盾构机辅助系统技术-盾构机检测技术研究与应用

01　引言

随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。由于许多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种问题，以致降低或失去预定的功能，造成严重、甚至灾难性的事故，国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、毁坏、泄漏等恶性事故，造成了人员伤亡，产生了严重的社会影响；在日常生产中，也时常因生产过程不能正常运行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。

严重的灾难性事故触目惊心，不仅造成巨大的经济损失，而且造成很大的人员伤亡和环境污染，在社会上引起强烈反响，例如，美国三里岛核电站和苏联切尔诺贝利核反应堆的泄漏事故曾引起对核电站安全性的争议，对核能的发展产生了影响；美国挑战者号航天飞机失事使美国航天事业的发展一度陷于停顿。这些都是对整整一个产业的打击。还有许多严重事故，如1972 年日本关西电力公司南海电厂3 号机组—600MW 汽轮发电机组因振动引起严重的断轴毁机事故，我国1985 年大同电厂和1988 年秦岭电厂的200MW 汽轮发电机组的严重断轴毁机事故，都造成了巨大的经济损失。在国内外工程施工行业因盾构机、TBM 等大型设备故障，导致出现重大工程事故及人员伤亡事件。因此保证设备的安全运行，消除事故，是十分迫切的问题。

现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面：一是设备设计与制造的各项技术指标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法，要有提高安全性的措施；二是设备安装、运行、管理、维修和诊断措施。目前，诊断技术、修复技术和润滑技术已列为我国设备管理和维修工作的三项基础技术，成为推进设备管理现代化，保证设备安全可靠运行的重要手段。

设备检测技术伴随着设备事故的发生不断进步，Z早于1961 年在美国开始研究与应用，在20 世纪60 年代末和70 年代初英国以R.A.Collacorr 为首的英国机械保健中心开始对设备检测技术进行开发研究，并相继在其他国家开始研究应用，如瑞典的SPM 轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动和声发射技术等。我国设备检测技术研究起步较晚，于1983 年由原国家经济委员会发布了《国营工业交通设备管理试行条例》，1987 年国务院正式颁布的《全民所有制工业交通企业设备管理条例》规定，“企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法”，其后冶金、机械、核工业等部门还分别提出了具体实施要求，使我国故障诊断技术的研究和应用在全国普遍开展。

02　盾构机检测技术的研究与应用

盾构机检测技术的研究与应用Z早于1997 年由中铁隧道局在秦岭隧道施工时开始，定时开展设备状态评估和油液检测工作，目前在盾构施工行业使用越来越广泛。

1） 盾构机检测的作用

盾构机的状检测工作是设备正常运转的重要保证，一旦故障停机，就会造成巨大的经济损失，发生严重乃至灾难性的事故。

（1）监测与保护

通过日常检测工作的有效开展，及时发现盾构机潜在故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免、减缓、减少重大事故的发生。

（2）处理与预防

盾构机一旦发生重大故障，利用日常检测数据，对故障原因进行分析，做好预防措施，避免再次发生同类事故。

（3）节约成本

通过对盾构机异常运行状态的分析，揭示故障的原因、程度、部位，为盾构机的在线维修、停机检修提供科学依据，延长运行周期，降低维修费用。三种维修模式成本对比如图所示。

三种维修模式成本对比图

（4）改善性能

通过开展检测工作可充分了解盾构机性能，为改进设计、制造与维修水平提供有力证据。

（5）推动盾构机管理进步

在现阶段，大部分盾构机现场管理仍采用事后维修、定期维修或事后维修与定期维修相结合的方式进行，这些方式不仅造成成本浪费，还会造成盾构机运转状态不可控和工程风险不可控。通过设备检测技术的应用，可将盾构机事后维修和定期维修逐渐向预测维修发展转变，从而推动盾构机现场管理的进步。

2） 盾构机检测技术应用

目前在盾构行业主要采用的检测方式有日常监测、故障处理和机况评估。

（1）日常监测

盾构机状态监测和油液检测是?构机日常监测和维护的主要现代化技术之一。盾构机在日常运行过程中，通过开展对关键系统的状态监测和油液检测工作，及时发现故障的早期征兆，以便采取相应措施，避免、减缓、减少重大事故的发生。

①状态监测。主要采用振动监测、无损检测、压力检测和强度检测等技术对设备的运行情况进行监测。采用振动数据采集仪、超声波探伤仪、热成像仪、工业内窥镜、3D 扫描仪等监测仪器对运行中或在不拆卸的情况下，对设备的运行状态进行监测；收集历史数据，根据历史数据的规律性变化来判断、预测设备未来的状态。

