盾構機電氣組成系統(tǒng)與常見故障處理分析

關鍵詞： 盾構機 電氣系統(tǒng) 常見故障 處理措施 維護檢修

中圖分類號： TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0090-04

現(xiàn)代盾構機具有智能化、大型化、自動化的特點，是一種電氣一體化隧道挖掘施工機械，其功能復雜、控制環(huán)節(jié)多，工序之間聯(lián)系密切、關系復雜，保障電氣系統(tǒng)穩(wěn)定才能提高控制效率、減少故障，降低對掘進作業(yè)進度與安全的影響。但由于作業(yè)環(huán)境惡劣、風險系數(shù)偏高，電氣系統(tǒng)易出現(xiàn)情況復雜的故障，導致現(xiàn)場長時間停機維修，耽誤掘進工期。基于此，分析盾構機電氣系統(tǒng)及其常見故障的處理、日常維護檢修有著重要現(xiàn)實意義。

1 盾構機電氣系統(tǒng)的組成結構

盾構機電氣系統(tǒng)由4 個部分組成：高壓供電系統(tǒng)篇、低壓配電系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)。在高壓供電系統(tǒng)中，10 kV 高壓供電經由高壓電纜從設備外部傳送到臺車變壓器上，再經過主變壓器的處理，轉變?yōu)?00 V 后可以供給設備。而由變壓器產生的低壓供電也需供給變頻柜、泵站、電源柜以及其他控制柜。而整臺設備的核心與大腦是PLC 控制系統(tǒng)[1]，如圖1 所示，通常安裝在主控制室內，其配合處于設備中各個位置的傳感器監(jiān)測電氣元器件運行情況，傳感器將設備實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳遞到PLC 系統(tǒng)中，其讀取、處理、分析各種類型信號后，再將信息傳遞給主控制室操作界面，控制人員接收到信號后，可以及時調整盾構機控制策略。在整臺設備中，分布在不同位置的控制柜是PLC 系統(tǒng)的控制分站，彼此之間基于通信線路實現(xiàn)連接，與執(zhí)行機構如電磁閥、傳感器連接，從而可以對設備動作采取針對性的控制措施[2]。盾構機的傳感系統(tǒng)主要由感應設備組成，核心設備有傳感器、接近開關、編碼器等，可以通過傳感器對油缸壓力、執(zhí)行機構角度、管路流量、執(zhí)行機構位置等進行檢測，為PLC 控制系統(tǒng)精準運算提供客觀數(shù)據(jù)。

2 盾構機電氣系統(tǒng)常見故障與處理措施

盾構機電氣系統(tǒng)故障主要因負荷大、運載時間長、工作環(huán)境惡劣等因素所致，但PLC 系統(tǒng)發(fā)生故障的概率偏低，因此先考慮是否為電氣設備故障，最后考慮是否為PLC 系統(tǒng)故障。

2.1 電氣元件發(fā)生損壞

在盾構機運行中，受多方面因素的影響電氣元件出現(xiàn)故障與燒毀的概率較高，影響正常使用，導致盾構機的功能受到限制。例如：繼電器發(fā)生燒毀或損壞，控制系統(tǒng)無法正常地向外輸出信號、控制電機的啟停，對于此類元件故障，應立即展開排查，觀察位于電磁線圈上的電壓繼電器情況，并使電氣系統(tǒng)處于失電狀態(tài)，重新啟動系統(tǒng)后觀察繼電器是否復位，也可以向線圈加電，對觸點接通情況進行觀察。又如：傳感器、電磁閥出現(xiàn)故障，由于通過兩者的電流偏小，檢查中不易發(fā)現(xiàn)故障，可以通過排除法判斷，將傳感器拆卸下來連接到其他傳感器接口上，再將其他運行狀態(tài)傳感器連接到該接口上，先判斷是否因接口故障所致，接口無異常則表示傳感器故障；若運行異常傳感器在其他接口上的運行狀態(tài)也存在異常，也表示存在故障[3]。

2.2 刀盤電機無法啟動

對中交天和盾構機進行調試時發(fā)現(xiàn)刀盤電機無法正常啟動，為避免電機運行異常影響機械系統(tǒng)工作效率，采取以下處理措施。（1）通過變頻器實時控制刀盤電機的運行狀態(tài)，并由操作人員通過觸摸屏或總控面板發(fā)出控制信號，直接傳輸至操作盤的PLC 控制系統(tǒng)中，再繼續(xù)向動力盤PLC 控制系統(tǒng)、變頻器盤PLC 控制系統(tǒng)傳遞指令，最后的傳輸對象為變頻器。完成控制信號傳輸后將電機啟動，此時若變頻器的示值為0 則表示無電壓從輸出端輸出，然后將變頻器與電機連接，變頻器工作正常時表示刀盤電機本身無故障[4]。（2）將刀盤電機啟動，此時速度、啟動以及正反轉信號均能正常傳輸給變頻器，表示傳輸信號線路沒有出現(xiàn)故障。（3）更換控制面板，判斷是否因控制面板失靈所致。

