隧道掘進機TBM主軸承系統(tǒng)的狀態(tài)檢測技術(shù)研究

陳 娜

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘進機）是工程施工過程中的重要設(shè)備，而主軸承系統(tǒng)的性能直接影響整體設(shè)備的運行狀態(tài)。主軸承系統(tǒng)具有自動化、精密化的特點，但是主軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，這就要求排除故障的設(shè)備管理人員具有豐富的檢測技術(shù)，才能確保設(shè)備的有效管控。

1 TBM軸承結(jié)構(gòu)及常見故障類型

1.1 主軸承結(jié)構(gòu)

雖然TBM的生產(chǎn)廠家不同，但是主軸承結(jié)構(gòu)大同小異。從外形來看，TBM的機械旋轉(zhuǎn)體分為內(nèi)圈和外圈兩部分：內(nèi)圈排列著一行行刀盤，在減速箱的驅(qū)動下，內(nèi)圈依靠小齒輪的摩擦力旋轉(zhuǎn)，外側(cè)的大齒圈隨之同步旋轉(zhuǎn)，由此帶動內(nèi)圈的刀盤旋轉(zhuǎn)；外圈的結(jié)構(gòu)相對簡單，由雙半套圈組成。無論是內(nèi)圈還是外圈旋轉(zhuǎn)，都是以主軸承作為支撐力量。為了減少外來沙石進入機械旋轉(zhuǎn)體，主軸承加裝了內(nèi)、外密封裝置。由此可知，內(nèi)圈、外圈、支撐架、驅(qū)動單元、圓柱滾是主軸承的重要組成部分，其中驅(qū)動單元的動力大部分來自液壓或主電機，刀盤的推進則要依靠圓柱滾的力矩，各種機械共同作用驅(qū)動TBM運行。

1.2 常見故障類型

在TBM運轉(zhuǎn)期間，存在各種不確定性故障。通過對損壞的主軸承的拆解和分析可知，壓痕、擦傷、劃傷類的故障概率較高，這對軸承的滾子造成嚴重損傷，而銹蝕、磨粒磨損等也是主軸承常見的故障類型。

（1）壓痕。由于軸承內(nèi)部密封不嚴，金屬剝塊、沙石小顆粒等很容易被卷入到軸承的接觸面，經(jīng)過滾子的不斷擠壓，接觸面就會產(chǎn)生壓痕。

（2）擦傷。主軸承由于缺水或缺潤滑油造成干摩擦之后，各種零部件會產(chǎn)生不同程度的擦傷。

（3）劃傷。如果圓柱滾出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，那么主軸承表面就會呈現(xiàn)刀刃狀，在滾子的作用下其表面就會被劃傷。

（4）磨粒磨損。由于軸承內(nèi)部密封不嚴，沙粒很容易被帶入到主軸承各零部件之內(nèi)，從而造成主軸承的磨粒磨損。

（5）銹蝕。雖然主軸承具有良好的耐磨性，但如果長期處于閑置狀態(tài)，主軸承表面會形成斑斑銹跡。另外，如果潤滑油中滲入了水分，零部件也會被銹蝕。

2 TBM主軸承系統(tǒng)狀態(tài)檢測技術(shù)方案

2.1 狀態(tài)檢測的目的

主軸承是TBM的重要組成部分，出現(xiàn)故障后整個旋轉(zhuǎn)體就會受到影響，因此，保證障主軸承不出現(xiàn)壓痕、擦傷、劃傷、銹蝕或磨損等故障，是TBM主軸承系統(tǒng)狀態(tài)檢測的最終目的。當然，這要求檢測人員具有扎實的機械技術(shù)以及豐富的實踐經(jīng)驗。

2.2 狀態(tài)檢測技術(shù)方案設(shè)計

主軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，故障現(xiàn)象也千差萬別，因此，對其狀態(tài)檢測時關(guān)鍵是準確定位故障位置，并根據(jù)施工現(xiàn)場的環(huán)境條件對故障現(xiàn)象進行逐一排除。

