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盾構機主驅動軸承無損檢測應用技術

2017-11-9 來源：中鐵工程裝備集團技術服務有限公司作者：王龍

摘要：隨著中國城市地鐵建設的快速發展，盾構機地鐵施工在各大城（chéng）市得到越來越廣泛的應用。由於盾構機集光、機、電、液、傳感（gǎn）和信息技（jì）術於一體（tǐ），主機龐大，輔助（zhù）設備（bèi）複雜（zá）多樣，在（zài）施工過程中（zhōng）盾構機自身設備的安全性、可靠性已成為盾構機生產廠家（jiā）和施工方關注的焦點，尤其是主驅動軸承核心部件，一旦隧道內發生（shēng）故障很難就地修複（fù）。針對目（mù）前較普遍的振動監（jiān）測和診斷技術分析，提出在盾構機主驅動軸承的（de）無損檢測中采用衝擊脈衝檢測技術獲取主軸承的運動狀（zhuàng）態信息，通過對其（qí）信息的測量（liàng）和分析（xī），實現可（kě）以不停機或不解體設備就可以對主驅動軸承劣（liè）化的部位和（hé）故障的性質作出判斷，作出（chū）超前維保滿足施工要求。並通過實際的現場工業試驗驗證，獲得了（le）成（chéng）功，產生了大量的經濟（jì）效（xiào）益和社會效益。

關鍵詞（cí）：盾構機；主驅動軸承；振動監測；衝擊（jī）脈衝

目（mù）前（qián）盾構機的主驅（qū）動軸（zhóu）承（回轉支撐軸承、驅動小（xiǎo）齒（chǐ）輪軸端（duān）圓錐滾子軸承（chéng））一般生產廠家的設（shè）計使用壽（shòu）命在10km左右［1］，但隨著盾構掘進地層工況的變化，大批盾構的主驅動軸承在盾構掘進2～3km拆機轉場時，需要對其解體檢查，確保下個區間施工的設備（bèi）保障［2］。但是（shì），此種檢修往往造（zào）成（chéng）維修不足或（huò）者過剩維修，增加了總體故障率（lǜ）。許（xǔ）多事例表明本來很穩定（dìng）的主驅動軸承，經過維修反而出現許多故（gù）障。因為對於穩定的（de）係統（tǒng）而言，維修就是（shì）一種幹擾。

特（tè）別（bié）是對於精密回轉支撐軸（zhóu）承拆解維修隻能增加故障率，而且（qiě）此（cǐ）種檢修浪費大量人力、物（wù）力。據（jù）統計，有 40%～50%的費用被浪費了。因為有許多被檢修（xiū）軸承完全處於（yú）良好狀態（tài）。更嚴重的是，在對精（jīng）密回轉支撐主軸承（chéng）拆解維（wéi）修中（zhōng），由於其零部件很多，各種零部件的連接特別牢固，每次拆、組（zǔ）、裝都要損傷一（yī）些零部件，使零部件受到衝擊，使其整體（tǐ）壽命（mìng）下降。因此，為了解決過（guò）剩維修和擺脫“事後維修”的困（kùn）境，應用盾構機的運（yùn）轉動態參數，在不停機的施工過程（chéng）中（zhōng），使用衝擊脈衝技術監測軸承狀（zhuàng）態和頻譜綜合分析係（xì）統，診斷軸承是否存在機械故障以及對中、平衡、鬆動等異常現象，實（shí）時掌握、不斷積累軸承的狀態信息，預測軸承的劣化趨勢和剩餘壽命［3-5］。

並（bìng）根據（jù）具體情況製定不同（tóng）的維修措施，保證盾構機的主驅動軸承核心部件性能可靠，延長使用壽命。

1 、衝擊脈衝檢（jiǎn）測技術

盾構機（jī）在使用做功過程中，主驅動軸承會發生振動，主要有在開挖麵不均質作（zuò）用在刀盤上引起的軸向力、周向力、傾覆力變化導致的振動；回轉體與固（gù）定體之間（jiān）遊隙變化引起的衝擊（jī）振動；各小齒輪與齒圈製造誤差及中心距誤差引起的齒輪齧合綜合衝擊振動；電機和主減速器本身的綜合傳遞振動；主軸承內部雜質（如果已（yǐ）經存在碎屑）的摩擦引起的振動等。振動中，常常是幾個信號（hào）疊加在（zài）一起。因此（cǐ），利用衝擊脈衝（chōng）技術可以把通常認為有用的信號提取出來（lái）（相關分析、頻譜分析等），進行處理分析，判斷得出故障原因（yīn）。

