TBM機械工作原理與故障監測實用技術

摘 要：機械設備故障監測技術是設備管理現代化的一種重要手段，對保證機械設備安全可靠地運行，發揮其最大的設計能力和經濟效益具有重要意義。以TBM大型機械設備為對象，詳實介紹了TBM的工作原理和故障監測實用技術手段和方法，可為隧道施工中TBM的應用提供參考。

關鍵詞：TBM掘進機；工作原理；故障監測；實用技術

TBM機械由液、電、集三個方面于一身，造成其使用具有流水、工廠等工作特點，其施工環節中的各施工工序前后相關，密切聯系。這樣其在使用過程，如果某一結構部分出現問題，會影響整個機械的使用，甚至造成機械停機癱瘓，造成施工停工，影響工程進度和效益，對施工企業造成很大的損失。因此，為保證TBM機械設備的可靠運行，延長其使用壽命，對TBM機械設備的故障監測和工作原理進行系統的掌握是十分必要的。

1 TBM機械工作原理

TBM機械工作時，在機械動力帶動作用下，推動盤形滾刀擠壓工作面的巖體，該盤形滾刀放置在刀盤上，刀盤在外力作用下發生旋轉，這樣盤形滾刀一邊隨著刀盤中心軸發生旋轉，一邊繞自身軸線發生旋轉，隨著刀盤上施加的越來越強大推力和扭矩的共同作用下，在固定的掌子的面同心圓切縫上，滾刀不停的滾動，當滾刀的推力大于同心圓上的巖石的抗壓強度時，同心圓上的巖石就會被盤形滾刀不停的壓碎，隨后巖石被盤形滾刀壓入，如此作用下，開挖面的巖石不停的被盤形滾刀擠壓破碎裂，形成多個不同的同心圓開挖槽，如此往復，開挖巖石面的開挖槽的深度不斷加深，在開挖巖石表明產生越來越多和越來越深的表面裂紋，最終，使開挖面巖石收到的外力大于其拉伸和剪切強度，開挖區的巖石被削成薄片而脫離。TBM機械破碎巖體的工作原理見圖1。在開挖施工時，通過TBM的機械支撐系統，TBM機械的主機被牢固地安置于施工開挖隧洞的墻壁上，這樣主機就能夠承擔TBM機械的推力和刀盤扭矩的反力。TBM機械的推進油缸支撐在主機支撐系統上，為刀盤提供推力，刀盤被不停的推動，從而不斷的破碎破巖。開挖面脫離的巖石在洞的底部經旋轉的刀盤被送入刀盤上的鏟斗，通過刮板被輸送到主機內的皮帶機上，再經過主機皮帶機，破損巖石被運送到配套的皮帶機上，最后通過軌道列車將破碎巖石運送到洞外。

圖1 TBM機械破碎巖體原理

當采用單護盾在軟弱圍巖地層掘進施工時，不再使用主推進和支撐系統，通常把伸縮護盾設置在收縮的地方，刀盤掘進時，其反扭矩由圍巖和盾殼之間的摩擦力供給，由管片作為輔助推進油缸支撐，提供刀盤的推力，安裝管片不能與TBM的施工掘進同時進行，在這種情況下，TBM施工作業循環是：開挖掘進施工-回收輔助油缸-管片安裝-再開挖掘進施工；當圍巖好，穩定性強時，TBM機械采用雙護盾掘進施工方法，把撐靴緊撐在洞壁上以為主推進油缸提供反力，推動TBM機械前進，反扭矩油缸安置支撐盾上，為TBM機械刀盤提供反扭矩，安裝管片與TBM的施工掘進同時進行，在這種情況下，TBM機械施工作業循環是：管片安裝和施工開挖掘進-收回撐靴換步-再支撐-管片安裝和施工開挖掘進。