（1）潤滑系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)方案。潤滑油的黏度、清潔度是否符合軸承系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)要求，直接影響到濾油器是否會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。對潤滑系統(tǒng)進行監(jiān)測，一是要強化溫度管控，對潤滑油冷卻狀態(tài)進行隨時調(diào)節(jié)；二是要關(guān)注濾油器的堵塞情況，檢測時最好采用電子檢測手段，以便于對其進行動態(tài)化的管控。

（2）主軸承磨損狀態(tài)檢測技術(shù)方案。對主軸承磨損狀態(tài)進行監(jiān)測時，需要借助理化指標、清潔度等方面數(shù)據(jù)進行分析，這樣才能準確判斷和維護主軸承磨損情況。鐵譜分析是主軸承磨損狀態(tài)檢測技術(shù)的重要手段，它包括兩種類型的方案，一種是直讀式，另一種是分析式。無論采用何種方案，都能準確定準故障位置，并對主軸承的磨損程度以及使用壽命進行精準檢測，從而提升TBM的整體性能。

（3）主軸承磨損程度的整體檢測技術(shù)方案。對于主軸承元件的損壞程度，最佳的檢測技術(shù)方案是要善于借用振動信號，這樣就可以對軸承的軸向間隙磨損程度進行準確定位。當然，工業(yè)內(nèi)窺鏡也是檢測主軸承元件的損壞程度的重要方法。

（4）主軸承密封情況的整體檢測技術(shù)方案。主軸承密封處的液體流動狀態(tài)如何，直接關(guān)系到主軸承不帶入砂粒、灰塵、水等物質(zhì)，而密封處液體流動情況的檢測存在一定的技術(shù)難度，因此，關(guān)鍵是對潤滑油狀態(tài)進行定期檢測和光譜分析。一般來說，Si和Al的實際含量是分析油質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)指標，對油樣進行光譜分析的周期約為15 d一次。

3 TBM主軸承系統(tǒng)狀態(tài)檢測技術(shù)關(guān)鍵要素

3.1 檢測周期

TBM主軸承系統(tǒng)的不同的部位，需要采取不同的檢測周期。首先是對油質(zhì)情況的檢測要采取每日觀察、定期分析的方法。所謂的定期分析，指的是對油質(zhì)的清潔度進行檢測分析，并對照相關(guān)指標參數(shù)，分析軸承的理化數(shù)據(jù)，這樣才能準確判斷油質(zhì)狀態(tài)，以確定對油箱進行換油的時間、換油數(shù)量，確保主軸承有足夠的潤滑油。其次，對主軸承的磨損程度的檢測，一般以15 d為一個周期，鐵譜分析是主軸承磨損狀態(tài)檢測技術(shù)的重要手段。最后，要強化在線實時監(jiān)測手段的運用，當然這需要開發(fā)相關(guān)的信息化管理平臺，進而通過信息技術(shù)實現(xiàn)故障的在線檢測。

3.2 診斷標準

3.2.1 利用絕對判斷標準對其進行監(jiān)督和管理

TBM主軸承涵蓋多個零部件，每個零部件的表征狀態(tài)值和判斷標準都存在差異，這就要求對所有零部件采用不同的判斷標準，這樣才能從整體上把握和管控設(shè)備的整體運行狀態(tài)。從TBM主軸承的不同構(gòu)成部件來看，每個元器件的運轉(zhuǎn)參數(shù)有不同的標準。以潤滑泵的技術(shù)參數(shù)為例，其設(shè)計標準是180 L/min，在其處于運行狀態(tài)時，0.5～0.7 MPa的壓力較為適宜；設(shè)備的溫度也有一定限制，如果設(shè)備的福斯CLP460運行溫度超過70 ℃，那么就要引起關(guān)注，當溫度達到90 ℃的臨界點時就要盡快采取補救措施，快速更換設(shè)備的潤滑油。當然，更換的潤滑油須符合設(shè)備運行要要求，因為TBM主軸承系統(tǒng)各處零部件對油品的質(zhì)量要求較高，為了確保脂泵的處于正常工作狀態(tài)，并具有0.5～0.7 MPa的壓力，那么其液壓油則要求：B20，齒輪油為福斯CLP460，主軸承的密封脂是LAW25等。

