大直徑盾構(gòu)管片吊機(jī)系統(tǒng)故障分析及處理措施

王天宋

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 252000)

1 引言

盾構(gòu)法作為暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，利用盾構(gòu)機(jī)械在地層中推進(jìn)，通過盾體外殼和預(yù)制成型管片支承四周圍巖防止發(fā)生隧道內(nèi)的坍塌，施工過程隧道一次成型，并且對地表擾動小、施工效率高、安全可靠[1]。管片吊機(jī)系統(tǒng)是盾構(gòu)隧道施工物料運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵系統(tǒng)，對施工效率具有決定性的影響。管片吊機(jī)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障就不能保障隧道管片供給，就會影響施工生產(chǎn)進(jìn)度。馬偃輝通過對雙護(hù)盾全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)管片吊機(jī)電氣故障的分析研究，總結(jié)了工程中TBM管片吊機(jī)電纜線路系統(tǒng)故障、遙控發(fā)射與接收信號故障、剎車故障等常見故障產(chǎn)生的原因，提出針對性的解決方案，并給出了管片吊機(jī)日常操作保養(yǎng)的建議，有效保證了現(xiàn)場施工效率[2]。但目前對于大直徑盾構(gòu)機(jī)管片吊機(jī)系統(tǒng)故障的研究還相對較少。對此，本文依托京張鐵路隧道使用的海瑞克S-1050大直徑泥水平衡盾構(gòu)管片吊機(jī)系統(tǒng)的典型故障進(jìn)行分析，為日后類似故障的排查與處理提供參考[3]。

2 工程概況

新建京張鐵路一標(biāo)，標(biāo)段全長10.487 km，線路自DK12+413北京北站向北引出，在DK13+400處進(jìn)入清華園隧道，下穿學(xué)院南路、北三環(huán)、知春路、北四環(huán)、成府路、清華東路等。利用原有京包線形成雙線路基段至本標(biāo)段終點(diǎn)DK22+900。

主要施工內(nèi)容為6.02 km隧道和4.467 km路基。其中包括盾構(gòu)隧道、明挖隧道及普通路基段、U型槽，剛構(gòu)中橋1座、框架小橋2座。清華園隧道是京張高鐵控制性工程，隧道盾構(gòu)段為單洞雙線隧道，管片外徑12.2 m、內(nèi)徑11.1 m，管片環(huán)寬2 m、壁厚0.55 m，6+2+1模式拼裝，總計(jì)2 243環(huán)，軌下結(jié)構(gòu)采用三塊全預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝。盾構(gòu)隧道采用兩臺外徑為12.2 m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

盾構(gòu)機(jī)穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、粉砂、中粗砂及卵石土。卵石含量高，最大粒徑200 mm，密實(shí)，無膠結(jié)，遇水松散。卵石土地層對刀具的磨損非常嚴(yán)重且自穩(wěn)能力較差，掘進(jìn)時(shí)需采用合理的掘進(jìn)參數(shù)及優(yōu)質(zhì)的循環(huán)泥漿，同時(shí)做好刀具檢修工作。

3 吊機(jī)工作機(jī)理概述

海瑞克S-1050盾構(gòu)機(jī)為開挖直徑12.64 m的大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。內(nèi)部臺車結(jié)構(gòu)分為三層，管片在運(yùn)輸過程需要使用兩臺吊機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到喂片機(jī)上，首先管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)抓取運(yùn)輸車上的管片，將兩塊管片運(yùn)送至管片轉(zhuǎn)運(yùn)基座上；然后管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)抓取單塊管片，旋轉(zhuǎn)90°方向后放到喂片機(jī)上，喂片機(jī)依次將整環(huán)管片輸送至盾構(gòu)機(jī)拼裝區(qū)域；最后通過拼裝機(jī)的真空吸盤吸附管片進(jìn)行拼裝。兩臺吊機(jī)分別為管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)和管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)，如圖1所示。

