TBM机械工作原理与故障监测实用技术

摘 要：机械设备故障监测技术是设备管理现代化的一种重要手段，对保证机械设备安全可靠地运行，发挥其最大的设计能力和经济效益具有重要意义。以TBM大型机械设备为对象，详实介绍了TBM的工作原理和故障监测实用技术手段和方法，可为隧道施工中TBM的应用提供参考。

关键词：TBM掘进机；工作原理；故障监测；实用技术

TBM机械由液、电、集三个方面于一身，造成其使用具有流水、工厂等工作特点，其施工环节中的各施工工序前后相关，密切联系。这样其在使用过程，如果某一结构部分出现问题，会影响整个机械的使用，甚至造成機械停机瘫痪，造成施工停工，影响工程进度和效益，对施工企业造成很大的损失。因此，为保证TBM机械设备的可靠运行，延长其使用寿命，对TBM机械设备的故障监测和工作原理进行系统的掌握是十分必要的。

1 TBM机械工作原理

TBM机械工作时，在机械动力带动作用下，推动盘形滚刀挤压工作面的岩体，该盘形滚刀放置在刀盘上，刀盘在外力作用下发生旋转，这样盘形滚刀一边随着刀盘中心轴发生旋转，一边绕自身轴线发生旋转，随着刀盘上施加的越来越强大推力和扭矩的共同作用下，在固定的掌子的面同心圆切缝上，滚刀不停的滚动，当滚刀的推力大于同心圆上的岩石的抗压强度时，同心圆上的岩石就会被盘形滚刀不停的压碎，随后岩石被盘形滚刀压入，如此作用下，开挖面的岩石不停的被盘形滚刀挤压破碎裂，形成多个不同的同心圆开挖槽，如此往复，开挖岩石面的开挖槽的深度不断加深，在开挖岩石表明产生越来越多和越来越深的表面裂纹，最终，使开挖面岩石收到的外力大于其拉伸和剪切强度，开挖区的岩石被削成薄片而脱离。TBM机械破碎岩体的工作原理见图1。在开挖施工时，通过TBM的机械支撑系统，TBM机械的主机被牢固地安置于施工开挖隧洞的墙壁上，这样主机就能够承担TBM机械的推力和刀盘扭矩的反力。TBM机械的推进油缸支撑在主机支撑系统上，为刀盘提供推力，刀盘被不停的推动，从而不断的破碎破岩。开挖面脱离的岩石在洞的底部经旋转的刀盘被送入刀盘上的铲斗，通过刮板被输送到主机内的皮带机上，再经过主机皮带机，破损岩石被运送到配套的皮带机上，最后通过轨道列车将破碎岩石运送到洞外。

图1 TBM机械破碎岩体原理

当采用单护盾在软弱围岩地层掘进施工时，不再使用主推进和支撑系统，通常把伸缩护盾设置在收缩的地方，刀盘掘进时，其反扭矩由围岩和盾壳之间的摩擦力供给，由管片作为辅助推进油缸支撑，提供刀盘的推力，安装管片不能与TBM的施工掘进同时进行，在这种情况下，TBM施工作业循环是：开挖掘进施工-回收辅助油缸-管片安装-再开挖掘进施工；当围岩好，稳定性强时，TBM机械采用双护盾掘进施工方法，把撑靴紧撑在洞壁上以为主推进油缸提供反力，推动TBM机械前进，反扭矩油缸安置支撑盾上，为TBM机械刀盘提供反扭矩，安装管片与TBM的施工掘进同时进行，在这种情况下，TBM机械施工作业循环是：管片安装和施工开挖掘进-收回撑靴换步-再支撑-管片安装和施工开挖掘进。

