隧道掘进机TBM主轴承系统的状态检测技术研究

陈 娜

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）是工程施工过程中的重要设备，而主轴承系统的性能直接影响整体设备的运行状态。主轴承系统具有自动化、精密化的特点，但是主轴承系统结构复杂，这就要求排除故障的设备管理人员具有丰富的检测技术，才能确保设备的有效管控。

1 TBM轴承结构及常见故障类型

1.1 主轴承结构

虽然TBM的生产厂家不同，但是主轴承结构大同小异。从外形来看，TBM的机械旋转体分为内圈和外圈两部分：内圈排列着一行行刀盘，在减速箱的驱动下，内圈依靠小齿轮的摩擦力旋转，外侧的大齿圈随之同步旋转，由此带动内圈的刀盘旋转；外圈的结构相对简单，由双半套圈组成。无论是内圈还是外圈旋转，都是以主轴承作为支撑力量。为了减少外来沙石进入机械旋转体，主轴承加装了内、外密封装置。由此可知，内圈、外圈、支撑架、驱动单元、圆柱滚是主轴承的重要组成部分，其中驱动单元的动力大部分来自液压或主电机，刀盘的推进则要依靠圆柱滚的力矩，各种机械共同作用驱动TBM运行。

1.2 常见故障类型

在TBM运转期间，存在各种不确定性故障。通过对损坏的主轴承的拆解和分析可知，压痕、擦伤、划伤类的故障概率较高，这对轴承的滚子造成严重损伤，而锈蚀、磨粒磨损等也是主轴承常见的故障类型。

（1）压痕。由于轴承内部密封不严，金属剥块、沙石小颗粒等很容易被卷入到轴承的接触面，经过滚子的不断挤压，接触面就会产生压痕。

（2）擦伤。主轴承由于缺水或缺润滑油造成干摩擦之后，各种零部件会产生不同程度的擦伤。

（3）划伤。如果圆柱滚出现了开裂现象，那么主轴承表面就会呈现刀刃状，在滚子的作用下其表面就会被划伤。

（4）磨粒磨损。由于轴承内部密封不严，沙粒很容易被带入到主轴承各零部件之内，从而造成主轴承的磨粒磨损。

（5）锈蚀。虽然主轴承具有良好的耐磨性，但如果长期处于闲置状态，主轴承表面会形成斑斑锈迹。另外，如果润滑油中渗入了水分，零部件也会被锈蚀。

2 TBM主轴承系统状态检测技术方案

2.1 状态检测的目的

主轴承是TBM的重要组成部分，出现故障后整个旋转体就会受到影响，因此，保证障主轴承不出现压痕、擦伤、划伤、锈蚀或磨损等故障，是TBM主轴承系统状态检测的最终目的。当然，这要求检测人员具有扎实的机械技术以及丰富的实践经验。

2.2 状态检测技术方案设计

主轴承系统结构复杂，故障现象也千差万别，因此，对其状态检测时关键是准确定位故障位置，并根据施工现场的环境条件对故障现象进行逐一排除。

（1）润滑系统监测技术方案。润滑油的黏度、清洁度是否符合轴承系统的运转要求，直接影响到滤油器是否会出现堵塞现象。对润滑系统进行监测，一是要强化温度管控，对润滑油冷却状态进行随时调节；二是要关注滤油器的堵塞情况，检测时最好采用电子检测手段，以便于对其进行动态化的管控。

（2）主轴承磨损状态检测技术方案。对主轴承磨损状态进行监测时，需要借助理化指标、清洁度等方面数据进行分析，这样才能准确判断和维护主轴承磨损情况。铁谱分析是主轴承磨损状态检测技术的重要手段，它包括两种类型的方案，一种是直读式，另一种是分析式。无论采用何种方案，都能准确定准故障位置，并对主轴承的磨损程度以及使用寿命进行精准检测，从而提升TBM的整体性能。

（3）主轴承磨损程度的整体检测技术方案。对于主轴承元件的损坏程度，最佳的检测技术方案是要善于借用振动信号，这样就可以对轴承的轴向间隙磨损程度进行准确定位。当然，工业内窥镜也是检测主轴承元件的损坏程度的重要方法。

（4）主轴承密封情况的整体检测技术方案。主轴承密封处的液体流动状态如何，直接关系到主轴承不带入砂粒、灰尘、水等物质，而密封处液体流动情况的检测存在一定的技术难度，因此，关键是对润滑油状态进行定期检测和光谱分析。一般来说，Si和Al的实际含量是分析油质结构的重要技术指标，对油样进行光谱分析的周期约为15 d一次。