②油液检测。对正在运行的盾构机采用在线或离线方式对盾构机中的液压油、主驱动齿轮油、减速机齿轮油等油液进行铁谱分析、光谱分析、黏度检测、水分检测、污染度检测、酸值等指标进行检测，分析判断设备润滑油的品质、润滑状态、设备的磨损状态、设备故障位置及严重程度。

（2）故障处理

盾构机结构尺寸较大、系统复杂，当盾构机出现异常时，采用油液检测技术、状态监测技术等，能够较快速准确的查找到盾构机故障所在点。

早起设备维护人员日常的巡回检查，这是基于经验、图纸、维护手册和基准，通过五感（眼、耳、鼻、手、口）或自制的简单工具进行的手动故障诊断方式，这种方式对于小型、简易设备的故障诊断还能使用，但对于像盾构机、TBM 这种集机电液于一体的大型、复杂设备却难以满足要求，只能依靠现代化的检测技术来快速、准确分析设备的故障原因、位置和严重程度。例如，通过油液检测技术中的光谱分析发现盾构机主轴承齿轮油中的Cu 元素含量持续超标，可以判断主轴承保持架可能存在异常磨损现象；油液中Si 元素和水分含量持续超标，可以判断盾构机主驱动密封可能存在异常损坏现象。

（3）机况评估

盾构机机况评估技术是利用先进检测设备和技术，对盾构机整体机况进行综合判定，为后期使用、维修、再制造提供科学依据，确保盾构机安全、稳定和快速施工。

①新盾构机评估。新盾构机在出厂前开展检测工作，及时发现设计和制造缺陷，及时在工厂解决，避免后期事故的发生。

②旧盾构机评估。对盾构机在维修前开展检测工作，使维修工作有的放矢，确保盾构机整修工作不漏项，使彻底维修；旧盾构机维修后通过检测工作开展，检测设备性能是否符合维修和使用要求。

③施工过程评估。在盾构机使用过程中对关键节点进行机况评估工作，如盾构始发前、到达前、有重大风险的地段前（穿江、越海、困难地段、重要建筑物等）等。通过机况评估了解设备运行状态，将盾构机调整、维修到良好状态，保证机况，使其安全、快速通过关键节点，防止重大工程风险的发生。

④再制造盾构机评估。再制造盾构机的评估工作主要分为三个阶段：再制造前、再制造中和再制造后。

a. 再制造前：对旧盾构机进行整机机况评估，了解设备性能状态，判断该盾构机是否达到再制造条件。对于通过评估后达到再制造评估条件的盾构机经全面机况评估后了解各系统、各部件的性能状态，为其再制造设计提供有力的数据支撑和科学依据，使再制造工作有的放矢，避免发生过度再制造和再制造不彻底现象。

b. 再制造中：对再制造过程中对关键零部件开展检测工作，如主轴承、主驱动密封、主驱动减速机、液压部件等，通过开展对关键零部件的检测工作，选择合理的再制造技术，确保再制造工作达到相关要求。

c. 再制造后：对完成再制造的盾构机进行再制造后的机况评估工作，检测、分析和判断再制造效果是否满足再制造设计，为盾构机再制造工作把好Z后一道关，确保再制造盾构机质量，为工程施工提供合格的再制造盾构机。

03　物联网+ 盾构机检测技术

随着互联网和大数据技术的飞速发展和广泛应用，物联网+ 盾构机检测技术也得到了新的突破，即基于物联网技术的盾构机在线监测系统诞生，并成功应用在盾构机日常“管、用、养、修”中，从而盾构机专业检测技术得到快速提高。

基于物联网技术的盾构机在线监测系统采用物联网技术，将盾构机油液检测技术、状态监测技术等检测技术集成在盾构机中，实时采集盾构机的各种状态信息，并将数据远程传输，通过专家分析、诊断预测盾构机的性能状态发展趋势，确保盾构机安全、稳定运行，实现盾构机检测工作的自动化、网络化。

04　未来盾构机检测技术发展与应用展望

在智能制造背景下，盾构机向更为复杂化、智能化方向发展。对于设备检测而言，为满足更复杂、更智能的盾构机检测要求，须探索新的检测模式和服务形态，已成为当务之急。目前随着工业互联网的快速发展和应用，传统分布检测技术开始逐渐被集中监测与网络化检测所替代，智能化、网络化和在线化检测技术和监测系统已经成为盾构机检测技术发展的必然趋势，主要有以下两个方面：

（1）盾构机在线检监测系统广泛应用

随着盾构机在线监测系统的成功应用，以及工业互联网的不断发展和5G 时代的到来，在线监测技术将逐步取代部分传统的检测技术，更好地为盾构机安全、快速使用服务。

（2）建立在线专家诊断系统

根据盾构机检测大数据分析，掌握盾构机各关键部件的运转信息、状态趋势、故障特征等，建立盾构机在线专家诊断系统。

来源：本文节选自《中国盾构工程科技新进展》