TBM機械工作原理與故障監(jiān)測實用技術(shù)

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

關(guān)鍵詞：TBM掘進機；工作原理；故障監(jiān)測；實用技術(shù)

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(huán)節(jié)中的各施工工序前后相關(guān)，密切聯(lián)系。這樣其在使用過程，如果某一結(jié)構(gòu)部分出現(xiàn)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(yè)造成很大的損失。因此，為保證TBM機械設(shè)備的可靠運行，延長其使用壽命，對TBM機械設(shè)備的故障監(jiān)測和工作原理進行系統(tǒng)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(fā)生旋轉(zhuǎn)，這樣盤形滾刀一邊隨著刀盤中心軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一邊繞自身軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，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(fù)，開挖巖石面的開挖槽的深度不斷加深，在開挖巖石表明產(chǎn)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(qū)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(tǒng)，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(tǒng)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(jīng)旋轉(zhuǎn)的刀盤被送入刀盤上的鏟斗，通過刮板被輸送到主機內(nèi)的皮帶機上，再經(jīng)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(tǒng)，通常把伸縮護盾設(shè)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(yè)循環(huán)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(wěn)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(yè)循環(huán)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(jiān)測實用技術(shù)

TBM機械由多臺單獨設(shè)備綜合組，在施工狀態(tài)監(jiān)測時，按照監(jiān)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(jiān)測的重點。考慮到關(guān)鍵是TBM機械的推進系統(tǒng)和主機刀盤驅(qū)動及控制系統(tǒng)，因此，PLC控制系統(tǒng)、主軸承、主機液壓系統(tǒng)、主變速箱和主電機是TBM機械監(jiān)測的重點。考慮到通風和除塵直接影響施工作業(yè)環(huán)節(jié)和施工作業(yè)人員的身體健康，因此還應(yīng)將通風除塵系統(tǒng)作為監(jiān)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(shè)備如果出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致開挖掘進的施工停工，所以，還應(yīng)將皮帶運輸機作為監(jiān)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(tǒng)等其他設(shè)備在監(jiān)測時也應(yīng)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(tǒng)油位、流量、各液壓系統(tǒng)壓力、推進油缸位移和壓力、刀盤扭矩、電流、溫度和轉(zhuǎn)速等在線監(jiān)測功能，操作主司機能夠由PLC控制反饋系統(tǒng)得到相關(guān)信息，但因為TBM機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜繁多、龐大，通過在線監(jiān)測只能對其設(shè)備的重點關(guān)鍵部件的部位參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測，其他重要設(shè)備參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備只能靠專業(yè)檢測人員進行離線監(jiān)測。

2.1 油液分析

對液壓系統(tǒng)、主軸承、潤滑系統(tǒng)、減速箱、主泵站等應(yīng)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(dǎo)，合理的進行油液取樣是進行油液分析的前提和基礎(chǔ)。油液取樣可從油箱中取樣，取油時應(yīng)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(yīng)選取在熱機狀態(tài)，應(yīng)保證油樣清潔，已保證油中的微粒分布均勻，同時應(yīng)該保證TBM機械運轉(zhuǎn)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(yīng)不超過±10%，機械雜質(zhì)含量不超過0.1%。在進行油樣的污染度檢測前，先查看應(yīng)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(tǒng)計不能進行，應(yīng)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(tài)特征等分析結(jié)果來判定機械設(shè)備的磨損程度、工作狀態(tài)、磨損類型，利用對磨粒來源的分析結(jié)果判定機械的磨損部位；按照油樣中各種元素發(fā)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(jù)結(jié)果來確定相應(yīng)零件的磨損狀況，判斷對設(shè)備的故障情況。

2.2 紅外溫度檢測

反應(yīng)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(shè)備狀態(tài)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(jiān)測。通過參考專家的經(jīng)驗，對TBM機械設(shè)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(shè)備的故障程度、性質(zhì)和部位，最終實現(xiàn)TBM機械設(shè)備壽命和故障發(fā)展趨勢的預(yù)測。

2.3 振動監(jiān)測

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

3 結(jié)束語

詳細介紹了TBM機械的工作原理和故障監(jiān)測實用技術(shù)手段和方法。TBM是多臺設(shè)備組成的綜合體，施工中要連續(xù)或定期地對TBM機械設(shè)備的故障進行診斷監(jiān)測，按照故障診斷監(jiān)測結(jié)果，在TBM機械設(shè)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(xiàn)的人為故障，從而使維修費用降低，以延長TBM機械設(shè)備的使用壽命，減少維修時間，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻

[1]張碧波.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

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

作者簡介：張翠娟（1981-），碩士，講師。