圖1 管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)及旋轉(zhuǎn)吊機(jī)

3.1 管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)

管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)作為橫跨整個(gè)橋架的吊機(jī)，承載著盾構(gòu)機(jī)包括管片、油脂耗材等在內(nèi)的絕大部分物料的運(yùn)輸，是十分重要的運(yùn)輸工具[4]。吊機(jī)部分包括主吊機(jī)和輔助吊機(jī)，主吊機(jī)作為管片吊機(jī)有兩個(gè)15 t卷揚(yáng)機(jī)牽引機(jī)械抓取裝置，抓取裝置為液壓驅(qū)動，靠4個(gè)小油缸實(shí)現(xiàn)伸縮鉸接；輔助吊機(jī)也稱為物料吊機(jī)，采用2 t環(huán)鏈?zhǔn)诫妱雍J。物料吊機(jī)可通過切換內(nèi)部不同線路實(shí)現(xiàn)葫蘆運(yùn)行的快慢速；主吊機(jī)與行走電機(jī)驅(qū)動采用變頻器控制，可通過設(shè)定的工作頻率實(shí)現(xiàn)吊機(jī)的快慢速動作。吊機(jī)采用PLC控制，擁有一個(gè)操作室，內(nèi)部包括操作手柄與按鈕、運(yùn)行狀態(tài)觸摸屏、監(jiān)控顯示屏。操作人員只需通過操作手柄與按鈕完成吊機(jī)的移動與物料的起吊，通過監(jiān)控屏幕隨時(shí)觀察吊機(jī)前后是否有阻礙物體，通過觸摸屏能查看吊機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與報(bào)錯信息。通過這3個(gè)面板的信息，操作人員可以簡單并高效地完成物料的運(yùn)輸工作，并能幫助作業(yè)人員完成吊機(jī)的日常維護(hù)作業(yè)。吊機(jī)上配置多處限位連鎖裝置，管片提升不到位、抓取裝置未收緊時(shí)，管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)將不能水平或垂直移動。管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)見圖2。

圖2 管片物料吊機(jī)

3.2 管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)

由于管片從外面運(yùn)輸至洞內(nèi)時(shí)，管片的方向?yàn)榭v向，管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)抓取后運(yùn)送至轉(zhuǎn)運(yùn)基座上時(shí)仍為縱向，而拼裝機(jī)拼裝的管片為橫向，故管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)的作用便是“承上啟下”[5]。吊機(jī)自身能夠旋轉(zhuǎn)180°，一是能將管片旋轉(zhuǎn)90°，以便前方能夠拼裝管片；二是無論運(yùn)輸?shù)墓芷岸朔较蚴乔斑€是后，通過180°的旋轉(zhuǎn)調(diào)整，都能順利將管片調(diào)整為正確的方向。吊機(jī)采用4個(gè)5 t的環(huán)鏈?zhǔn)诫妱雍J懸掛真空吸盤，額定起重量16 t，單次可吸取1塊管片，4個(gè)葫蘆可以整體升降也可以單獨(dú)升降來調(diào)整吸盤的位置。吊機(jī)前后行走采用電機(jī)驅(qū)動，左右行走采用油缸伸縮，旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用變頻器控制啟動。吊機(jī)采用PLC控制，所有操作均采用無線遙控器控制。當(dāng)管片運(yùn)輸?shù)轿缓?，操作人員將吊機(jī)的真空吸盤貼在管片上，抽取真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，管片才可被吊起。管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)見圖3。

圖3 管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)

4 故障現(xiàn)象描述

管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)與管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)同為PLC實(shí)現(xiàn)自動化控制，通過CPU與I/O模塊的交流對各個(gè)電氣元件進(jìn)行監(jiān)視與控制，使用編制好的程序使各電機(jī)按照一定的順序動作。為了實(shí)現(xiàn)自動化的安全可靠性，吊機(jī)內(nèi)部存在多個(gè)傳感器，如果傳感器給CPU傳回錯誤信號，就會顯示報(bào)錯，導(dǎo)致吊機(jī)無法動作，只有恢復(fù)傳感器的正確信號才能使吊機(jī)繼續(xù)工作[6-8]。區(qū)別于吊機(jī)系統(tǒng)的常規(guī)故障，如電纜損壞、遙控信號發(fā)射接收故障等，現(xiàn)列出S-1176盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的吊機(jī)典型的故障問題。

