状态检测技术在隧道掘进机上的应用

2013-12-07左庆林马怀祥徐明新

中国设备工程 2013年11期

左庆林，马怀祥，徐明新

(石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄 0 50043)

一、前言

西秦岭隧道全长28.236km，爆法位于新建铁路兰渝线中段，穿越秦岭高中山区，地处甘肃省陇南市武都区境内。根据设计，隧道施工采用钻爆法和TBM法掘进对接方案，进口区段(8.463km)采用钻爆法施工；出口区段(19.8km)采用TBM即全断面硬岩掘进机施工。TBM掘进机是由美国罗宾斯公司设计，型号为MB332-335&336，结构由主机、连接桥和后配套组成。刀盘直径10.2m，整机全长180余m，重1 800t，采用美国罗宾斯公司拥有全球专利的19"滚刀等技术，减少了换刀频率，确保了整机的质量和技术的先进性。为确保工程的进展，有必要对TBM的状态监测与故障诊断技术进行研究，以缩短维修时间，提高设备利用率。

二、测试系统硬件

TBM故障诊断硬件系统分为四个部分：传感器、信号调理模块、数据采集设备和计算机。

传感器将要采集的物理信号转化成电信号。并上传到信号调理装置。信号调理装置将模拟信号转化成数字信号后再传到计算机中，见图1。

图1 TBM状态检测系统硬件结构组成

因TBM各主要部件均是旋转部件，所以采用振动测试方法能够有效地检测出设备运行状况。振动测试工况选定为以下6种：静载；刀盘转速1.0r/min；刀盘转速2.0r/min；刀盘转速3.0r/min；刀盘转速4.0r/min；刀盘转速5.0r/min。

1.振动传感器的选取

振动传感器主要有3种：加速度传感器、速度传感器和位移传感器。加速度传感器的使用频率一般在1～8kHz，通常选用具有压电效应的晶体作为敏感元件；10～1 000Hz的振动选用速度传感器最有效；位移传感器所应用的频率为1kHz左右，多用于低速重载的设备。

综合以上分析选用INV9482型ICP加速度传感器和INV9828型ICP加速度传感器。其中INV9482传感器具有内置ICP(IEPE)前置放大器、轻质、通用等优点。其灵敏度为5mV/g，测量范围为1 000g，工作温度范围-40～+120℃，用于测量TBM各主电机振动情况。INV9828传感器具有内置ICP(IEPE)前置放大器、低噪声、高分辨率、低频、高灵敏度等优点。其灵敏度为500mV/g，测量范围为10g，工作温度范围为：-20～+120℃，用于测量主梁和主轴承振动情况。

2.信号采集仪选取

为适应现场工作情况，采用INV3060S型24位网络分布式同步采集仪，采用以太网接口，1台计算机可以通过LAN局域网控制多台采集仪。多台INV3060S之间可进行级联和同步，同时支持同步线同步(近距离100m)和GPS授时同步(远距离甚至不同城市之间)，适合分布式、多测点、远距离或无线传输的振动、噪声、冲击、应变、压力、电压等各种物理量信号采集，可以脱离DASP软件实现离线数据采集。可利用计算机、iPad、智能手机等通过Web网页方式进行操控、显示。与DASP软件相连形成具有一百余项先进技术的高性能数据采集和信号处理系统。其中，最高采样频率：51.2kHz；AD精度：24位Σ-ΔADC；通道数目：16；通道间串扰：-100dB；输入量程：±0.1V，±1V，±10V，适用于DASP系列全部软件。

三、振动信号测试分析

1.测试位置选取

测点的选择一般遵循以下原则：测点表面应尽量光滑；测点应尽可能接近被测振源；低频(＜1 000Hz)要设水平、垂直、轴向三个方向传感器，高频(＞1 000Hz)设一个方向即可。

根据以上原则，对1号电机、5号电机、11号电机、主轴承进行振动测试分析。主电机测点为水平、垂直和轴向，主轴承垂直方向和轴向(图2)。

图2 主电机振动测试位置示意图

2.振动信号分析

使用LabVIEW应用分析软件对所采集的振动加速度信号进行振动分析，并采用振动烈度的评级方法。振动烈度的评级方法由GB11347-1989规定。此标准适用于功率大于300kW、转速为10～200r/s(600～12 000r/min)的大型旋转机械振动烈度的现场测量与评定。振动烈度用公式（1）计算。