地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測關(guān)鍵技術(shù)

楊永剛

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

在城市化的進程中，地鐵的建設(shè)也逐漸惠及到多個城市。為了提高地鐵施工的工作效率，盾構(gòu)機被廣泛應(yīng)用于施工過程中。施工中為確保盾構(gòu)機正常運行，需要對其進行養(yǎng)護與維修。鑒于此，有必要研究地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障與狀態(tài)檢測，促使地鐵工程的順利進行。

1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)施工區(qū)，使用的盾構(gòu)機類型為直徑6.25 m土壓平衡盾構(gòu)機，數(shù)量為2臺。整個盾構(gòu)施工區(qū)間單線長度可達3151 m，水平運輸線可達3530 m。施工現(xiàn)場地質(zhì)條件：中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，巖石的穩(wěn)定性能較強，可執(zhí)行盾構(gòu)操作。單線最高每天可掘進16環(huán)。施工中準備MG45/16門式起重機1臺，MG16/5門式起重機1臺，海瑞克盾構(gòu)機2臺。

2 地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障與狀態(tài)檢測的意義

隨著盾構(gòu)設(shè)備的引入，越來越多的研究學(xué)者將研究重點放在該設(shè)備的施工工藝上。在專家學(xué)者的研究中，盾構(gòu)設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于地鐵項目的建設(shè)過程中。結(jié)合高科技信息技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)不僅可以加快故障的辨別診斷速度，而且還能提升地鐵建設(shè)的信息化水準[1]。

盾構(gòu)機是一種大型綜合設(shè)備，既涉及到機械工作部分、液壓工作還涉及到電氣控制領(lǐng)域的工作。因而操作起來比較復(fù)雜，再加上整個地鐵施工現(xiàn)場活動空間有限，很容易引發(fā)設(shè)備的使用故障。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障不僅會增大資金的投入，使施工成本增大，還影響了施工效率，拖慢了施工進度。鑒于此點，研究盾構(gòu)設(shè)備的故障檢測就顯得尤為重要。不僅可以提升故障的辨別效率還能對設(shè)備出現(xiàn)故障情況做出相應(yīng)的預(yù)測判斷。

3 地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障與狀態(tài)檢測關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建立知識庫

從地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測的功能來看，進行故障辨別與檢測的過程實質(zhì)上是獲取知識并將其運用到推理分析進而判定故障類型的復(fù)雜過程。鑒于此，要想確保盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測過程的順利運行一個很重要的前提是依靠強大的知識庫。該系統(tǒng)可以從知識庫中提取盾構(gòu)設(shè)備故障的癥狀去對應(yīng)相符合的故障類型，進而找出合適的解決方案選擇適當?shù)姆绞絹頇z測故障設(shè)備。要想使檢測結(jié)果更準確，需要建立一個龐大的知識庫，將盾構(gòu)設(shè)備所遇到的各種故障類型及檢測事故全部錄入到知識庫中，方便維修人員調(diào)取有用的信息。但在實際擴充過程中，有很多復(fù)雜知識的錄入操作相當困難增加了相關(guān)人員的工作負擔。鑒于此，相關(guān)從業(yè)人員需要根據(jù)實際需要進行取舍。在設(shè)備檢測過程中，需要結(jié)合實際情況，選擇合適的檢測方法，提高檢測的有效率[2]。

3.2 設(shè)計推理機

在盾構(gòu)設(shè)備故障檢測系統(tǒng)中不可或缺的一部分就是推理機。它可以對整個系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制。換言之，推理機會根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備故障系統(tǒng)檢測出的故障信息，再結(jié)合維修人員輸入的數(shù)據(jù)信息，綜合考慮，再調(diào)出知識庫中所儲存的知識，選擇合適的檢測方式，對整個盾構(gòu)設(shè)備的故障情況進行分析，初步評估出本次故障的類型，在這一基礎(chǔ)之上進行推理，找出設(shè)備產(chǎn)生故障的原因，完成故障檢測?？紤]到地鐵盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)故障并不是一種因素作用的結(jié)果，而是多種因素共同作用的結(jié)果，而且同一種癥狀的出現(xiàn)可能對應(yīng)多個原因分析，因而在推理盾構(gòu)設(shè)備故障檢測分析的過程中要做好權(quán)衡。為了盡快排查出地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障類型，迅速找出產(chǎn)生故障的原因并匹配出合適的解決方案，應(yīng)該盡可能的制定出與每一種故障類型相匹配的故障消解對策，產(chǎn)生故障類型與解決方案優(yōu)先匹配，以此來確保盾構(gòu)設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)的匹配效率。

3.3 基于實時參數(shù)

基于實時參數(shù)構(gòu)建地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障檢測系統(tǒng)需要依靠傳感器來實現(xiàn)狀態(tài)的監(jiān)控。根據(jù)傳感器的特征，可以從多種源頭上搜集數(shù)據(jù)信息，建立起一套基于實施參數(shù)的推理體系，可對監(jiān)控信息進行故障分析。當實時模擬量或者開關(guān)量出現(xiàn)異常時，傳感器會將異常的數(shù)據(jù)信息傳遞到整個檢測系統(tǒng)，之后通過顯示屏，維修人員會了解到系統(tǒng)的異常之處。根據(jù)反饋回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，檢測人員可以將此信息傳遞到推理機上，輔助展開推理。接口會將推理機獲取的最終故障原因傳遞給檢測人員，并附加相對應(yīng)的解決方案。若獲取到的原因不是最終故障原因，那么系統(tǒng)就會自動開啟模糊推理體系，得出進一步的故障原因分析。二者進行原因匹配，取得造成故障的最終原因，以此來確保地鐵盾構(gòu)故障解決得更為順利[3]。