2 故障監測實用技術

TBM機械由多臺單獨設備綜合組，在施工狀態監測時，按照監測對象對停機的影響程度和其在施工中的重要性兩個方面來控制監測的重點?？紤]到關鍵是TBM機械的推進系統和主機刀盤驅動及控制系統，因此，PLC控制系統、主軸承、主機液壓系統、主變速箱和主電機是TBM機械監測的重點?？紤]到通風和除塵直接影響施工作業環節和施工作業人員的身體健康，因此還應將通風除塵系統作為監測重點。此外，考慮到碎石都是通過后配套皮帶運輸機運出洞外的，該設備如果出現故障，將直接導致開挖掘進的施工停工，所以，還應將皮帶運輸機作為監測重點。除次之外，牽引機車、混凝土輸送泵、仰拱吊機、噴射機械手、材料吊機、水泵電機、翻碴臺、空壓機、拖拉系統等其他設備在監測時也應該考慮。TBM機械目前是大型先進的施工機械，其自帶有主電機電壓、各潤滑系統油位、流量、各液壓系統壓力、推進油缸位移和壓力、刀盤扭矩、電流、溫度和轉速等在線監測功能，操作主司機能夠由PLC控制反饋系統得到相關信息，但因為TBM機械結構系統復雜繁多、龐大，通過在線監測只能對其設備的重點關鍵部件的部位參數實現監測，其他重要設備參數、關鍵設備只能靠專業檢測人員進行離線監測。

2.1 油液分析

對液壓系統、主軸承、潤滑系統、減速箱、主泵站等應進行油液分析檢測。由于如果油液取樣不當會對分析造成誤導，合理的進行油液取樣是進行油液分析的前提和基礎。油液取樣可從油箱中取樣，取油時應把取油管放入郵箱油位面下一半深的地方；但油液取樣最好是從回油油路中取樣。取油樣應選取在熱機狀態，應保證油樣清潔，已保證油中的微粒分布均勻，同時應該保證TBM機械運轉不少于半個小時。要求油樣運動粘度，水分含量不超過0.1%，NAS級別不超過NAS9，在40℃時的變化率應不超過±10%，機械雜質含量不超過0.1%。在進行油樣的污染度檢測前，先查看應濾膜上的污染顆粒分布是否均勻，如果不滿足均勻條件，則統計不能進行，應重做濾膜。對油樣進行鐵譜分析，利用油樣中的磨粒尺寸大小、成分、表面顏色、形態特征等分析結果來判定機械設備的磨損程度、工作狀態、磨損類型，利用對磨粒來源的分析結果判定機械的磨損部位；按照油樣中各種元素發射或吸收光譜的差異，通過對油液進行光譜分析來確定油液中磨粒的含量和成分，最后根據結果來確定相應零件的磨損狀況，判斷對設備的故障情況。

2.2 紅外溫度檢測

反應速度快、空間分辨率高、具有不接觸式測溫、測溫范圍大、靈敏度高等是紅外溫度檢測的特點。為早期檢出TBM機械設備狀態劣化傾向和熱異常，對TBM機械的定點部位進行周期性的紅外溫度監測。通過參考專家的經驗，對TBM機械設備安裝工藝、維修和運行狀況等各個情況的概括分析等，就可以逐步確診出TBM機械設備的故障程度、性質和部位，最終實現TBM機械設備壽命和故障發展趨勢的預測。

2.3 振動監測

為實現TBM機械設備故障診斷和狀態評估，采用振動測試儀記錄、分析和拾取動態信號，對被檢測TBM機械設備的頻譜圖形和振動能量測試進行分析，得到TBM機械設備故障特征頻率，從而判定TBM機械設備故障產生的原因和部位。應用分析軟件，進行局部故障的分析判斷，是轉動機械軸類及軸承系統方面的故障診斷最有效的方法，轉動機械故障見表1。

3 結束語

詳細介紹了TBM機械的工作原理和故障監測實用技術手段和方法。TBM是多臺設備組成的綜合體，施工中要連續或定期地對TBM機械設備的故障進行診斷監測，按照故障診斷監測結果，在TBM機械設備失效前診斷和檢測出所存在的故障，以減少備件維修和消耗工作量，防止因檢修而出現的人為故障，從而使維修費用降低，以延長TBM機械設備的使用壽命，減少維修時間，提高生產效率。

參考文獻

[1]張碧波.設備狀態監測與故障診斷[M].北京：化學工業出版社，2005.

[2]韓亞麗.TBM狀態監測與故障診斷[J].施工技術，2003（5）：31-33.

作者簡介：張翠娟（1981-），碩士，講師。