20110860-李想-TBM的状态监测与故障诊断.doc

机械故障诊断与维修课程 论文TBM与盾构机状态监测与故障诊断机1101-5班李想20110860前言开展TBM与盾构机状态监测与故障诊断的必要性，医院大夫给病人诊断疾病，需要综合分析体温、脉搏、血液化验、B超等多项指标检验结果，并与诊断标准对比，得出诊断结论；同样地，机械设备的故障诊断也需要采集温度、噪声、油液中磨粒的大小、形态、浓度，机械振动的频谱、液压系统压力、流量损失，电气系统的电压、电流等多个状态信号或参数，并与判断标准进行对比和综合分析，得出设备有无故障以及故障的原因、部位等诊断结论。TBM/盾构机作为大型专用设备也不例外。 关键词：TBM 故障诊断 状态监测 诊断方法一、意义由于TBM/盾构机配置的设备数量多，关联性强，任何一套单独设备出现故障都将不同程度地影响TBM/盾构机的掘进进度，同时也会增加工程成本。因此，如何实施状态监测，提前预报故障，是值得深入研究的课题二、TBM盾构机故障诊断的特点和难点（以TBM主轴承为例）1、主机庞大、动力部件众多，振源各异，振动信号频域宽广，各部件的固有频率和相应的故障特征频率有可能产生相互重叠；2、价值昂贵，重80多吨，一旦进洞掘进，就不允许在洞内解体检查。主轴承的工作情况只有通过监测反映；3、低速重载决定了对滚动轴承的监测的难度： 8个推进油缸施加2100吨轴向推力、32个撑靴油缸要承受800多吨的主机负载，主轴承承受巨大的径向和轴向荷载；4、刀盘上配置了71把盘形滚刀，掘进时石质不均，载荷剧烈地波动，转速也随之波动，信号随机波动也不可避免，增加了故障特征信号的提取和分离难度；5、主轴承处工作环境比较危险，不便靠近，不便进行信号的采集；6、结构参数不了解，轴承零件的特征频率难以确定，也不便于故障信号的分析； 为此，须将几种监测手段综合运用，各取所长，相互弥补。如工业内窥镜监测滚子磨损、润滑油温度监测、润滑油磨损分析、在线实时监测等。 三、TBM故障诊断总体方案TBM机载的在线监测和数据采集系统与离线的振动分析和油样检测等手段相结合。突出重点、兼顾其他。常规监测与计算机分析相结合1、感官检查感官检查就是利用操作或维修人员的视、听、触、嗅觉，观测TBM设备或部件的运动情况、主控室的运转参数如电流、温度、压力、流量、速度等，检查机件的异响、异味、发热、裂纹、锈蚀、损伤、松动、油液色泽、油管滴漏等，初步判断部件的工作状态。虽然凭感觉检查有时不够精确，且对个人的经验依赖性较强，但这种传统的检测是进行设备监测诊断的基础，是现场的维修保养工作中不可或缺的常用方法。2 、温度监测技术温度的变化与被监测设备的性能和工况有密切的关系。当机械的运动副发生异常磨损时，过度发热导致的温升影响着机械或润滑油的正常工作状态，从而形成恶性循环，致使设备过早损坏。TBM的温度监测技术分接触和非接触式测温两种方法。接触式测温主要是采用热电偶测温，在TBM主轴承润滑系统、液压系统的各个泵站等分别布置了测温传感器，对油温等进行有效的监控；与此同时，现场维护人员利用手持式红外线测温计进行非接触式测温，可以方便、快速、安全地监测主电机、变速箱、皮带机滚筒、高压电缆接头等部件的工作温度。也可以利用手持式红外线测温计测量螺旋输送机出口的碴土温度，以辅助判断刀盘前方是否产生泥饼或堵仓。3 、无损检测技术主要是指工业内窥镜监测法观测设备内部情况。打开TBM主轴承壳体的观测孔，利用工业内窥镜观测主轴承滚子、滚道、保持架的磨损和锈蚀情况。4、性能状态参数测试技术TBM的运转参数很多，但测试具有代表性的状态参数，可以有效地实施状态监测与故障诊断，如功率、扭矩、转速、掘进速度、压力、流量、温度及电气参数等,为TBM的操作和维修人员提供直观的故障信息和工作状态信息。 