盾构关键部件在线监测与远程诊断技术研究

赵 炯，王 伟，郑 晟，侯晓梦，唐 强

ZHAO Jiong, WANG Wei, ZHENG Sheng, HOU Xiao-meng, TANG Qiang

（同济大学 机械电子工程研究所，上海 201804）

盾构关键部件在线监测与远程诊断技术研究

Study of on-line monitoring and remote diagnosis techinique of the key components of shield machine

赵 炯，王 伟，郑 晟，侯晓梦，唐 强

ZHAO Jiong, WANG Wei, ZHENG Sheng, HOU Xiao-meng, TANG Qiang

（同济大学 机械电子工程研究所，上海 201804）

为了提高盾构的使用效率，提出了一种对于盾构关键部件的在线监测与远程诊断技术，并且详细阐述了其总体设计方案以及有关液压油温杂质、轴承故障等几个子系统的具体设计内容。

盾构；在线监测；远程诊断

0 引言

盾构机是一种挖掘隧道的专用机电液一体化设备。在盾构施工过程中，由于施工环境恶劣，加上其本身结构庞大和高度集成，使设备在机械、液压和电气方面出现故障的频率较高，且对这些故障进行排除存在一定的困难。

现在故障排除手段仍主要依赖于人工检修，故障及时修复率较低。随着当前城市轨道交通和基础设施建设速度的加快，盾构施工往往呈现点多面广的特点，发生故障后维修人员难以及时到达现场，而且各施工队伍相关设备及维修技术力量参差不齐，给盾构的检修带来很大困难。因此对于盾构关键部件在线检测和远程智能诊断技术的研究有强烈的现实意义。

本文提出了一种对于盾构关键部件在线监测与远程诊断的技术，通过对盾构的关键和易发生故障部位的监控，可以及时了解设备运行状态，提防技术人员误操作，减小施工风险，并且能够通过智能专家系统检索查询故障原因和相应的解决方法。

1 系统功能

本系统能够实现对施工中的盾构关键部件的在线监测与远程诊断，相当于给盾构机装上一个千里眼，所实现的功能如下：

人机交互，机器通过显示设备LED显示屏给工作人员提供各种信息，工作人员通过输入设备键盘或触摸屏给机器输入有关命令，实现人与机器的有效对话。

显示，将盾构当前运行状态和各种参数以某种形式实时、动态地显示在屏幕上。

更新，用各种最新数据实时更新系统的数据库。

诊断报警，通过对数据的实时监测和分析，可以及早地发现隐患和报警。

检索查询，借助长年的数据积累以及专家智能系统可以检索查询故障原因与维修方法。

2 系统总体结构

在线监测和远程诊断系统通过对盾构的关键部件的实时在线监测和远程监控，能够及时获取设备的状态参数，了解设备关键零部件的使用情况。本系统旨在将企业内，甚至行业内的专家资源整合起来，对盾构的维修和日常问题的解决提供专家级的经验和指导，并提供专家技能目录，员工遇到解决不了的技术问题，可以自己从系统中找到解决方案。这样能够大大提高员工解决问题的能力和企业的生产效率，并充分利用已有的经验、知识和技能，解决目前盾构施工中存在的现场维修能力差、故障解决周期长、直接影响施工进度的现实问题。系统整体设计如下图1所示：

图1 系统整体设计示意图

由图1可知，系统分为两大部分，即机载监控中心和远程监控与诊断中心。机载监控中心是由盾构机以及其上的嵌入式机载监控子系统组成。远程监控与诊断中心的主要功能是监控、预警、远程故障诊断等。本地机载和远程监控中心之间的通信可以采用光纤通信、无线电波通信和卫星通信等方式。