2.3 油脂氣動注脂泵自動停止功能失靈

中交天和盾構機在設計過程中常在油脂氣動注脂泵的油脂油桶上安裝含有2 個探頭的光電型接近開關，其中一個對應高液位，另一個對應低液位，經過檢測則可以根據(jù)液位信號對注脂泵的啟停進行控制，其中低液位信號表示桶內需要補油、高液位信號表示可以結束補油。若油脂泵無法自動停止，可以將PLC 控制程序打開，根據(jù)程序上的顯示結果判斷故障、處理故障。如果桶中油位偏低，PLC 程序上i29.4、i29.5 均顯示為0，再觀察置位是否處于SR，如果處于需要立即啟動自動注脂開關；桶中油位較低，PLC 程序上i29.4、i29.5 分別顯示0、1 時，若SR 狀態(tài)信號未發(fā)生改變，需要繼續(xù)完成自動注脂；桶中油位較高，PLC 程序上i29.4、i29.5 均顯示為1，并復位SR，需要自動停止注脂泵的補油動作。由此可以發(fā)現(xiàn)，此次故障因接近開關的高液位感測探頭損壞所致，應立即更換損壞配件，并調整PLC 程序，臨時將i29.4 改為i29.5，先使桶中油位處于偏低狀態(tài)，利用功能完好的低液位感測探頭實現(xiàn)自動啟動注脂泵[5]。

2.4 連接線路異常

連接線路異常也是盾構機電氣系統(tǒng)發(fā)生率較高的故障之一，主要出現(xiàn)在元器件與功能、控制模塊的連接上或通信網絡的連接上，當連接線路出現(xiàn)斷路或接觸不良時，電氣控制系統(tǒng)的信號傳輸將受到影響，出現(xiàn)傳輸效率下降或信號傳輸錯誤的情況，無法保障及時向處理模塊中輸送數(shù)據(jù)，從而影響整個電氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2.5 管片拼裝機前后動作靈敏性下降

盾構機運行中出現(xiàn)管片拼裝機前后動作靈敏性下降，但操控手柄時并未發(fā)出報警信號，對紅、藍色油缸伸縮與前后動作電磁閥進行控制時均無異常出現(xiàn)，此時，設備仍然可以正常地接收或發(fā)射無線信號，但拆卸手柄，發(fā)現(xiàn)控制油缸行進和伸縮按鈕上有與電路板相接處的簧片，但也不會對油缸正常行進造成影響，反而會導致伸縮控制指令執(zhí)行上出現(xiàn)遲鈍現(xiàn)象，將與電路板相接處的簧片拆卸下來后，則看到斷裂的觸頭。該情況可以直接更換簧片，若情況十分嚴重則需要更換整個操作手柄。

2.6 刀盤電機故障燈常亮或閃爍，啟動電機無反應

運行時間過長或其他因素導致電極過熱可能會導致刀盤電極故障燈出現(xiàn)閃爍情況，但出現(xiàn)常亮大概率是由電機電流超載造成自動跳閘或電機斷路器未合閘所致。若故障燈為閃爍狀態(tài)，應考慮是否為線路故障或熱保護繼電器故障，并立即檢修線路或更換故障繼電器。若故障燈為常亮狀態(tài)，檢查斷路器合閘狀態(tài)，未合閘時合上即可。若故障由電機電流超載所致自動跳閘，應檢查過載電流保護值，若保護值在合理的區(qū)間內，應分析是否為動力回路出現(xiàn)短路，立即對回路的完好性與電機的穩(wěn)定性進行檢查。

2.7 參數(shù)與程序故障

排查上述故障后，若盾構機電氣系統(tǒng)的運行仍然存在異常，則應考慮是否因PLC 控制程序問題所致。以中交天和盾構機為例，在故障檢查過程中調試螺旋輸送機，發(fā)現(xiàn)其最高轉速僅為5 r/min，但其設計最低要求為25 r/min，實際值與設計要求之間差異過大。進一步檢測后并未發(fā)現(xiàn)線路與元器件上出現(xiàn)故障，PLC 控制系統(tǒng)也能正常傳輸信號。最后由檢修人員對比例閥放大板參數(shù)進行測量，測試結果顯示其電流輸出值較小，但并非因比例放大板存在問題導致。因此，對比例參數(shù)進行調整，發(fā)現(xiàn)調大后上述問題得到處理。此類故障則是由參數(shù)與程序故障所造成的，需要具有專業(yè)編程能力的技術人員進行處理，此外，在無特殊情況也盡量減少對PLC 程序的更改。

3 盾構機電氣系統(tǒng)維護與檢修方案分析

鑒于盾構機在惡劣、復雜的環(huán)境中作業(yè)，應為電氣系統(tǒng)的核心組成設備或元器件制訂針對性的維護與檢修方案，降低故障發(fā)生概率，保障盾構機穩(wěn)定運行，從而高效完成掘進作業(yè)。

