基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

吳朝來(lái)

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

盾構(gòu)是地下空間開(kāi)發(fā)的主要施工機(jī)械，在我國(guó)的城市地鐵、過(guò)江公路隧道、跨海隧道等大型隧道工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)主軸承及液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)的核心部件，其性能直接影響整個(gè)盾構(gòu)的性能狀態(tài)。如果在施工過(guò)程中主軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)中進(jìn)入泥水、沙礫或出現(xiàn)異常磨損，將導(dǎo)致主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞，給盾構(gòu)施工帶來(lái)不可估量的損失[1-4]。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，機(jī)械裝備的惡性故障50%以上是由潤(rùn)滑失效和過(guò)度磨損引起的[5-6]，因此，油液在線監(jiān)測(cè)及診斷技術(shù)的研究及運(yùn)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前有許多學(xué)者對(duì)油液監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用做了較多研究，文獻(xiàn)[7-8]主要對(duì)油液檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究； 文獻(xiàn)[9-10]主要介紹了油液檢測(cè)技術(shù)在設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用情況； 文獻(xiàn)[11-12]介紹了離線檢測(cè)技術(shù)在盾構(gòu)中的應(yīng)用情況。但隨著盾構(gòu)自動(dòng)化、集成化的不斷提高及數(shù)量的不斷增多，采用以離線檢測(cè)為主的檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代設(shè)備長(zhǎng)周期連續(xù)監(jiān)測(cè)的需要。

也有很多學(xué)者對(duì)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[13]主要是對(duì)在線鐵譜技術(shù)在故障分析中的應(yīng)用情況進(jìn)行了說(shuō)明； 文獻(xiàn)[14-15]對(duì)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和在線監(jiān)測(cè)的理論模型進(jìn)行了說(shuō)明，但缺少在盾構(gòu)方面的應(yīng)用研究。本文將油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)中，并采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)大量研究，選用滿足盾構(gòu)監(jiān)測(cè)需求的傳感器及技術(shù)參數(shù)，并經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，以期為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由油液監(jiān)測(cè)模塊、控制器、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。

圖1 盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際情況，在液壓系統(tǒng)和主軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)中增加油液在線監(jiān)測(cè)模塊，對(duì)油液的介電常數(shù)、水分、黏度、污染度和鐵磁顆粒度等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 將采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)控制器處理后傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和顯示，同時(shí)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 主軸承齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊

2.1.1 模塊與盾構(gòu)連接設(shè)計(jì)

盾構(gòu)主軸承齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊連接在盾構(gòu)及主軸承潤(rùn)滑回路中。從主軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)回路中取油，流經(jīng)齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部各個(gè)傳感器； 完成各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后，將監(jiān)測(cè)過(guò)的油液再通過(guò)主軸承齒輪箱呼吸口流入齒輪箱。主軸承齒輪油在線監(jiān)測(cè)設(shè)備連接控制如圖2所示。

圖2 主軸承齒輪油在線監(jiān)測(cè)設(shè)備連接控制示意圖

Fig. 2 Connection and control of online monitoring equipment of main bearing gear oil

2.1.2 模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)

對(duì)于主驅(qū)動(dòng)齒輪油，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為溫度、黏度、水分、介電常數(shù)、鐵磁顆粒和污染度等，因此，在主軸承齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊中設(shè)計(jì)了高黏度傳感器、水分傳感器、鐵磁傳感器和激光顆粒傳感器，實(shí)時(shí)采集上述指標(biāo)。傳感器布置如圖3所示，傳感器參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 主軸承齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊傳感器布置示意圖

Fig. 3 Sensor layout of online monitoring module of main bearing gear oil

表1主軸承齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊傳感器參數(shù)

Table 1 Sensor parameters of online monitoring module of main bearing gear oil

名稱檢測(cè)指標(biāo)量程精度高黏度傳感器黏度 0.5×10-6～500×10-6m2/s±5%溫度0～150℃±0.1℃水分傳感器水分0～2000mg/L±10%介電常數(shù)1.0～6.00.015鐵磁傳感器 磨損鐵磁顆粒與非鐵磁顆粒 監(jiān)測(cè)>40μm的鐵磁顆粒和>135μm的非鐵磁顆?！?%激光顆粒傳感器 4、6、14、21μm4個(gè)量程通道顆粒數(shù)ISO4～251

2.2 液壓油在線監(jiān)測(cè)模塊

2.2.1 模塊與盾構(gòu)連接設(shè)計(jì)

盾構(gòu)液壓油在線監(jiān)測(cè)模塊連接在盾構(gòu)液壓系統(tǒng)回油管路中。從盾構(gòu)液壓系統(tǒng)回油管路中取油，流經(jīng)液壓油在線監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部各個(gè)傳感器； 完成對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后，監(jiān)測(cè)過(guò)的油液流入液壓油箱。液壓油在線監(jiān)測(cè)設(shè)備連接控制如圖4所示。