就目前的地鐵盾構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)來看，絕大多數(shù)是液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)。換言之，在地鐵設(shè)備中液壓系統(tǒng)是相當重要的一部分，可以稱得上是整個盾構(gòu)設(shè)備的中樞系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問題，修復(fù)起來難度系數(shù)也較高。鑒于此，液壓系統(tǒng)的故障檢測應(yīng)作為監(jiān)測重點。

3.4 盾構(gòu)機故障機理

（1）液壓泵故障機理。整個液壓系統(tǒng)重要的動力來源就是液壓泵。以海瑞克盾構(gòu)機的液壓泵分析為例（圖1）。該盾構(gòu)機的軸向柱塞泵是斜盤式，組成部分相對復(fù)雜。此外不同類型的激勵力產(chǎn)生在液壓系統(tǒng)的運行中，這些激勵力會產(chǎn)生振源力。

產(chǎn)生振源力的形式有2種情況：①摩擦產(chǎn)生的振源，可能是滑靴與斜盤接觸面的摩擦，缸體與配油盤的摩擦；②沖擊產(chǎn)生的振源，可能是滑靴沖擊斜盤或回程盤產(chǎn)生的振源。這些振源所對應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息向外傳遞的媒介是柱塞泵。

傳輸方式有2種：①金屬部件將信息傳遞到殼體和機座，造成這兩者產(chǎn)生異常的振動。②壓力借助流體傳遞到壓力油通道，以形成壓力沖擊和油道系統(tǒng)的擺動。③氣體用作傳輸介質(zhì)，振動傳遞到空氣中，產(chǎn)生噪聲。

圖1 海瑞克盾構(gòu)機

（2）液壓回路故障機理。液壓系統(tǒng)在閉環(huán)回路中可能出現(xiàn)的故障類型：①液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因在于壓力異常，由于壓力值的不穩(wěn)定性使得整個系統(tǒng)出現(xiàn)失壓的狀況；②液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障產(chǎn)生的原因在于油溫出現(xiàn)異?；蛴鸵翰粔蚯鍧嵱须s質(zhì)，使得整個油液的規(guī)格并不符合相關(guān)指標規(guī)定；③液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因在于液壓油缸運行不正常，使得整個執(zhí)行元件出現(xiàn)了問題；④液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因是液壓系統(tǒng)外泄或液壓系統(tǒng)內(nèi)泄。

（3）液壓系統(tǒng)的狀態(tài)檢測以及故障診斷。盾構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)造比較復(fù)雜，相對來說體系較大，很多油路的流通都受到該系統(tǒng)的控制。鑒于此，液壓系統(tǒng)的檢測要運用多種方式，以確保檢測的準確性。液壓系統(tǒng)的中樞是液壓泵，因而在盾構(gòu)機構(gòu)的整體運行中液壓泵的工作強度較大，很容易發(fā)生各種故障?；谏鲜鰞?nèi)容，液壓泵的運行狀態(tài)是否良好直接影響著整個液壓系統(tǒng)的運行效率，故而需重點關(guān)注液壓泵的檢測。當液壓泵工作狀態(tài)正常時，液壓泵產(chǎn)生的能量既有高倍頻又有基頻，二者之間沒有太大的差異。當液壓泵工作狀態(tài)異常時，液壓泵產(chǎn)生的能量主要是基頻?？山柚跁r域統(tǒng)計表來輔助檢測，獲取檢測數(shù)據(jù)。液壓泵運行正常時，各大時域指標、頻譜圖均處于正常范圍，沒有異?，F(xiàn)象[4-5]。

（4）液壓系統(tǒng)油液的檢測。液壓系統(tǒng)油液的檢測方式有3種形式：①鐵譜檢測，按其讀取方式的不同又可分為直讀式和分析式鐵譜。②理化性能指標檢測，主要是用來檢測運動黏度值、污染程度和含水量，其含水量最高不得超過0.001，運動黏度值需達到4.54×10-5m2/s（40℃）。③光譜檢測，這種檢測方式鋅、銅、鐵在油液中的含量。此外，還可以根據(jù)油液的正常線、警告線和報警線的位置來判定油液的檢測情況。取得3項數(shù)據(jù)值之后借助于計算機分析，取得油液檢測擬合線。根據(jù)擬合線顯示的變化情況分析液壓系統(tǒng)的整體運行狀況。

4 結(jié)束語

地鐵施工的安全性很大程度上取決于地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測工作的開展情況。鑒于此，相關(guān)的工作人員需在明確地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測工作重要性的基礎(chǔ)之上，分析故障檢測系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，積累施工經(jīng)驗，增加盾構(gòu)施工的安全系數(shù)。