5、 故障树逻辑诊断技术故障树逻辑方法则是结合油质分析、振动分析以及噪声、温度和性能状态参数测试等多种方法，能够清晰地揭示TBM某一系统内的故障规律和逻辑关系。比较适合TBM液压等多个系统的故障诊断。6、监测重点及巡检路径根据监测对象在TBM运转中的作用和对停机造成影响的程度来确定监测的重点。以及TBM的巡检路径： 后配套上层拖车水泵电机及水泵溜渣槽三号皮带机及其泵站拖拉系统泵站变压器下层拖车输送泵喷浆机械手主泵站上层拖车二号皮带机主机记录数据上部吊机钢拱架运输机构主变速箱主机下部仰拱吊机材料吊机污水泵及电机除尘风机一号皮带机。四、标准设备状态监测目的是力求准确的判断出设备的故障，而判断设备好坏的关键是标准的制订。TBM的故障诊断采用了三类判断标准：1 绝对判断标准（1）、TBM技术资料上注明标定工况下运转性能参数的标 称值和极限值； （2）、旋转机械的振动量参照1974年颁布的ISO2372适 用于工作转速600-12000转/分；（3）、温度：轴承壳体：70注意，90停止；轴承本体： 90注意，120停止； 轴承内润滑油：80注意，100停止；基于主轴承的重要性，当油温达到65 时报警，70停机；（4）、 TBM使用的油品的理化指标合格标准（5）、 铁谱分析：大于15m的颗粒显著增加时，可初步 判断为不正常；大磨粒读数AL 、小磨粒读数 AS(分析式铁谱)可用趋势分析建立标准； （6）、 光谱分析：油中各种元素的含量也可通过趋势分析建立标准。2 、相对判断标准 采用这种判断标准时，要求根据设备的同一部位同一量值进行测定，将设备正常运转情况下的量值作为初始值即标准值，按时间先后将实测值与初始值进行比较来判断设备状态。具体来说，就是在TBM施工初期，对同一设备进行运转参数（振动、压力、温度、速度、流量等）、油品理化指标参数、铁谱、光谱、污染度、粘度、水分等诸多参数采集，以此作为初始测定值，经过不同阶段相同条件下的多次采集，经几次结果进行分析比较，可以推断出该部位的运转情况，故障的变化趋势。 3、类比判断标准将数台机型相同、规格相同的设备如TBM（盾构）的8台主电机（液压马达）、主变速箱，在相同的运转条件下对它们进行参数测试，经过相互比较可对设备的状态进行评定。 五、 TBM的状态监测与故障诊断技术（一）状态监测在机械运动中，大部分摩擦副产生的磨粒都要进入润滑油或液压油中，油液中携带着来自磨损表面的磨损碎屑，作为一种诊断媒介，对磨粒的分析可以提供有关设备状态的重要信息，因而了解油液中磨粒的成分、数量、形态，能够及时准确地了解机械的磨损程度和磨损性质，从而判断机械的技术状态和故障趋势，为TBM的故障维修提供依据。1、油品理化性能的分析对于TBM各类油液的检测，主要是采用油质检测仪和污染度测试仪，对油质的理化性能指标进行检测，并结合铁谱、光谱分析技术，对磨损磨粒进行定性和趋势分析。油液污染度、水分、斑点、粘度分析等理化分析方法可以直观地判断TBM各类油质的劣化程度；铁谱分析可以清楚地辨别油液磨粒的种类、大小、磨损性质和油品的老化程度，尤其是对异常磨损的较大磨粒的分析判断（10m以上的磨屑 ）；光谱分析虽然对较大磨粒不很敏感，但可以精确地测定油液中所含微量元素的含量和属性，据此判断油液中磨损物的来源是外界侵入、密封损坏还是机件的表面磨耗。 2、 TBM铁谱测试技术 TBM油液磨损颗粒的定性分析。TBM的油泵、马达、齿轮、轴承等旋转部件的磨粒，通常可分为：正常磨损颗粒、切屑磨损颗粒、疲劳磨损颗粒、严重滑动磨损颗粒，以及油液中存在的非金属颗粒、腐蚀性磨损颗粒、摩擦聚合物，纤维等其它物质。 根据颗粒的形态和尺寸，可用于判断零件的磨损状况。TBM油液磨损颗粒的趋势分析铁谱三线值法通常一台运行的设备在磨擦磨损过程中呈现的三个阶段：（即跑合阶段、稳定、急剧磨损阶段）在不同阶段所产生的磨损磨粒各不相同，从而定出控制线即设备处于正常、报警、危险三种状态的三条线进行磨损判别，进行TBM设备的磨损量趋势分析。