3.2.2 利用相對判斷標準對其進行監(jiān)督和管理

TBM主軸承的參數(shù)標準，在初始運行階段運行之后，其所要求的工作壓力、溫度環(huán)境等需要采用不同的標準進行檢測，也就是在設(shè)備運行期間，對不同的工作時間節(jié)點的參數(shù)進行分段標注，不同的時間節(jié)點采用不同的參數(shù)，以確保設(shè)備始終處于正常的工作狀態(tài)。振動參數(shù)、沖擊力以及油品質(zhì)量標準是衡量主軸承系統(tǒng)性能狀況的重要指標，從潤油品的參數(shù)來看，污染度、黏度、清潔度、水分含量4個參數(shù)需要重點加以檢測。

從TBM主軸承系統(tǒng)的整體運行情況來看，也需要根據(jù)設(shè)備運行不同的運行節(jié)點進行不同的檢測和管控手段。以主軸承間隙為例，一般要以設(shè)備在出廠時的運行參數(shù)作為管控標準，在主軸承設(shè)備運行之后，隨著磨損程度的不斷加劇，設(shè)備的間隙也會逐漸加大，當其間隙達到1.7 mm以后就需要采取檢修措施，并根據(jù)設(shè)備的磨損程度對更換相關(guān)元器件。

3.3 診斷措施

（1）鐵譜分析和光譜分析。鐵譜分析和光譜分析是檢測設(shè)備磨損程度的重要措施，在對TBM主軸承系統(tǒng)磨損狀態(tài)進行分析過程中，大多數(shù)情況下是抽取部分數(shù)據(jù)，然后對其進行分析。鐵譜分析可以對設(shè)備的不同運行節(jié)點的磨損程度進行檢測，磨合階段、常規(guī)化磨損階段以及劇烈磨損階段的參數(shù)值各不一樣，但通過鐵譜分析便可全面掌握TBM主軸承系統(tǒng)的整體情況，包括各個運行節(jié)點正常線、警告線以及危險線都可以進行精準測定。光譜分析的技術(shù)則更為復雜，首先需要采集樣本數(shù)據(jù)，然后采用線性回歸的測定方式，對正常線、警告線以及危險線的數(shù)值進行測定，并確保磨損元素等濃度的準確性。

（2）電渦流測試。主軸承內(nèi)線圈具有信號傳輸功能，因此，為確保傳輸信號有效輸出，就需分析電渦流傳感器結(jié)構(gòu)特征，使其接口阻抗數(shù)值符合設(shè)備運行狀態(tài)。如果這一數(shù)值超過了設(shè)計參數(shù)或者電渦流傳感器的信號接口超脫了分界區(qū)域，就表明主軸承系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，需要迅速檢測滾道結(jié)構(gòu)情況并對故障進行處理。

（3）內(nèi)窺鏡測試。在進行內(nèi)窺鏡測試時，主要是利用內(nèi)窺鏡檢測系統(tǒng)，在TBM主軸承系統(tǒng)正上方設(shè)置窺鏡孔，重點對齒圈以及設(shè)備中的滾道等進行及時觀測和分析。

4 結(jié)束語

TBM主軸承系統(tǒng)的故障現(xiàn)象復雜多樣，因此，在結(jié)其進行技術(shù)檢測時，首先要設(shè)計科學合理的檢測技術(shù)方案，然后根據(jù)主軸承不同部件的檢測周期、檢測標準，采用不同的檢測措施，以排除主軸承系統(tǒng)的各種故障，從而確保TBM的正常運行。