毛本慶 馬婧婧
中鐵十八局集團宣傳部 天津市
TBM(Tunnel Boring Machine)即全斷面隧道掘進機,是目前長大隧道施工最有效的大型綜合性施工機械。1997年我國首次引進兩臺德國WIRTH公司生產(chǎn)的TB880E掘進機,分別用于秦嶺隧道Ⅰ線進口和出口段施工,該掘進機最突出的特點是集快速、安全、同步和系統(tǒng)性于一機。TB880E掘進機刀盤直徑8.8m,整機長256m,由主機、連接橋和后配套3大部分組成,具體包括刀盤及其驅(qū)動系統(tǒng)、ZED激光導(dǎo)向、通信、巖石支護、通風除塵與運輸系統(tǒng)。操作系統(tǒng)及整機各關(guān)鍵部位均由PLC控制。
秦嶺隧道使用德國WIRTH公司TB880E型TBM施工,機上配備5臺TAMROCK鉆機,安裝在刀盤護盾的后部,在隧道頂部進行鉆孔作業(yè),對隧道進行臨時支護??梢哉fTAMROCK鉆機是TBM安全掘進的保護神,其工作性能的好壞直接關(guān)系到TBM能否安全、順利掘進以及工程質(zhì)量能否達到設(shè)計要求,因此對其日常維護保養(yǎng),保證鉆機處于最佳工作狀態(tài)顯得尤為重要。
5臺鉆機配有4臺HL300S型和1臺THC500型鑿巖機,共同特點是均采用釬尾油氣潤滑,這種潤滑的作用有3點:(1)可以潤滑各滑動副。(2)可以在鑿巖機內(nèi)形成壓力密封,防止外部的灰塵和水進入。(3)可在釬尾與沖擊活塞錘擊面形成油膜,防止活塞干打。
TBM鉆機釬尾油氣潤滑系統(tǒng)如圖1所示。TBM上的壓縮空氣經(jīng)過截止閥進入水分離器,除去空氣中所含的水分,在加油器的分配閥中形成潤滑油氣后經(jīng)油氣管1輸送到各鉆機的釬尾氣沖洗閥。在此,如果鉆機需進行鉆孔作業(yè),PP(信號油路)接口有信號油通過,沖洗閥開啟,潤滑油氣從執(zhí)行端口A通過油氣管2進入鑿巖機內(nèi)部,實現(xiàn)釬尾潤滑。
圖1 TBM鉆機釬尾油氣潤滑系統(tǒng)
與TBM配套的TAMROCK鉆機釬尾油氣潤滑沒有自動監(jiān)測和保護裝置,在TBM試掘進期間,因組裝時一鉆機釬尾潤滑氣管(即圖1中油氣管1)漏接,至使在3天內(nèi)連續(xù)打壞兩臺鑿巖機,均為沖擊活塞早期損壞。以后又在一次機械修理中,因釬尾氣源被移做它用而未能及時恢復(fù),使一臺鑿巖機出現(xiàn)同樣故障,另一臺鑿巖機內(nèi)部進入水和灰塵,造成鑿巖機內(nèi)部很多零件早期損壞。鑒于此,必須對TAMROCK鉆機釬尾潤滑系統(tǒng)安裝1套自動保護裝置,以在鑿巖機失去釬尾油氣潤滑時能實現(xiàn)自動停機。分析鉆機釬尾油氣潤滑和電氣控制原理圖,構(gòu)思了3種解決方案。
在釬尾油加油器分配閥上提取壓力信號(圖2),將其引入壓力開關(guān),由此信號控制壓力開關(guān)動作,從而產(chǎn)生一個邏輯判斷,當氣壓小于一定值時,啟動緊急停機開關(guān),使鉆機停止工作。由于釬尾氣額定壓力為0.45MPa(4.5bar),且各鉆機單元釬尾油氣的開啟對此處影響不大,因此壓力開關(guān)動作壓力P0應(yīng)設(shè)在0.35~0.4MPa(3.5~4bar)范圍之間,可根據(jù)工地已有備件選用,既可監(jiān)測有無氣壓,又可監(jiān)測壓力是否在額定值的許可范圍之內(nèi)。口上安裝測壓頭,將壓力信號引入壓力開關(guān)(常開型),壓力開關(guān)與鉆機緊急停止開關(guān)(常閉型)串聯(lián)。在此串入緊急停止開關(guān)而非常規(guī)起動開關(guān)的好處是在緊急停止開關(guān)動作后,TBM操作室能顯示報警信息并需得到確認消除后才能重新啟動鉆機。
當P<P0時,壓力開關(guān)斷開,緊急停止開關(guān)斷開,使鉆機緊急停止或不能啟動,TBM操作室顯示報警信息;
當P>P0時,壓力開關(guān)閉合,緊急停止開關(guān)復(fù)位,TBM操作室確認后消除故障信息,表示壓力正常,鉆機可以工作。
此方案的特點是能監(jiān)測鉆機釬尾油氣潤滑系統(tǒng)的原始壓力,簡便易行,只需一套裝置就能對整個鉆機系統(tǒng)的釬尾潤滑進行監(jiān)測和保護,但是對于支路上即分配閥以后的油氣管路出現(xiàn)的氣路故障(泄漏、堵塞)不能起到保護作用。