3.1 交流電動機維護與檢修方案

日常維護與檢修中對所有電機進行搖電測試，測試通過則無須外送保養(yǎng)，在搖電測試前先做好以下準備工作：將被測電機電源切斷，并進行對地短路放電；清潔待測電極表面，降低檢測過程中的接觸電阻，避免對檢測結果產生干擾；檢查搖表工作狀態(tài)是否在正常，并判斷0 點與∞點是否正常，搖動搖表手柄，使電機轉速達到額定標準，若存在短路情況兆歐表會指在0 點、若存在開路情況會指在∞點；搖表時必須放在穩(wěn)固的位置上，并與外磁場、大外電流導體保持一定距離；可以采用相間絕緣或對地絕緣，但若為新電動機，則必須采用1 000 V 搖表進行交接試驗，測試絕緣電阻是否在1 MΩ以上，非新電動機則可以用500 V 搖表進行預防性試驗，測試顯示絕緣電阻值在0. 5MΩ以上即可[6]。

3.2 低壓元器件維護與檢修方案

日常維護與檢修過程中盾構機電氣系統(tǒng)的低壓元器件也為重點對象。以空氣開關為例，當出現(xiàn)以下任何一種情況時均應更換或修復空氣開關：（1）空氣開關外殼出現(xiàn)破損；（2）觸頭面積小于80%，不同的三相觸頭接觸距離差大于0.05 mm；（3）觸頭開距、超額行程已與設計要求出現(xiàn)偏差；（4）自動脫扣無法發(fā)揮保護作用。

而觸頭系統(tǒng)與弧系統(tǒng)作為空氣開關的重要組成部分，在出現(xiàn)任何情況時都需要更換或修復。觸頭系統(tǒng)：（1）觸頭出現(xiàn)壓力不足；（2）觸頭表面出現(xiàn)氧化，若無法更換，可以先進行簡單的應急處理，利用砂紙將表面的氧化膜去除，再利用汽油或四氯化碳清洗表面油垢；（3）觸頭容量不足，運行過程中電流嚴重超出額定值，導致觸頭出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，主要因觸頭在使用中過度磨損導致壓力變小，必須及時更換；（4）觸頭易被燒壞，并且出現(xiàn)諸多凸出小點，導致觸頭接觸不良，需要銼平觸頭表面，恢復到原來形狀即可；（5）觸頭熔焊、磨損。同時，若進行觸頭修復，需要在修復結束后調整觸頭狀態(tài)，在接通主觸頭之前接通預接觸頭；斷開主觸頭后再斷開滅弧觸頭；對齊動靜觸頭，并將非正常情況接觸調整為正面接觸，即接觸寬度在5 mm 范圍內調整為接觸面積不小于全接觸面積的2/3，寬度大于5 mm。弧系統(tǒng)：（1）發(fā)現(xiàn)滅弧罩受潮應立即烘干；（2）弧系統(tǒng)磁吹線圈匝間出現(xiàn)短路，撥正短路匝即可；（3）滅弧罩出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，應將碳化部分吹刷干凈，不得有金屬顆粒或具有導電屬性的雜質殘留；（4）滅弧罩被打破、弧角或滅弧柵片出現(xiàn)脫落[7-8]。

3.3 PLC 維護與檢修方案

PLC 是盾構機電氣系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)均由PLC 進行控制，因此應做好日常檢修與階段性檢查。日常檢修過程中，判斷I/O、CPU、RAM、ROM、通信接口、輸入/輸出口、編程器等基本單元是否存在異常，發(fā)現(xiàn)有不良單元需要立即進行返修；發(fā)現(xiàn)基本單元與擴展單元輸入/輸出繼電器發(fā)生故障，需要立即更換；檢查系統(tǒng)內部各項邏輯元件的不同用途繼電器運行狀態(tài)，如掉電保護輔助繼電器、計數(shù)器、特殊用途輔助繼電器等，問題嚴重需要更換，維修能夠處理的問題應立即處理；檢測PLC 的環(huán)境溫度，尤其是盾構機停機狀態(tài)下，也應按照設計要求控制PLC 環(huán)境溫度。盾構機電氣系統(tǒng)PLC 階段性檢查應以6～12 個月為周期，檢查事項與判斷標準如表1 所示。

4 結語

綜上所述，電氣系統(tǒng)在盾構機運行中發(fā)揮著重要的作用，但其組成結構復雜、日常作業(yè)時運行時間長、運行環(huán)境惡劣，導致電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障概率較高。為了保障其運行穩(wěn)定性與可靠性，應不斷提高電氣系統(tǒng)故障處理能力與日常維修水平，降低故障發(fā)生率；且即使出現(xiàn)故障也能得到快速、有效的處理，從而預防工期延誤，順利完成掘進作業(yè)任務。