基于物聯(lián)網(wǎng)的泥水盾構(gòu)機在線監(jiān)測和常見故障診斷技術(shù)

何冰 溫銀萍

摘 要：隨著我國城市化進程的加快，城市規(guī)模不斷擴大、人口數(shù)量增大，城市交通呈急劇增長的態(tài)勢，地鐵的修建公里數(shù)在不斷增加，盾構(gòu)機的使用越來越頻繁，發(fā)生故障的確頻率和數(shù)量增加。本文介紹了泥水盾構(gòu)機的常見故障及處理方法，提出了針對逆水盾的在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；泥水盾構(gòu)機；在線監(jiān)測；故障診斷；智能傳感

泥水盾構(gòu)機是盾構(gòu)機（全名為盾構(gòu)隧道掘進機）的一類，是一種隧道掘進的專用工程機械，現(xiàn)代泥水盾構(gòu)機集光、機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能，涉及地質(zhì)、土木、機械、力學(xué)、液壓、電氣、控制、測量等多門學(xué)科技術(shù)，而且要按照不同的地質(zhì)進行“量體裁衣”式的設(shè)計制造，可靠性要求極高。工作原理為通過加壓泥水或泥漿（通常為膨潤土懸浮液）來穩(wěn)定開挖面，其刀盤后面有一個密封隔板，與開挖面之間形成泥水室，里面充滿了泥漿，開挖土料與泥漿混合由泥漿泵輸送到洞外分離廠，經(jīng)分離后泥漿重復(fù)使用。土壓平衡式盾構(gòu)機是把土料（必要時添加泡沫等對土壤進行改良）作為穩(wěn)定開挖面的介質(zhì)，刀盤后隔板與開挖面之間形成泥土室，刀盤旋轉(zhuǎn)開挖使泥土料增加，再由螺旋輸料器旋轉(zhuǎn)將土料運出，泥土室內(nèi)土壓可由刀盤旋轉(zhuǎn)開挖速度和螺旋輸出料器出土量（旋轉(zhuǎn)速度）進行調(diào)節(jié)。目前廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程，但由于其包含的系統(tǒng)多，所以涉及需要監(jiān)測及故障診斷的量大。

一、泥水盾構(gòu)機常見故障及處理

1.泄漏故障及處理

泥水盾構(gòu)機發(fā)生泄漏一般包括漏油、漏氣、漏水三個方面。

（1）漏油方面。由于液壓系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)機的重要組成部分，而漏油是液壓系統(tǒng)的常見故障，漏油多發(fā)生在液壓泵、液壓閥、液壓缸、液壓馬達(dá)及油管等相互連接的管路接頭處。液壓油泄露的原因視情況而定，大體上有兩種原因，一是在長期使用過程中由于受力、振動等原因?qū)е陆宇^連接處松動，這種情況采用匹配型號的扳手（優(yōu)先選用力矩扳手）緊固即可，泥水盾構(gòu)機管路螺紋均為右旋，扳手需順時針轉(zhuǎn)動。二是由于安裝調(diào)試、維修保養(yǎng)、等致使故障處理連接處螺紋磨損，導(dǎo)致接頭配合不緊密，此種情況可以纏一些生膠帶在螺紋上。三是密封圈，可能是密封圈老化、破損。此種情況更換密封圈即可。

由于地鐵施工過程中的設(shè)備和環(huán)境特殊性，一般液壓系統(tǒng)的故障處理多在現(xiàn)場完成。所以，整個漏油故障處理過程中，要防止管路螺紋沾上雜質(zhì)，處理完成之后，需要及時管路及泄露的液壓油擦拭干凈，觀察一段時間，如果仍然泄露，則需進一步處理。

（2）漏氣方面。泥水盾構(gòu)機的氣動系統(tǒng)漏氣原因與漏油基本類似，多為接頭松動、螺紋配合不緊密，大部分能通過觀察和聲音來判斷故障部位。故障處理辦法可以參照漏油故障解決方法。

（3）漏水方面。由于泥水盾構(gòu)機的施工原理和構(gòu)造原因，存在大量的泥水混合管路及接頭，在法蘭連接處、管路接頭處，由于連接松動、螺紋磨損和密封墊片破損等原因?qū)е侣猬F(xiàn)象發(fā)生。解決方法也有緊固連接處、緊固法蘭連接螺栓、更換密封圈及法蘭盤等。

2.注漿泵故障及處理

注漿泵由于電源沒有合閘、注漿泵內(nèi)部注漿材料凝固、灌注引水不敷、泵內(nèi)空氣無法排出、吸水管漏氣、前襯板與葉輪間隙大、出水管道不克不及封住空氣、泵內(nèi)有空氣、分離聚會器閉合不緊、葉輪或襯板磨等原因會發(fā)生注漿泵無法運轉(zhuǎn)、壓力不足、有異響，注漿泵出水壓力小、流量小，注漿泵不吸水、注漿泵上水慢等故障現(xiàn)象。