盾构机是由刀盘系统、推进系统、电气系统、润滑系统、螺旋机系统和注浆系统等组成的复杂机、电、液设备，拥有上万个零部件。根据对上海盾构公司近20年故障历史记录的分析，并综合考虑盾构中各部件对盾构施工影响的重要程度和维护成本，项目第一期选取刀盘驱动系统、液压系统和电控系统作为研究对象，实现数据采集和在线监测。

刀盘驱动系统检测关键部件包括主轴承、减速箱和主电机。作为盾构机核心部件之一的主轴承起着支撑盾构刀盘并使其回转切削土层的作用。其运行状态直接影响盾构的施工，一旦因故障停机，将影响施工进度，造成巨大的经济损失和严重的后果。造成主轴承损坏大多是人为引起，而不是零件已经达到使用寿命。而且主轴承在特别工况下出现早期失效的情况居多，这些特别工况包括：潮湿环境；泥沙进入轴承，加速了零件磨损；润滑油系统污染；侧载，造成轴承局部超载问题；锈蚀发展。另外由于主轴承转速低，低于1.0r/min，且受载小，因此分析轴承故障的现象时也要考虑润滑油是否进水、进沙等判断主轴承是否发生特别工况，以进行早期的预防。本系统监测主轴承运行状态的振动参数，拟在主轴承水平、垂直和轴向三个方向上安装专业的低频加速度传感器，采用加速度包络算法提取特征参数，由上位机屏幕显示轴承的振动频谱图，分析主轴承的趋势走向并判断是否出现故障。减速箱实现以一定的传动比来传递电机的输出扭矩，其常见故障为减速箱有异常声音和异常温升，这些均能引起异常振动。盾构刀盘的转动动力是由刀盘驱动液压回路提供，主驱动电机驱动主油泵为液压马达供油，一般盾构机上主电机有7对，共14台，因此主电机损坏将影响盾构施工进程。

根据盾构历史故障记录显示，电控系统故障超过95%以上均与传感器故障有关。现有盾构机安装有约300个传感器，由PLC控制系统控制操作，故障形式有两种情况：一是传感器已经损坏，无法读数，或者传感器显示的数值基本不变；二是由于各种原因，比如老化、恶劣环境下使用，使传感器传递数值偏离正常范围，出现较大误差，无法作为参考值。针对这两种故障形式，拟建立传感器正常运行时数值显示范围的蓝本作为对照，编写程序以查询方式检查各传感器传输数值是否跟蓝本有出入，考虑到干扰因素，规定有出入的次数作为程序判断该传感器出故障的条件。

盾构作为大型工程机械设备，它的刀盘系统、仿形刀系统、推进系统等都采用液压传动的形式，如盾构的向前移动需要依靠盾中的推进液压缸来实现，推进系统既要满足盾构推进力的要求，又要完成盾构推进速度、方位的控制。所以液压系统是盾构检测系统重点监测部分。根据盾构使用的历史故障记录显示，液压系统常见的故障有：液压系统漏油，泵故障，油马达故障，各种阀（如换向阀、溢流阀、单向阀等）故障。

由前面的说明分析可知，本系统异常复杂，涉及机械、电工电子、数据库、通信等领域，因此有必要将复杂的系统细化，进行模块化处理，以提高系统的可实现性与使用的灵活性。系统的模块化设计框图如图2所示。

图2 系统模块化设计框图

系统各模块主要分成硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括设备状态检测模块设计、控制器及外围电路模块设计；软件部分主要包括故障特征采集、传输、提取及保存的程序编制，各项功能数据库的构建，智能诊断程序编制，人机界面程序编制等。

3 机载子系统设计

图1中每台盾构机上机载监控子系统的功能按层次主要由四部分组成，如图3所示，其中需要解决的关键问题从底层到上层分别是：实时数据采集、数据采集接口与驱动程序的设计、数据库设计和查询预测算法的确定。

图3 机载监控与故障诊断子系统组成框图

下面以盾构的液压系统为例，具体说明一下此系统的设计过程。由于盾构机械作为世界上先进的大型施工设备，本身具有一定的检测功能，如液压系统的压力和流量检测。因此，我们主要解决液压油污染度和油温检测问题。