2.2.2 模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)

對(duì)于液壓油，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)為溫度、黏度、水分、介電常數(shù)和污染度等，因此，在液壓油在線監(jiān)測(cè)模塊中設(shè)計(jì)了流體特性傳感器、激光顆粒傳感器和水分傳感器，分別對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。傳感器布置如圖5所示，傳感器參數(shù)選擇見(jiàn)表2。

Fig. 4 Connection and control of online monitoring equipment of hydraulic oil

圖5 液壓油在線監(jiān)測(cè)模塊傳感器布置示意圖

Table 2 Sensor parameters of online monitoring module of hydraulic oil

名稱檢測(cè)指標(biāo)量程精度流體特性傳感器黏度 0.5×10-6～50×10-6m2/s±5%溫度0～150℃±0.1℃激光顆粒傳感器 4、6、14、21μm4個(gè)量程通道顆粒數(shù)ISO4～251水分傳感器水分0～2000mg/L±10%介電常數(shù)1.0～6.00.015

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 系統(tǒng)減振設(shè)計(jì)

由于在現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)施工時(shí)整個(gè)盾構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不間斷的振動(dòng)，對(duì)于安裝的齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊也會(huì)被動(dòng)地產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，從而對(duì)其正常工作、監(jiān)測(cè)精度、使用壽命等產(chǎn)生較大的影響。為了有效消除上述影響，經(jīng)過(guò)對(duì)盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)頻率、振幅和強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)和分析后，進(jìn)行了有針對(duì)性的減振設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

1)模塊減振設(shè)計(jì)。齒輪油在線監(jiān)測(cè)模塊包含齒輪油監(jiān)測(cè)的全部硬件，選用高阻尼板式橡膠支座作為模塊支撐座，用于模塊和盾構(gòu)的連接，以隔絕或減弱振動(dòng)能量的傳遞，能有效消除盾構(gòu)振動(dòng)對(duì)在線監(jiān)測(cè)模塊的影響。

2)傳感器減振設(shè)計(jì)。傳感器是整個(gè)在線監(jiān)測(cè)模塊的核心，對(duì)工況的要求非常嚴(yán)苛。為了保證傳感器正常工作，確保監(jiān)測(cè)精度，對(duì)其實(shí)施相應(yīng)的減振設(shè)計(jì)尤為重要。經(jīng)過(guò)對(duì)各種減振裝置和材料的調(diào)查和分析，最終選用空氣阻尼器，該類阻尼器可以有效阻礙相互連接的物體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，把運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能，能有效隔離盾構(gòu)振動(dòng)對(duì)傳感器的影響。

2.3.2 數(shù)據(jù)信號(hào)干擾屏蔽和安全防護(hù)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)中動(dòng)力線路、控制線路和信號(hào)線等混雜在一起，如果沒(méi)有相應(yīng)的屏蔽或防干擾措施，就會(huì)出現(xiàn)各類信號(hào)相互干擾的問(wèn)題，影響信號(hào)的傳輸，最終導(dǎo)致監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)顯示異常。經(jīng)過(guò)對(duì)比和分析，選用屏蔽信號(hào)線，有效解決了信號(hào)干擾和安全問(wèn)題。

2.3.3 潤(rùn)滑油氣泡消除設(shè)計(jì)

盾構(gòu)液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于大排量、高壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，在液壓油中不可避免地會(huì)產(chǎn)生很多微小氣泡，這些氣泡不僅會(huì)造成系統(tǒng)工作不良、油溫升高、導(dǎo)致氣蝕、引起系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲等危害，還會(huì)對(duì)液壓油顆粒度在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。為有效解決上述問(wèn)題，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后設(shè)計(jì)制作了專門的氣泡消除裝置，基本消除了液壓油中的微小氣泡。

液壓油在線監(jiān)測(cè)消泡裝置的工作原理如圖6所示。將液壓油經(jīng)過(guò)金屬盤管進(jìn)行穩(wěn)流、降速、靜置后注入密閉的消泡罐中；消泡罐中的液位傳感器探測(cè)到待監(jiān)測(cè)液壓油注入量達(dá)到指定液位，即關(guān)閉入口并封閉消泡罐；對(duì)罐中的待檢油液進(jìn)行加壓、抽氣、排氣處理，以消除液壓油中混入的微小氣泡；最后，將經(jīng)過(guò)消泡處理后的液壓油送至顆粒度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖6 液壓油在線監(jiān)測(cè)消泡裝置設(shè)計(jì)圖