2 故障监测实用技术

TBM机械由多台单独设备综合组，在施工状态监测时，按照监测对象对停机的影响程度和其在施工中的重要性两个方面来控制监测的重点。考虑到关键是TBM机械的推进系统和主机刀盘驱动及控制系统，因此，PLC控制系统、主轴承、主机液压系统、主变速箱和主电机是TBM机械监测的重点。考虑到通风和除尘直接影响施工作业环节和施工作业人员的身体健康，因此还应将通风除尘系统作为监测重点。此外，考虑到碎石都是通过后配套皮带运输机运出洞外的，该设备如果出现故障，将直接导致开挖掘进的施工停工，所以，还应将皮带运输机作为监测重点。除次之外，牵引机车、混凝土输送泵、仰拱吊机、喷射机械手、材料吊机、水泵电机、翻碴台、空压机、拖拉系统等其他设备在监测时也应该考虑。TBM机械目前是大型先进的施工机械，其自带有主电机电压、各润滑系统油位、流量、各液压系统压力、推进油缸位移和压力、刀盘扭矩、电流、温度和转速等在线监测功能，操作主司机能够由PLC控制反馈系统得到相关信息，但因为TBM机械结构系统复杂繁多、庞大，通过在线监测只能对其设备的重点关键部件的部位参数实现监测，其他重要设备参数、关键设备只能靠专业检测人员进行离线监测。

2.1 油液分析

对液压系统、主轴承、润滑系统、减速箱、主泵站等应进行油液分析检测。由于如果油液取样不当会对分析造成误导，合理的进行油液取样是进行油液分析的前提和基础。油液取样可从油箱中取样，取油时应把取油管放入邮箱油位面下一半深的地方；但油液取样最好是从回油油路中取样。取油样应选取在热机状态，应保证油样清洁，已保证油中的微粒分布均匀，同时应该保证TBM机械运转不少于半个小时。要求油样运动粘度，水分含量不超过0.1%，NAS级别不超过NAS9，在40℃时的变化率应不超过±10%，机械杂质含量不超过0.1%。在进行油样的污染度检测前，先查看应滤膜上的污染颗粒分布是否均匀，如果不满足均匀条件，则统计不能进行，应重做滤膜。对油样进行铁谱分析，利用油样中的磨粒尺寸大小、成分、表面颜色、形态特征等分析结果来判定机械设备的磨损程度、工作状态、磨损类型，利用对磨粒来源的分析结果判定机械的磨损部位；按照油样中各种元素发射或吸收光谱的差异，通过对油液进行光谱分析来确定油液中磨粒的含量和成分，最后根据结果来确定相应零件的磨损状况，判断对设备的故障情况。

2.2 红外温度检测

反应速度快、空间分辨率高、具有不接触式测温、测温范围大、灵敏度高等是红外温度检测的特点。为早期检出TBM机械设备状态劣化倾向和热异常，对TBM机械的定点部位进行周期性的红外温度监测。通过参考专家的经验，对TBM机械设备安装工艺、维修和运行状况等各个情况的概括分析等，就可以逐步确诊出TBM机械设备的故障程度、性质和部位，最终实现TBM机械设备寿命和故障发展趋势的预测。

2.3 振动监测

为实现TBM机械设备故障诊断和状态评估，采用振动测试仪记录、分析和拾取动态信号，对被检测TBM机械设备的频谱图形和振动能量测试进行分析，得到TBM机械设备故障特征频率，从而判定TBM机械设备故障产生的原因和部位。应用分析软件，进行局部故障的分析判断，是转动机械轴类及轴承系统方面的故障诊断最有效的方法，转动机械故障见表1。

3 结束语

详细介绍了TBM机械的工作原理和故障监测实用技术手段和方法。TBM是多台设备组成的综合体，施工中要连续或定期地对TBM机械设备的故障进行诊断监测，按照故障诊断监测结果，在TBM机械设备失效前诊断和检测出所存在的故障，以减少备件维修和消耗工作量，防止因检修而出现的人为故障，从而使维修费用降低，以延长TBM机械设备的使用寿命，减少维修时间，提高生产效率。

参考文献

[1]张碧波.设备状态监测与故障诊断[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]韩亚丽.TBM状态监测与故障诊断[J].施工技术，2003（5）：31-33.

作者简介：张翠娟（1981-），硕士，讲师。