在釬尾氣沖洗閥測壓頭WPM(此測壓點測量的是進氣口P的壓力)處提取壓力信號,以此控制壓力開關(guān)動作,通過緊急停止開關(guān)實現(xiàn)自動停機。沖洗閥位于操作臺側(cè)面,直接控制鑿巖機釬尾潤滑油氣的開啟,最能反映鑿巖機釬尾潤滑狀況。
圖2 方案1
圖3 方案2
如圖3,控制原理同方案1,但在圖3中增加一個復(fù)位按鈕,以備緊急停機之后,能重新啟動鉆機,使鉆機復(fù)位并方便檢查。因開啟釬尾油氣時,會產(chǎn)生一定的壓力降,故其動作壓力不能太高。經(jīng)過試驗,可將壓力開關(guān)的臨界值P0設(shè)為0.15~0.2MPa(1.5~2bar)。實際工作中,為防止鉆機正常情況下壓力開關(guān)誤動,可選較小值。
此方案能較好的監(jiān)測獨立鉆機的釬尾油氣潤滑狀況,對鑿巖機是否正常工作起到較好的監(jiān)測保護作用,且裝置簡單易行。但每個鉆機單元都需要配備一套,成本相對較高,且對沖洗閥出現(xiàn)的諸如閥芯卡死等故障不能實現(xiàn)自動保護。
TBM本身相當于一個自動化工廠,有一套完整的PLC控制系統(tǒng)。因此如果在其主PLC控制器中加入控制模塊,將釬尾潤滑氣壓力狀態(tài)通過壓力傳感器輸入主PLC控制器,通過比較、判斷,以監(jiān)測當前釬尾潤滑氣工作狀態(tài)是否正常,并以此決定是否終止鉆機工作,并在TBM操作室顯示故障信息,以提醒TBM司機及機械維修人員注意,有助于及時發(fā)現(xiàn)故障并能迅速處理,避免重大事故的發(fā)生,保證施工的順利進行。具體設(shè)想如圖4所示。
圖4 方案3
在每個操作臺的沖洗閥油氣出口A上安裝1個測壓3通,引出壓力信號P2,將其引入壓力傳感器S2;再從信號油路入口PP安裝一測壓3通,引出另壓力信號P1,將其引入另一壓力傳感器S1。由于釬尾氣的開啟是通過信號油路PP來控制,因此正常情況下當沖洗閥有信號壓力P1,額定壓力為2.7MPa(27bar),設(shè)定值為2.3MPa(23bar)時,釬尾潤滑油氣開啟,由于鑿巖機有一定的排氣量,故P2壓力達不到0.45MPa(4.5bar),實際控制中將 P2值設(shè)定為 0.15~0.2MPa(1.5~2bar);當 PP 口信號壓力消失時,釬尾潤滑油氣沖洗閥關(guān)閉,P2壓力約為0。設(shè)計控制模塊流程圖如圖5所示。
方案3比較復(fù)雜,所需的傳感器較多,且涉及到PLC編程控制,需經(jīng)TBM生產(chǎn)廠家WIRTH公司的同意許可方可實施,需要較長的準備時間,從短期來說,不宜在工地現(xiàn)場實施。但能直接監(jiān)測進入鑿巖機內(nèi)部的釬尾氣壓是否正常,因此保護更全面,并能夠顯示故障信息,使之能得到及時處理,保證施工的順利進行,具有一定的可行性。
圖5 控制模塊流程圖
以上3種方案,所用裝置依次復(fù)雜,所花費的成本也漸高,但保護性依次更好,各有優(yōu)缺點。根據(jù)工地實際情況,錨桿鉆機現(xiàn)已處于穩(wěn)定的工作時期,釬尾潤滑系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常,因此單個鉆機釬尾潤滑出現(xiàn)故障的可能性很小。相反,由于釬尾潤滑油需每天檢查、添加,就必須對其進行切斷氣源,卸壓。為防止人為因素(如添加完釬尾潤滑油之后,未及時打開氣)而造成鑿巖機損壞,且根據(jù)幾次鑿巖機發(fā)生的重大事故來看,人為因素造成的事故為其主要因素,因此采用第一種方案監(jiān)測釬尾油氣氣源壓力,能滿足現(xiàn)場需要且簡便易行。第二種方案亦較簡單,能對獨立鉆機單元進行有效保護,但需對每個鉆機單元配備一套保護裝置,在條件允許的情況下可以優(yōu)先考慮。第三種方案相對復(fù)雜,涉及到PLC控制及編程等技術(shù)問題,需經(jīng)WIRTH公司同意方可實施,但其保護更加可靠,可待日后時機成熟時采用。
實施中采用第一種保護方案,在沒有合適的壓力開關(guān)的情況下,用一動作壓力為0.4MPa(4bar)的壓差開關(guān),改裝成一壓力開關(guān),組裝成保護系統(tǒng)。投入使用后,在幾個月的施工中,防止了幾起潛在事故的發(fā)生,如空壓機意外停機,釬尾氣氣閥關(guān)閉后未及時開啟,沒有發(fā)生因釬尾油氣潤滑系統(tǒng)故障而導(dǎo)致鑿巖機損壞事故,證明此保護裝置的實施成功而有效。