楊永剛

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

在城市化的進(jìn)程中，地鐵的建設(shè)也逐漸惠及到多個(gè)城市。為了提高地鐵施工的工作效率，盾構(gòu)機(jī)被廣泛應(yīng)用于施工過(guò)程中。施工中為確保盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)行，需要對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與維修。鑒于此，有必要研究地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障與狀態(tài)檢測(cè)，促使地鐵工程的順利進(jìn)行。

1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)施工區(qū)，使用的盾構(gòu)機(jī)類型為直徑6.25 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，數(shù)量為2臺(tái)。整個(gè)盾構(gòu)施工區(qū)間單線長(zhǎng)度可達(dá)3151 m，水平運(yùn)輸線可達(dá)3530 m。施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件：中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，巖石的穩(wěn)定性能較強(qiáng)，可執(zhí)行盾構(gòu)操作。單線最高每天可掘進(jìn)16環(huán)。施工中準(zhǔn)備MG45/16門(mén)式起重機(jī)1臺(tái)，MG16/5門(mén)式起重機(jī)1臺(tái)，海瑞克盾構(gòu)機(jī)2臺(tái)。

2 地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障與狀態(tài)檢測(cè)的意義

隨著盾構(gòu)設(shè)備的引入，越來(lái)越多的研究學(xué)者將研究重點(diǎn)放在該設(shè)備的施工工藝上。在專家學(xué)者的研究中，盾構(gòu)設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)已逐步應(yīng)用于地鐵項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中。結(jié)合高科技信息技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)不僅可以加快故障的辨別診斷速度，而且還能提升地鐵建設(shè)的信息化水準(zhǔn)[1]。

盾構(gòu)機(jī)是一種大型綜合設(shè)備，既涉及到機(jī)械工作部分、液壓工作還涉及到電氣控制領(lǐng)域的工作。因而操作起來(lái)比較復(fù)雜，再加上整個(gè)地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)空間有限，很容易引發(fā)設(shè)備的使用故障。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障不僅會(huì)增大資金的投入，使施工成本增大，還影響了施工效率，拖慢了施工進(jìn)度。鑒于此點(diǎn)，研究盾構(gòu)設(shè)備的故障檢測(cè)就顯得尤為重要。不僅可以提升故障的辨別效率還能對(duì)設(shè)備出現(xiàn)故障情況做出相應(yīng)的預(yù)測(cè)判斷。

3 地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障與狀態(tài)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建立知識(shí)庫(kù)

從地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測(cè)的功能來(lái)看，進(jìn)行故障辨別與檢測(cè)的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是獲取知識(shí)并將其運(yùn)用到推理分析進(jìn)而判定故障類型的復(fù)雜過(guò)程。鑒于此，要想確保盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測(cè)過(guò)程的順利運(yùn)行一個(gè)很重要的前提是依靠強(qiáng)大的知識(shí)庫(kù)。該系統(tǒng)可以從知識(shí)庫(kù)中提取盾構(gòu)設(shè)備故障的癥狀去對(duì)應(yīng)相符合的故障類型，進(jìn)而找出合適的解決方案選擇適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)檢測(cè)故障設(shè)備。要想使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確，需要建立一個(gè)龐大的知識(shí)庫(kù)，將盾構(gòu)設(shè)備所遇到的各種故障類型及檢測(cè)事故全部錄入到知識(shí)庫(kù)中，方便維修人員調(diào)取有用的信息。但在實(shí)際擴(kuò)充過(guò)程中，有很多復(fù)雜知識(shí)的錄入操作相當(dāng)困難增加了相關(guān)人員的工作負(fù)擔(dān)。鑒于此，相關(guān)從業(yè)人員需要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行取舍。在設(shè)備檢測(cè)過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的檢測(cè)方法，提高檢測(cè)的有效率[2]。

3.2 設(shè)計(jì)推理機(jī)