3.1 数据采集和传输

盾构施工中恶劣的工作环境条件使得其液压系统极易被污染，调查显示，液压系统中75%左右的故障是由油液污染引起的。盾构机液压油污染主要由泥土或金属颗粒物引起。现阶段油液污染度检测的主要手段有铁谱法、光谱法、称重法、显微镜比较法、颗粒计数法等。其中前4种方法其设备都是人工取样的离线检测，虽然准确度比较高，但成本高、周期长且受人为因素和环境因素的影响大。颗粒计数法虽然能够实现在线测量，但多数的颗粒计数器还是出自像美国HIAC这样的国外品牌，价格昂贵。由于盾构机械上有众多的液压系统和液压元件，考虑到技术经济性、应用前景及推广价值等方面，采用自动颗粒计数监测仪较昂贵，而且完全消除油液中颗粒是不可能的。根据Beer—Lambert吸收定律，本系统采用一种遮光式液压系统污染度在线监测设计方案。监测系统的工作原理如下所述。

当光照射到油液及固体颗粒污染物组成的悬浮液时，将出现夫琅和费衍射现象。光的一部分能量被吸收，另一部分发生散射，其余的则穿过悬浮液体，这三部分的比例与悬浮液中固体颗粒污染物的浓度有关。当一束光强为I0的平行单色光入射到污染油液中时，受到颗粒散射和吸收的影响，经过L距离后光强将衰减为I，入射光强I0和透射光强1之间遵守Beer—Lambert吸收定律：

I=I0e-τL

式中τ为衰减系数，与污染物的直径、尺寸分布、光源的波长、油液的相对折射率及被测油池管壁材料和温度有关。若已知光源强度与测得的衰减后的光强，就可以求得入射光通过被测油液的相对衰减率，而相对衰减率的大小能反应油液的污染程度。监测系统光电传感器工作原理如图4所示。

图4 光电传感器工作原理

当入射光波长及光强 确定后，接收光强 与油液的污染度有关，用光电转换元件将 转变为电压信号并加以处理，便可以得出油液的污染度。在系统调定后，随着工作油液污染度的增加，其饱和透光率越来越小，一定的电压值范围将对应某一污染度范围。对各种污染度等级的标准液压油分别进行试验，可得出液压油污染度与饱和透光率对应关系。

监测系统设计框图如图5所示（实线表示液压油路，虚线表示信号电路），将监测装置并联在泵站及压力控制回路中泵的出口。为了控制通过监测装置的油液的流速和流量，在装置的入口串入了调速阀，确保通过监测装置的油液流动处于层流状态。选取常用牌号油液，然后按ISO4406标准配制各污染度等级的标准油样，对各污染度等级悬浮液在室温下进行光电传感试验，得出油液透光率与污染度等级的关系曲线，从而确定油液污染度等级与智能光电传感器输出电压的关系，把此关系固化在系统ROM中。当液压系统运行时，泵排出的油液一部分通过监测系统，当油液污染度发生变化时，智能光电传感器的输出也随之变化。采样某时刻智能光电传感器的输出，送入微处理器经过数字滤波后通过查表便可确定油液的污染度等级，并通过LED显示。此外当油液污染度接近允许的最大值时，系统将会发出报警信号，提醒操作人员停机待修或进行其它相关处理。键盘用来选择油液品种、系统初始化等。

图5 监测系统组成框图

在液压系统中，输入功率往往要大于输出功率，从能量守恒定律角度推算，损失的能量转变为热量，被油液和液压元器件吸收，从而导致油温上升。根据有关文献记录，液压系统油温一般不超过55℃，当超过60℃时会影响液压油品质和机器的正常使用，另外由于盾构机油温上限联锁，当油温升高到设定的极限时，将会迫使盾构机停止工作等待油温下降，影响了工程掘进进度，因此液压油油温检测也是非常有必要。本系统拟设计一种油温自动监控系统，确保液压传动系统在正常温度范围内工作，如图6所示。