（二）、 TBM振动监测技术利用振动信号对故障进行诊断是一种行之有效的方法。机械部件在运动过程中的振动及其特征信息是反映该系统状态及其变化规律的主要信号，通过采集这些信号并加以分析处理，从而判别机械故障的原因、部位。 这些分析方法主要包括振动的加速度、速度、位移分析、功率谱分析、幅值谱分析、时域分析、频域分析等。 振动测试、分析比较适合于TBM的主电机、变速箱、泵站、各类水泵、风机等旋转机械的监测与诊断。（三）、 TBM主变速箱的监测主变速箱是TBM主要的动力驱动组件之一。由于主变速箱承受高负荷、大扭矩，因而故障发生率较高，因现场施工噪声大，受坏境因素与诊断者的经验差异的制约，用传统的变速箱诊断法如手摸、耳听会出现误诊与漏诊，给正常施工带来损失。由于设备出现故障前都会有初期振动特征信号产生，因此采用振动测试技术对变速箱运转时的各种特征信号进行采集、处理，并结合润滑油的磨粒分析（如铁谱、光谱、粘度）等多种监测手段，便会大大提高故障的预报和诊断能力，减少故障的发生率。（四）、 电气液压故障的在线实时诊断TBM盾构系统庞大，自动化程度高，控制环节和工序复杂且相互影响，相互并联，因此故障的实时监测和记录对故障的诊断和处理尤其重要。TBM自身带有故障、数据实时监测和记录系统，充分开发和利用这一系统对电气液压故障的快速诊断和处理非常重要。（五）、TBM的故障树逻辑诊断在进行TBM状态监测与故障诊断时，除采用油质分析、振动测试外，故障树逻辑诊断也是一种行之有效的方法。 它是将TBM各系统中最不希望发生的故障状态作为分析的目标，找出引起这一故障发生的全部因素，再找出引起下一级事件发生的全部直接因素，直至追查到最原始的故障机理、而不必再深究的因素为止。从而形成了TBM的故障树逻辑诊断方法。（六） 小结油液污染度、水分、斑点、粘度分析可以直观地判断TBM各类油质的劣化程度；铁谱分析可以清楚地辨别油液磨粒的种类、大小、磨损性质和油品的老化程度，尤其是对异常磨损的较大磨粒的分析判断，；光谱分析虽然对较大磨粒不很敏感，但可以精确地测定油液中所含微量元素的含量和属性，据此判断油液中磨损物的来源是外界侵入、密封损坏还是机件的表面磨耗，这些方法对工况恶劣的隧道掘进机的油质分析十分有效；六. 经验介绍股份公司大型设备运行监测 1建立设备状态监测、故障预报及诊断 的两级机构设物部，2成立大型设备运行监测中心盾构及TBM施工专业公司，3成立检测站和配备专/兼职的检测人员 4建立大型设备机况评估制度 5建立设备检测报表及档案制度 6定期对各大型设备的油水及有关的项目等进行现场实时检测，并和各专业公司设物部所设的油水检测人员进行日常检测结果的沟通，及时收集掌握各大型设备的运行状况和运转参数，实时把握及评估各大型设备的机况。根据需要对专业各公司的关键机械设备进行油品的精密分析(包括对油品进行铁谱实验等)、进行振动测试分析以及对液压系统进行功能测试等。对关键机械设备故障诊断分析及处理方面提供技术支持及服务,帮助解决施工现场设备诊断的重、难点技术问题。根据检测结果对大型设备各系统的隐性故障做出准确的超前预测，对设备的日常维护工作提供具有针对性的意见。对专业公司各种检测报表、诊断数据资料进行管理；并进行统计分析，实现专业公司间的数据及信息共享。对大型设备的制造及组装质量进行检验把关。按要求对各大型设备进行机况评估，使大型设备维护工作具有针对性。对各专业公司常规设备的油水检测及故障诊断提供技术支持及服务。七、故障诊断技术的应用范围 在以下场合可考虑应用该项技术, 但也不是绝对的：(1)生产中的重大关键设备、价值昂贵的大机组；(2)不能接近检查、不能解体检查的设备；(3)维修困难、维修成本高的设备；(4)对安全性要求高的设