盾構機液壓系統在線健康監測預警系統分析

田水清

（中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

盾構機是用于鐵路、公路、水利及城市軌道交通等地下隧道空間快速開挖的現代化綜合性技術裝備，具有快速、優質、安全、環保等優點，也是目前最先進的隧道開挖和建設技術，代表著一個國家重大技術裝備的發展水平。

然而因盾構機故障引發的安全問題，一直是盾構機使用方重點關注的問題，影響著安全、成本和工期等諸多方面。盾構機液壓系統污染是各盾構施工單位重點關注的設備重大故障問題之一，會造成設備故障、施工項目停工、地層紊亂等問題，造成直接、間接經濟損失巨大。中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司是專業從事地鐵隧道施工的工程單位，從2017 年至2021 年底，共發生盾構機液壓系統污染事故9 次，造成停機時間超過半年，直接經濟損失達數百萬元。

1 盾構機液壓系統污染監測防護常用的手段

目前多數盾構機使用單位通過盾構機離線油液檢測方式進行污染監控，就是通過定期獲取正在使用的液壓油進行顆粒度、水分等項目的檢測分析。通過檢測結論來評價液壓系統污染情況，如發現污染問題再通知使用單位進行處置。而盾構施工環境復雜，地下空間粉塵、水分等污染物濃度高，極易引發油液污染，通常發生液壓系統污染具有偶然性，時間不確定性，離線油液檢測因檢測頻次和檢測時機很難及時捕捉到污染問題，不能形成有效的預警。

現有的盾構液壓系統中，污染控制基本上是利用盾構機自帶的過濾器進行雜質、金屬屑的過濾及分離，但是由于過濾器的過濾效果參差不齊，而且還有部分管路上沒有安裝過濾器，無法進行過濾，因此不能及時發現液壓油的污染情況，使得污染物循環到整個液壓系統，造成多個馬達、液壓泵損壞等嚴重事故，給盾構施工帶來極大的安全隱患和經濟損失。

2 盾構機液壓系統污染常見原因

造成液壓系統污染的原因主要有：①在管路安裝連接過程中，管路法蘭結合面O 形圈掉入到管路內，造成液壓系統污染；②在盾構機拆裝過程中，對管路接口防護不到位，導致雜物進入到管路內，從而污染液壓系統；③在使用過程中，操作人員對設備使用不當，導致的污染物進入；④液壓油加注不當，導致的液壓油污染；⑤設備故障，導致冷卻水進入液壓系統；⑥液壓泵、馬達、管路等自身損耗或故障，導致整個液壓系統污染。

3 盾構機液壓系統在線健康監測系統

盾構機液壓系統在線健康監測系統的關鍵技術：監測盾構機泄油管中液壓油的顆粒度、水分含量、溫度等指標，通過對泄油管油液狀態的監測，判斷液壓系統是否受到了污染。該系統可以實時地監測盾構機液壓油狀態，有效預防因油品污染導致液壓系統癱瘓，如液壓泵、馬達故障等，降低盾構施工的故障率，避免因液壓泵、馬達故障造成的維修、項目停工等經濟損失。

盾構機液壓系統在線健康監測系統主要由油液檢測裝置、過濾裝置、信號采集單元、信號中繼和上位機組成，其中，油液檢測裝置是由顆粒度傳感器、水分傳感器和溫度傳感器串聯組裝而成，屬于在線健康監測系統的核心部件。將盾構機油液檢測裝置采集的信號，通過中繼將信號進行放大，并傳輸至主控室的上位機，上位機將信號中繼上傳的信號進行處理，根據預設的預警值，判斷液壓系統運行狀態，并形成狀態報警監測。如發生狀態監測報警，監控人員立即提醒操作人員立即停機檢查并處理，防止液壓系統污染或污染程度擴大。實時監控數據還可以通過軟件系統進行存儲保存，進行階段性分析解讀液壓系統污染狀態。