處理方法為，全面檢查連接線路，看是合閘、斷路、線路脫落、導(dǎo)線斷裂；清理注漿泵吸入口、注漿泵內(nèi)部；持續(xù)灌注引水、反省管路能否漏氣、調(diào)理葉輪與前襯板間隙；調(diào)理間隙、調(diào)理出水管道、裝置抽真空安裝；排空泵內(nèi)氣體、調(diào)理間隙、調(diào)理分離聚會器摩擦片間隙、改換葉輪或襯板等。

3.電磁閥電源漏電保護器跳閘

電磁閥電源跳閘的原因多為該電源下某個電磁閥接線短路，比如電磁閥接線處進水。電磁閥電源跳閘，如果合閘不上，則檢查對應(yīng)的電磁閥，觀察電磁閥表面是否有水跡。如果沒有明顯跡象，則找到電磁閥對應(yīng)的接線端子箱，通過拔下熔斷器斷開某個區(qū)域的電磁閥電源，測試并確定故障發(fā)生在哪個區(qū)域。確定區(qū)域之后，拔下所有的電磁閥熔斷器，用萬用表逐一測電磁閥接線電阻。如果某個電磁閥接線阻值很小幾乎為零，就說明該電磁閥發(fā)生短路。找到對應(yīng)的電磁閥，對電源接線進行檢查。

二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上一般可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要功能是對信息進行采集和物件識別，由各種傳感器及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層主要功能是對從感知層獲取的數(shù)據(jù)信息進行傳遞和處理，由各種現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和泥水盾構(gòu)機的接口，與用戶需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在泥水盾構(gòu)機的智能應(yīng)用。

智能傳感器具有設(shè)備或環(huán)境信息感知、板載診斷、數(shù)據(jù)采集、分析、轉(zhuǎn)換處理、告警和通信等功能，由微處理器驅(qū)動的傳感器與儀表套裝，選配無線射頻模塊，為泥水盾構(gòu)機監(jiān)控系統(tǒng)及用戶提供相關(guān)信息，在泥水盾構(gòu)機在線監(jiān)測系統(tǒng)中，對于分布感知的數(shù)據(jù)，如電動機溫度、液壓系統(tǒng)油壓、氣壓系統(tǒng)氣壓、泥水流量、設(shè)備二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭及輔助設(shè)備或環(huán)境的狀態(tài)信息等傳感器，將其設(shè)計于數(shù)據(jù)采集智能模塊中，實現(xiàn)對泥水盾構(gòu)機全景數(shù)據(jù)的分布式采集、故障。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的泥水盾構(gòu)機常見故障診斷

1.系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

2.系統(tǒng)功能

（1）在線監(jiān)測與實時智能診斷。系統(tǒng)通過采集泥水盾構(gòu)機各系統(tǒng)電參數(shù)信號，獲取設(shè)備運行狀態(tài)信息，利用先進的信號識別和表征技術(shù)，實時定量診斷故障損傷部位和嚴(yán)重程度。

（2）預(yù)警預(yù)報。工作人員可隨時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)生超限、故障時，Web界面端可自動彈出報警類型、報警狀態(tài)、報警時間等，并可通過配件實現(xiàn)語音報警。

（3）診斷報告自動生成。通過選取故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動輸出診斷分析結(jié)果和診斷報告。

（4）數(shù)據(jù)查詢。以表格形式輸出報警記錄，可對機電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進行查詢，另外可進行趨勢分析。

（5）針對設(shè)備測點進行振動數(shù)據(jù)分析，包括實時波形數(shù)據(jù)分析、頻譜分析、包絡(luò)譜分析、振動特征值計算等。

（6）支持遠(yuǎn)程訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和多點訪問。

3.系統(tǒng)特點

（1）泥水盾構(gòu)機故障在線智能定量診斷，實現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位與維修指導(dǎo)。

（2）泥水盾構(gòu)機運行狀態(tài)集中監(jiān)測，實現(xiàn)運行狀態(tài)信息全面實時監(jiān)測。

（3）故障預(yù)警，歷史數(shù)據(jù)為設(shè)備健康狀態(tài)評估提供依據(jù)，為設(shè)備趨勢分析提供支撐。

（4）高效的數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)庫管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性。

（5）傳感器、振動監(jiān)測儀等設(shè)備通過電磁干擾試驗，系統(tǒng)抗干擾能力強。

四、結(jié)束語

本文針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢和泥水盾構(gòu)機施工和故障特點，提出了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在泥水盾構(gòu)機的在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)中一種設(shè)計方案。

參考文獻：

[1]梁敏富等.溫補型光纖Bragg光柵壓力傳感器在錨桿支護質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報，2017，42

[2]冼國華.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污染源在線監(jiān)控平臺設(shè)計與分析[J].廣東化工，2018，12