(1)管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)故障

管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)的主吊機(jī)從管片運(yùn)輸車上抓取管片準(zhǔn)備垂直提升時(shí)，發(fā)現(xiàn)1號吊機(jī)沒有動作，2號吊機(jī)可正常動作，導(dǎo)致已被抓取的管片向一側(cè)傾斜。查看監(jiān)控屏幕的報(bào)警提示，顯示1號吊機(jī)處于超重狀態(tài)。

(2)管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)故障

管片放置到轉(zhuǎn)運(yùn)基座上后，打開遙控器準(zhǔn)備操作管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)，在未吸附管片時(shí)遙控器面板超重指示燈點(diǎn)亮，但此時(shí)吊機(jī)處于空載狀態(tài)，只能向下而不能向上運(yùn)動。

5 故障原因分析與排除

5.1 管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)故障排查

超重狀態(tài)無法使用操作桿提升吊機(jī)，通過使用變頻器本地模式，手動調(diào)整前后吊機(jī)的鋼絲繩長度，保證吊機(jī)處于平衡位置，空載試吊。在起吊過程中，監(jiān)視屏幕幾次閃現(xiàn)1號吊機(jī)超重狀態(tài)的信息。由于空載過程吊機(jī)不可能處于超重狀態(tài)，分析很可能是機(jī)械系統(tǒng)、主電路或者控制電路出現(xiàn)故障。

5.1.1 稱重傳感器的工作原理

管片吊機(jī)采用的是數(shù)字式稱重傳感器，由電阻式應(yīng)變稱重傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電子放大器、微處理器構(gòu)成[9-11]。電阻應(yīng)變式稱重傳感器基于這樣一個(gè)原理：彈性體(彈性元件、敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流)，從而完成了將外力變換為電信號的過程[12]。稱重傳感器作為主吊卷揚(yáng)機(jī)懸掛的銷軸，通過信號線連接模數(shù)模塊、放大器連接到PLC的輸入模塊，然后通過PLC的輸出模塊輸出到監(jiān)控屏幕。

5.1.2 檢查吊機(jī)機(jī)械系統(tǒng)部分

(1)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩

鋼絲繩纏繞完好，表面油脂潤滑正常，無銹漬。

(2)吊機(jī)承重銷軸

銷軸表面正常無裂痕，沒有明顯彎曲痕跡。

結(jié)果表明吊機(jī)部分無外表損傷，說明故障原因不在機(jī)械系統(tǒng)，問題可能出在電氣方面。

5.1.3 檢查主電路

通過查看電氣圖紙，從操作室的端子接頭沿著線路檢查，直到稱重傳感器接線盒。線路無破損、無彎折、無短路。檢查結(jié)果表明電氣接線無異常，問題可能出在控制電路方面。

5.1.4 檢查PLC控制電路

根據(jù)管片吊機(jī)線路圖，找出1號吊鉤的稱重傳感器PLC的輸入端9-5K1，其端子接頭為12號。當(dāng)15-14B1得到信號后，通過模數(shù)信號轉(zhuǎn)換，BN端頭得到信號，下一級15-14K1的2號端子得到信號，然后13、14號端子接通，此時(shí)9-5K1的12號端子接收到電信號，監(jiān)視屏幕顯示1號吊機(jī)超重。

通過控制電路可知，超重報(bào)錯的原因很可能是稱重傳感器自身故障，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)有誤。驗(yàn)證方法為調(diào)換1號吊鉤與2號吊鉤的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，即15-14B1，再查看兩個(gè)吊鉤的狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)仍是1號吊鉤顯示超重，2號吊鉤顯示正常，與推測結(jié)果相符。更換完1號吊鉤的稱重傳感器后吊機(jī)恢復(fù)正常。