3.1 液壓油在線監控監測系統的組成及結構原理

液壓油在線監測系統主要由吸油側壓力表、吸油濾芯、循環泵、電機、出油側壓力表、安全閥、粗濾、精濾、單向閥、單點檢測傳感器及控制部分組成，吸油、回油與盾構機液壓系統主油箱通過管路連接，其中前9 個部件可利用原盾構機液壓站系統循環冷卻過濾系統，增加單點檢測傳感器及控制部分。也可以再增加一套循環凈化設備，進行液壓油二次凈化。盾構機液壓系統在運行過程中逐漸產生磨粒（金屬顆粒），或因在維保換油過程及使用過程中操作不當，密封泄漏等原因造成外部水分和雜質進入系統，液壓油在線監測系統能夠實時檢測油液的參數，及時發現風險，并進行報警。

本系統的另一個主要作用就是進行液壓油凈化，液壓油同時通過粗濾、精濾對盾構機液壓系統液壓油進行連續過濾清潔，將大污染顆粒分離出來，使主油箱液壓油保持在最佳狀態。

如只有顆粒度報警，說明固體污染物數量超標，在經過濾系統循環后，報警狀態依然存在，就說明過濾系統濾芯污染嚴重，無法完成油品凈化任務，需要進行更換。如顆粒度和水分指標同時報警，就要及時查找水分來源，進行停機處理。由于過濾裝置主要作用是過濾大顆粒污染，過濾水分效果較差，水分異常需要線下進行特別處理。特別說明的事，溫度報警，僅說明液壓油的使用溫度高，需要盾構操作人員注意，一般不需要特別處理。

液壓油在線健康監測系統控制部分預留油液檢測、濾芯維護提示信息電氣接口，可根據需求增加相應指標傳感器，也可以通過接口進行維修維護（圖1）。

圖1 液壓油在線健康監測系統原理

在液壓管路上加裝過濾器，形成系統自過濾，在線健康監測系統有需要的二次過濾，以及液壓油在線顆粒度、水分、溫度等指標的實時監測，能夠對液壓系統運行狀況及過濾狀況進行連續實時檢測，合理規劃過濾時間，同時監測的油液顆粒度、水分含量等參數，以及過濾器污染狀態，可以進行后臺軟件存儲，并具有數據導出功能，可以有效進行數據分析及階段性監測。液壓油在線健康監測系統控制部分顯示界面見圖2，液壓油在線健康監測系統安裝在盾構機液壓油箱旁，通過安裝支架固定在拖車橫梁上（圖3）。

圖2 液壓油在線健康監測系統顯示界面

圖3 液壓油在線健康監測系統安裝效果

3.2 盾構機液壓系統在線健康監控預警標準

盾構機液壓系統在線健康監測預警指標主要有兩個分別為顆粒度和水分，分為3 種狀態，分別為：正常狀態，用綠色顯示；預警狀態用黃色顯示；預警并停機狀態為紅色顯示。也可以根據實際盾構機機況、液壓油情況及盾構機以往潤滑情況進行調整預警值（表1）。

表1 盾構機液壓系統在線監測預警參考標準

4 結論

（1）目前盾構機液壓系統，多數通過離線油液檢測，輔以事后根據檢測值通知預警處理的方式，因檢測頻次和檢測時間等原因導致的時效性問題無法避免，無法有效的做到液壓系統健康監測。

（2）在線健康監測系統能實時監測顆粒度、水分等核心指標，及時發現液壓系統潤滑問題，并及時報警，為后續查找液壓問題、處理液壓問題提供強力支持。

（3）針對盾構機液壓系統各液壓泵的泄漏油未過濾就以直排方式進入主油箱，存在局部污染，產生多米諾效應，從而污染整機液壓系統風險。在線健康監測系統的過濾功能，將污染物及時過濾掉，對液壓系統進行自清潔，使油液保持在最佳狀態，而過濾器濾芯報警功能，能很好地保證過濾效果。

（4）若在線健康監測系統僅安裝實施監控系統，未安裝過濾設備部分，使用盾構機自帶的過濾泵，也可以實現實時監測，缺點是無法監控過濾泵濾芯的使用狀態。若過濾泵濾芯失效，也存在液壓系統污染惡化的風險。