6所示。

圖6 2#刀盤驅(qū)動泵某時段的徑向速度莖圖

Fig. 6 Stem diagram of radial velocity of drive pump of disc cutter No. 2

由圖6可知，刀盤驅(qū)動泵的徑向振動烈度大部分時間處于A級和B級，即振動狀態(tài)良好。部分間斷時間點的徑向速度值較大，振動狀態(tài)屬于C級或D級，即應(yīng)該對該部件加強(qiáng)監(jiān)測。由于盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生振動，只有當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)處于D級時，才對盾構(gòu)做停機(jī)處理。圖6所示刀盤驅(qū)動泵的徑向振動烈度未出現(xiàn)連續(xù)的異常監(jiān)測數(shù)值，表明該時段刀盤驅(qū)動泵的振動狀態(tài)良好。

5 結(jié)論與討論

本文提出的盾構(gòu)/TBM專用振動監(jiān)測傳感器VM-BOX實現(xiàn)了對盾構(gòu)/TBM關(guān)鍵部件在工作過程中振動、溫度的實時監(jiān)測，能夠?qū)υO(shè)備磨損狀況及設(shè)備故障進(jìn)行精準(zhǔn)化、科學(xué)化管理。

專用振動監(jiān)測傳感器能夠獲得連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為判斷該部件的運行趨勢提供參數(shù)依據(jù)，為進(jìn)一步實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能化處理、對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷提供研究基礎(chǔ)。

對盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠為生產(chǎn)廠家對刀盤的改進(jìn)提供幫助，進(jìn)而提升國內(nèi)裝備制造能力。

振動傳感器在采集刀盤振動數(shù)據(jù)時，無法消除外界振動信號所產(chǎn)生的干擾，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和判斷會產(chǎn)生一定影響，需要開展進(jìn)一步研究以消除外界振動信號的干擾。

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