3 TBM主轴承系统状态检测技术关键要素

3.1 检测周期

TBM主轴承系统的不同的部位，需要采取不同的检测周期。首先是对油质情况的检测要采取每日观察、定期分析的方法。所谓的定期分析，指的是对油质的清洁度进行检测分析，并对照相关指标参数，分析轴承的理化数据，这样才能准确判断油质状态，以确定对油箱进行换油的时间、换油数量，确保主轴承有足够的润滑油。其次，对主轴承的磨损程度的检测，一般以15 d为一个周期，铁谱分析是主轴承磨损状态检测技术的重要手段。最后，要强化在线实时监测手段的运用，当然这需要开发相关的信息化管理平台，进而通过信息技术实现故障的在线检测。

3.2 诊断标准

3.2.1 利用绝对判断标准对其进行监督和管理

TBM主轴承涵盖多个零部件，每个零部件的表征状态值和判断标准都存在差异，这就要求对所有零部件采用不同的判断标准，这样才能从整体上把握和管控设备的整体运行状态。从TBM主轴承的不同构成部件来看，每个元器件的运转参数有不同的标准。以润滑泵的技术参数为例，其设计标准是180 L/min，在其处于运行状态时，0.5～0.7 MPa的压力较为适宜；设备的温度也有一定限制，如果设备的福斯CLP460运行温度超过70 ℃，那么就要引起关注，当温度达到90 ℃的临界点时就要尽快采取补救措施，快速更换设备的润滑油。当然，更换的润滑油须符合设备运行要要求，因为TBM主轴承系统各处零部件对油品的质量要求较高，为了确保脂泵的处于正常工作状态，并具有0.5～0.7 MPa的压力，那么其液压油则要求：B20，齿轮油为福斯CLP460，主轴承的密封脂是LAW25等。

3.2.2 利用相对判断标准对其进行监督和管理

TBM主轴承的参数标准，在初始运行阶段运行之后，其所要求的工作压力、温度环境等需要采用不同的标准进行检测，也就是在设备运行期间，对不同的工作时间节点的参数进行分段标注，不同的时间节点采用不同的参数，以确保设备始终处于正常的工作状态。振动参数、冲击力以及油品质量标准是衡量主轴承系统性能状况的重要指标，从润油品的参数来看，污染度、黏度、清洁度、水分含量4个参数需要重点加以检测。

从TBM主轴承系统的整体运行情况来看，也需要根据设备运行不同的运行节点进行不同的检测和管控手段。以主轴承间隙为例，一般要以设备在出厂时的运行参数作为管控标准，在主轴承设备运行之后，随着磨损程度的不断加剧，设备的间隙也会逐渐加大，当其间隙达到1.7 mm以后就需要采取检修措施，并根据设备的磨损程度对更换相关元器件。

3.3 诊断措施

（1）铁谱分析和光谱分析。铁谱分析和光谱分析是检测设备磨损程度的重要措施，在对TBM主轴承系统磨损状态进行分析过程中，大多数情况下是抽取部分数据，然后对其进行分析。铁谱分析可以对设备的不同运行节点的磨损程度进行检测，磨合阶段、常规化磨损阶段以及剧烈磨损阶段的参数值各不一样，但通过铁谱分析便可全面掌握TBM主轴承系统的整体情况，包括各个运行节点正常线、警告线以及危险线都可以进行精准测定。光谱分析的技术则更为复杂，首先需要采集样本数据，然后采用线性回归的测定方式，对正常线、警告线以及危险线的数值进行测定，并确保磨损元素等浓度的准确性。

（2）电涡流测试。主轴承内线圈具有信号传输功能，因此，为确保传输信号有效输出，就需分析电涡流传感器结构特征，使其接口阻抗数值符合设备运行状态。如果这一数值超过了设计参数或者电涡流传感器的信号接口超脱了分界区域，就表明主轴承系统出现了故障，需要迅速检测滚道结构情况并对故障进行处理。

（3）内窥镜测试。在进行内窥镜测试时，主要是利用内窥镜检测系统，在TBM主轴承系统正上方设置窥镜孔，重点对齿圈以及设备中的滚道等进行及时观测和分析。

4 结束语

TBM主轴承系统的故障现象复杂多样，因此，在结其进行技术检测时，首先要设计科学合理的检测技术方案，然后根据主轴承不同部件的检测周期、检测标准，采用不同的检测措施，以排除主轴承系统的各种故障，从而确保TBM的正常运行。