在盾構(gòu)設(shè)備故障檢測(cè)系統(tǒng)中不可或缺的一部分就是推理機(jī)。它可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。換言之，推理機(jī)會(huì)根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備故障系統(tǒng)檢測(cè)出的故障信息，再結(jié)合維修人員輸入的數(shù)據(jù)信息，綜合考慮，再調(diào)出知識(shí)庫(kù)中所儲(chǔ)存的知識(shí)，選擇合適的檢測(cè)方式，對(duì)整個(gè)盾構(gòu)設(shè)備的故障情況進(jìn)行分析，初步評(píng)估出本次故障的類型，在這一基礎(chǔ)之上進(jìn)行推理，找出設(shè)備產(chǎn)生故障的原因，完成故障檢測(cè)?？紤]到地鐵盾構(gòu)設(shè)備出現(xiàn)故障并不是一種因素作用的結(jié)果，而是多種因素共同作用的結(jié)果，而且同一種癥狀的出現(xiàn)可能對(duì)應(yīng)多個(gè)原因分析，因而在推理盾構(gòu)設(shè)備故障檢測(cè)分析的過(guò)程中要做好權(quán)衡。為了盡快排查出地鐵盾構(gòu)設(shè)備故障類型，迅速找出產(chǎn)生故障的原因并匹配出合適的解決方案，應(yīng)該盡可能的制定出與每一種故障類型相匹配的故障消解對(duì)策，產(chǎn)生故障類型與解決方案優(yōu)先匹配，以此來(lái)確保盾構(gòu)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的匹配效率。

3.3 基于實(shí)時(shí)參數(shù)

基于實(shí)時(shí)參數(shù)構(gòu)建地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障檢測(cè)系統(tǒng)需要依靠傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的監(jiān)控。根據(jù)傳感器的特征，可以從多種源頭上搜集數(shù)據(jù)信息，建立起一套基于實(shí)施參數(shù)的推理體系，可對(duì)監(jiān)控信息進(jìn)行故障分析。當(dāng)實(shí)時(shí)模擬量或者開(kāi)關(guān)量出現(xiàn)異常時(shí)，傳感器會(huì)將異常的數(shù)據(jù)信息傳遞到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，之后通過(guò)顯示屏，維修人員會(huì)了解到系統(tǒng)的異常之處。根據(jù)反饋回來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)人員可以將此信息傳遞到推理機(jī)上，輔助展開(kāi)推理。接口會(huì)將推理機(jī)獲取的最終故障原因傳遞給檢測(cè)人員，并附加相對(duì)應(yīng)的解決方案。若獲取到的原因不是最終故障原因，那么系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟模糊推理體系，得出進(jìn)一步的故障原因分析。二者進(jìn)行原因匹配，取得造成故障的最終原因，以此來(lái)確保地鐵盾構(gòu)故障解決得更為順利[3]。

就目前的地鐵盾構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)來(lái)看，絕大多數(shù)是液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。換言之，在地鐵設(shè)備中液壓系統(tǒng)是相當(dāng)重要的一部分，可以稱得上是整個(gè)盾構(gòu)設(shè)備的中樞系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，修復(fù)起來(lái)難度系數(shù)也較高。鑒于此，液壓系統(tǒng)的故障檢測(cè)應(yīng)作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

3.4 盾構(gòu)機(jī)故障機(jī)理

（1）液壓泵故障機(jī)理。整個(gè)液壓系統(tǒng)重要的動(dòng)力來(lái)源就是液壓泵。以海瑞克盾構(gòu)機(jī)的液壓泵分析為例（圖1）。該盾構(gòu)機(jī)的軸向柱塞泵是斜盤(pán)式，組成部分相對(duì)復(fù)雜。此外不同類型的激勵(lì)力產(chǎn)生在液壓系統(tǒng)的運(yùn)行中，這些激勵(lì)力會(huì)產(chǎn)生振源力。

產(chǎn)生振源力的形式有2種情況：①摩擦產(chǎn)生的振源，可能是滑靴與斜盤(pán)接觸面的摩擦，缸體與配油盤(pán)的摩擦；②沖擊產(chǎn)生的振源，可能是滑靴沖擊斜盤(pán)或回程盤(pán)產(chǎn)生的振源。這些振源所對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息向外傳遞的媒介是柱塞泵。