图6 油温自动监控原理

在液压油循环冷却散热装置前，安装2个自动电控油阀A阀、B阀，油温传感器在线监测油温，此传感器安装在油路中，直接检测液压油的实际温度，并将温度反馈给CPU智能处理单元，CPU智能处理单元将检测到的实际温度与设定温度（即理论设计温度）进行比较，再相应调整A、B、C阀的开度，当油温正常时，B阀工作，A阀关闭；当油温较高时，适当开启A阀，B阀适当关闭，设计时注意A阀、B阀的开启与关闭时，流量Q保持平衡，防止液压系统产生背压。当系统油温高时，A阀全开启，B阀关闭。如果油液循环全部经散热装置，油液温度还是高时，开大C阀或C阀全开，加大冷却介质循环流量，以保证正常油液工作温度。A阀，B阀，C阀的开启程度通过CPU智能处理单元控制，智能单元的命令的发出，来自温度传感器监测温度的高低，通过智能神经系统单元对比处理，实现动态热平衡温度即系统正常工作温度。

3.2 数据接口驱动

图7 故障树示例

针对相应关键部件设计相关传感器检测电路，设计数据I/O接口电路，并编制通用程序，实现对检测特征量采集、处理和存储等操作，以总线方式将采集数据存入上层数据库中。

3.3 中心数据库

实时存储盾构系统运行状态特征信息，中心数据库包括专家系统数据库、预警上下阈值数据库、设备数据基础数据库，同时实现与远程监控中心数据库同步更新。以及与盾构现有数据库如探地雷达数据库等相互融合和调用。

3.4 查询、预测及显示

本系统能在设备发生故障或将要发生故障时进行预警。另外用户可以随时查询本机状态、预警等信息。程序可以根据用户提供的故障现象，根据故障树分析法给出每层原因即中间事件，用户可以依据这些中间事件，层层检索直至找到底事件即故障的原因，并且程序也可以根据用户需要显示底事件的专家解决办法。

应用故障树分析方法（Fault Tree Analysis简称FTA）对故障诊断系统整体架构进行分析，并按照现象～故障～结构的顺序依次确定盾构故障的物理位置，生成故障树，示例如图7所示。

4 远程监控与诊断中心设计

通过有效通信手段，远程监控与诊断中心能够有选择地实时收集远程各台施工中的盾构的状态数据，分析和确定各台设备的当前工作状况。当现场设备发生故障或故障征兆，现场的维护人员难以对其作出诊断和维修时，通过网络与远端故障诊断中心建立连接，由远端诊断中心的设备专家和诊断系统对其进行诊断，在短时间内调动入网的所有资源，实现对设备故障的及时诊断与维修。远程监控中心的软件系统还提供盾构机工作状况统计功能和详细的查询功能，并能根据所收集到的数据，利用智能库信息预计指定盾构设备中所检测关键部件的使用寿命，在适当时间给出预警信息。

5 结束语

本文从一个具体项目出发，阐述了盾构机关键部件在线监测与远程诊断技术的总体研究设计。涉及到的关键技术有：系统模块化设计、状态信息的有效获取、盾构施工在线监测及远程诊断数据库管理、盾构施工故障智能诊断、盾构性能预测技术研究等。技术开发上，对于多传感器系统同步、数据接口及驱动程序编制、数据库设计等方面需要处理的问题，开发出设备状态实时监测和数据维护系统。预期的研究成果具有提高经济效益的作用和推广应用价值。

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TP273

A

1009-0134(2010)12(上)-0001-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).01

2010-06-17

赵炯（1963 -），男，江苏苏州人，副教授，博士，研究方向为计算机网络通信协议和物流自动化控制系统等。