Fig. 6 Design drawing of online monitoring defoaming device of hydraulic oil

3 系統(tǒng)應(yīng)用及分析

3.1 應(yīng)用情況介紹

盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制成功后，在合肥地鐵3號(hào)線使用的CT006H盾構(gòu)上進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)初期，因設(shè)計(jì)存在缺陷導(dǎo)致出現(xiàn)傳感器異常損壞、液壓油污染度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍大等問(wèn)題。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，引起傳感器異常損壞的原因是系統(tǒng)減振設(shè)計(jì)不足，液壓油污染度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍大的原因是液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的微小氣泡被傳感器識(shí)別為污染物。因此，針對(duì)這2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了專項(xiàng)研究，系統(tǒng)中增加了減振裝置和消泡裝置，后期系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)較為穩(wěn)定。盾構(gòu)液壓油在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7所示。

(a) 盾構(gòu)液壓油在線監(jiān)測(cè)模塊

為了測(cè)試盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能和監(jiān)測(cè)精度，在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，對(duì)主軸承齒輪油和液壓油的黏度、溫度、水分、介電常數(shù)、污染度和磨損鐵磁顆粒等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。在試驗(yàn)期間共采集近10萬(wàn)個(gè)有效數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行了匯總分析。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 齒輪油在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，顯示齒輪油黏度在313×10-6～317×10-6m2/s波動(dòng)，在此期間對(duì)該油液取樣，在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)黏度(在40 ℃時(shí))平均值為318.1×10-6m2/s，測(cè)試黏度數(shù)據(jù)誤差在1.6%以內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)得到的溫度與黏度曲線如圖8所示。

圖8 主軸承齒輪油溫度與黏度曲線

實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)水分含量最大為255 mg/L，水分?jǐn)?shù)據(jù)上顯示水分有變大的趨勢(shì)，測(cè)試水分?jǐn)?shù)據(jù)在正常波動(dòng)范圍。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的溫度與水分曲線如圖9所示。

圖9 主軸承齒輪油溫度與水分曲線

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，齒輪油鐵磁顆粒數(shù)量數(shù)據(jù)曲線如圖10所示； 對(duì)濾芯處取油樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室光譜分析，F(xiàn)e元素檢測(cè)含量曲線如圖11所示。對(duì)比可得，在線監(jiān)測(cè)鐵磁顆粒數(shù)量曲線和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)Fe元素含量曲線趨勢(shì)一致。

圖10 主軸承齒輪油鐵磁顆粒數(shù)量數(shù)據(jù)曲線

Fig. 10 Quantity and data curves of ferromagnetic particle of main bearing gear oil

圖11 主軸承齒輪油Fe元素含量曲線

Fig. 11 Content curves of element Fe of main bearing gear oil

3.2.2 液壓油在線監(jiān)測(cè)結(jié)果

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，液壓油黏度數(shù)值穩(wěn)定性較好，如圖12所示。液壓油40 ℃時(shí)的黏度測(cè)試值在67.1×10-6～68.3×10-6m2/s,實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)得到的黏度平均值為67.5×10-6m2/s，誤差波動(dòng)幅度在-0.59%～1.19%。

圖12 液壓油黏度與溫度監(jiān)測(cè)曲線

Fig. 12 Viscosity and temperature monitoring curves of hydraulic oil

液壓油水分監(jiān)測(cè)值較穩(wěn)定，在143～150 mg/L波動(dòng)，如圖13所示。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)得到的水分平均值為138 mg/L,誤差波動(dòng)范圍在1.44%～3.62%。綜上可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映油液運(yùn)行狀況和趨勢(shì)。

圖13 液壓油水分監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論與討論

1)本文主要針對(duì)盾構(gòu)主軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的潤(rùn)滑情況和磨損信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，以掌握設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中潤(rùn)滑油各項(xiàng)指標(biāo)的變化情況。研究實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、匯總、分析和診斷，能夠及時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息，為盾構(gòu)狀態(tài)維護(hù)和故障診斷提供可靠的數(shù)據(jù)支持，防止重大設(shè)備故障，降低維修成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。

2)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明研究的盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行具有較好的準(zhǔn)確性。

3)雖然盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功在盾構(gòu)上使用，并達(dá)到了預(yù)期的目的，但要使系統(tǒng)能夠更好地為盾構(gòu)狀態(tài)維護(hù)和故障診斷提供服務(wù)，還需在不同型號(hào)盾構(gòu)和不同工況條件下使用。通過(guò)采集大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、總結(jié)，不斷完善盾構(gòu)油液在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，更好地指導(dǎo)盾構(gòu)狀態(tài)維護(hù)和故障診斷，提高遠(yuǎn)程故障診斷的準(zhǔn)確性。