5.2 管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)故障排查

管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)空載狀態(tài)，4個(gè)葫蘆鏈條長度一致，真空吸盤水平懸空，故不可能處于超重狀態(tài)，可以從機(jī)械系統(tǒng)、主電路與控制電路開始排查。

(1)稱重傳感器工作原理

管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)與管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)的傳感器工作原理相同，但是兩者PLC輸入信號的類型不同。管片旋轉(zhuǎn)吊機(jī)的輸入信號為持續(xù)的數(shù)字信號，管片運(yùn)輸?shù)鯔C(jī)的輸入信號為高電平信號。

(2)檢查機(jī)械系統(tǒng)

使用遙控器將吊機(jī)向下移動，吊機(jī)運(yùn)動無異常，不存在鏈條卡殼問題。

(3)檢查主電路與PLC控制電路

排查主電路與PLC控制電路，選取1號葫蘆為例，找出1號葫蘆稱重傳感器的PLC輸入端9-3K1，由于該P(yáng)LC輸入端需要持續(xù)的信號輸入，故整個(gè)電路需要保持通路。實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)15-14F1前后的電壓不一致，由于15-14F1為保險(xiǎn)絲，故推測是保險(xiǎn)絲燒斷導(dǎo)致傳感器報(bào)錯，使用萬用表測量保險(xiǎn)絲通斷，顯示為斷開狀態(tài)，與推測結(jié)果一致。更換新的保險(xiǎn)絲后，通過復(fù)位按鈕，吊機(jī)恢復(fù)正常。

6 吊機(jī)系統(tǒng)維保建議

目前盾構(gòu)機(jī)尤其是大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的吊機(jī)系統(tǒng)十分復(fù)雜，為保證高效的生產(chǎn)效率、安全性以及方便簡單的可操作性，控制系統(tǒng)則更為復(fù)雜。區(qū)別于常規(guī)的機(jī)械性故障，電氣系統(tǒng)故障往往發(fā)生率高且不易檢查，常常需要借助調(diào)取PLC程序進(jìn)行診斷，對現(xiàn)場維保工程師的維修水平有較高要求，所以持之以恒的日常維保十分必要，可大大減少吊機(jī)系統(tǒng)的故障率。

(1)保養(yǎng)人員每天必須對管片吊機(jī)各部件的工作性能、各種動作進(jìn)行總體檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)分析原因。

(2)每天打開控制柜采取看、聞、聽、摸確定電氣元件是否正常，如有異常，及時(shí)用萬用表檢測，排查故障。

(3)每天保養(yǎng)人員必須檢查升降和行走限位，注意觀察吊機(jī)行走和升降的速度；吊運(yùn)管片過程中馬達(dá)剎車是否正常有效，如有異常，及時(shí)查找原因。

(4)每天檢查導(dǎo)向軸承、滑輪的運(yùn)行情況，及時(shí)更換已損壞的軸承；檢查馬達(dá)傳動鏈條和齒輪。

7 結(jié)束語

從故障分析與排除的過程得知，即使是同一類型的故障，對于不同的吊機(jī)系統(tǒng)，最后得到的故障結(jié)論也不盡相同。但是分析故障的方法可以按照一定的步驟，抓住管片吊機(jī)的主要關(guān)鍵部件與線路，找出故障的核心部位，分線排查。在熟知盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的電氣系統(tǒng)組成、精通電氣圖紙、了解不同類型的傳感器、熟悉PLC程序的前提下，有針對性地制定管片吊機(jī)的維保檢修方案。針對管片吊機(jī)發(fā)生的典型故障，制定以關(guān)鍵路線為中心的排查方案，才能在掘進(jìn)過程中準(zhǔn)確、快速地解決問題，提升盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率和管片安裝質(zhì)量。