傳輸方式有2種：①金屬部件將信息傳遞到殼體和機(jī)座，造成這兩者產(chǎn)生異常的振動(dòng)。②壓力借助流體傳遞到壓力油通道，以形成壓力沖擊和油道系統(tǒng)的擺動(dòng)。③氣體用作傳輸介質(zhì)，振動(dòng)傳遞到空氣中，產(chǎn)生噪聲。

圖1 海瑞克盾構(gòu)機(jī)

（2）液壓回路故障機(jī)理。液壓系統(tǒng)在閉環(huán)回路中可能出現(xiàn)的故障類型：①液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因在于壓力異常，由于壓力值的不穩(wěn)定性使得整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)失壓的狀況；②液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障產(chǎn)生的原因在于油溫出現(xiàn)異?；蛴鸵翰粔蚯鍧嵱须s質(zhì)，使得整個(gè)油液的規(guī)格并不符合相關(guān)指標(biāo)規(guī)定；③液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因在于液壓油缸運(yùn)行不正常，使得整個(gè)執(zhí)行元件出現(xiàn)了問(wèn)題；④液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因是液壓系統(tǒng)外泄或液壓系統(tǒng)內(nèi)泄。

（3）液壓系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)以及故障診斷。盾構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)造比較復(fù)雜，相對(duì)來(lái)說(shuō)體系較大，很多油路的流通都受到該系統(tǒng)的控制。鑒于此，液壓系統(tǒng)的檢測(cè)要運(yùn)用多種方式，以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。液壓系統(tǒng)的中樞是液壓泵，因而在盾構(gòu)機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行中液壓泵的工作強(qiáng)度較大，很容易發(fā)生各種故障?；谏鲜鰞?nèi)容，液壓泵的運(yùn)行狀態(tài)是否良好直接影響著整個(gè)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行效率，故而需重點(diǎn)關(guān)注液壓泵的檢測(cè)。當(dāng)液壓泵工作狀態(tài)正常時(shí)，液壓泵產(chǎn)生的能量既有高倍頻又有基頻，二者之間沒(méi)有太大的差異。當(dāng)液壓泵工作狀態(tài)異常時(shí)，液壓泵產(chǎn)生的能量主要是基頻?？山柚跁r(shí)域統(tǒng)計(jì)表來(lái)輔助檢測(cè)，獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)。液壓泵運(yùn)行正常時(shí)，各大時(shí)域指標(biāo)、頻譜圖均處于正常范圍，沒(méi)有異常現(xiàn)象[4-5]。

（4）液壓系統(tǒng)油液的檢測(cè)。液壓系統(tǒng)油液的檢測(cè)方式有3種形式：①鐵譜檢測(cè)，按其讀取方式的不同又可分為直讀式和分析式鐵譜。②理化性能指標(biāo)檢測(cè)，主要是用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)黏度值、污染程度和含水量，其含水量最高不得超過(guò)0.001，運(yùn)動(dòng)黏度值需達(dá)到4.54×10-5m2/s（40℃）。③光譜檢測(cè)，這種檢測(cè)方式鋅、銅、鐵在油液中的含量。此外，還可以根據(jù)油液的正常線、警告線和報(bào)警線的位置來(lái)判定油液的檢測(cè)情況。取得3項(xiàng)數(shù)據(jù)值之后借助于計(jì)算機(jī)分析，取得油液檢測(cè)擬合線。根據(jù)擬合線顯示的變化情況分析液壓系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵施工的安全性很大程度上取決于地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測(cè)工作的開(kāi)展情況。鑒于此，相關(guān)的工作人員需在明確地鐵盾構(gòu)設(shè)備狀態(tài)故障與檢測(cè)工作重要性的基礎(chǔ)之上，分析故障檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，積累施工經(jīng)驗(yàn)，增加盾構(gòu)施工的安全系數(shù)。