衝擊脈衝技術是應用衝擊脈（mò）衝傳感器，工作在32kHz 的固有頻率上，具（jù）有常規振動加速度傳感器 5～7倍的靈敏度，直接采集到軸（zhóu）承運轉產生的衝擊信號，並對（duì）信號進行（háng）頻譜（pǔ）分析，能夠得出軸承故障及其潤滑狀態。相比其他常規的振動加速度頻譜圖、包（bāo）絡解調（diào）頻譜圖結果更加可靠、準確（què）。

1.1 常規振（zhèn）動加速度頻譜（pǔ）圖

如（rú）圖（tú） 1 振動加（jiā）速度（dù）頻譜圖所示（shì），可以看到軸（zhóu）承外圈的故障特征（zhēng）頻率（lǜ）及其諧波，驅動齒輪箱的故障特征頻（pín）率也比（bǐ）較突出。是軸承問題還是（shì）齒輪問題，還需要（yào）其他方法驗證（zhèng）。

圖1 振動加速度頻譜圖

1.2 振動包絡解調頻譜（pǔ）圖

如圖 2 包絡頻譜圖所示，軸承外圈故障頻（pín）率可以看到，但幅值較（jiào）低。低頻部分幅值較（jiào）高，無法確認故障根（gēn）源。是軸承問題還是其他問題，還需其他方法驗（yàn）證。

1.3 衝擊（jī）脈衝頻譜

如圖 3 衝擊脈衝頻譜圖所示，結合衝擊脈衝指標及軸承故障（zhàng）特征頻率幅值進行趨勢分析，能準確判斷出軸承（chéng）外圈故障。

圖2 包絡（luò）頻譜（pǔ）圖

圖3 衝擊脈衝頻譜圖

1.4 衝（chōng）擊脈衝（chōng）應用

一般振動測試（shì）都是用有效值 xrms來描述。其主要原因是在（zài）於有效值與（yǔ）振動的能量有直接關係。如位移的xrms代表了振動係統的勢（shì）能含量；速度的（de）xrms代（dài）表了振動（dòng）係統的動能含量；加速度的xrms代表了振動係統的（de）功率譜密（mì）度的含量。信號可能出現的最大瞬態幅值用 xp，在測試之前，一般（bān）都應對xp或xp-p有足夠的估計，以便確定測試係統的動態範圍，使之不致產（chǎn）生削波現象，真實地反映被測（cè）信號的最大值。

波（bō）峰因數是峰值與有效值之比。其是一個無量綱參數，用於（yú）診斷滾動軸承的優點（diǎn）是其不受（shòu）滾動軸（zhóu）承幾何尺（chǐ）寸、轉速和載荷的影響，也不受傳感器靈（líng）敏（mǐn）度的影響。該參數適合於滾動（dòng）軸承和齒輪箱的早期診斷。軸承無故障時，該值為3左右；隨故障的出現（xiàn）和發展，該值逐步增（zēng）大，可達到10～15；當故障發展到一定程度，又逐步變小，並接近於3。波峰因（yīn）數適合點蝕類故障的診斷。

峭度定（dìng）義（yì）為歸一化的四階中心矩，其也是一個無量綱（gāng）參數。用於診斷滾動軸承的優點是（shì）其不受滾（gǔn）動軸承幾何尺（chǐ）寸（cùn）、轉速和載（zǎi）荷的影響，也不受傳感器靈敏度的影響（xiǎng）。峭度（dù）也是適合點蝕（shí）類（lèi）故障的（de）診斷。監測峭度隨（suí）時間的變化趨勢，一般經驗認為，滾動軸承正常時，峭度（dù）大約為3；軸（zhóu）承出現損傷並發展時，峭度明顯增大，甚至可（kě）達（dá）到幾十；故障嚴重時，峭度（dù）再次回落到3附近。

在武漢地鐵某項目對（duì）2台盾構設備驅動（dòng）軸的軸承采用了衝擊脈衝技術實施健康性能專項監測，如圖 4 單台盾構單軸測點示意（yì）圖、圖（tú） 5 軸驅動的測試順序圖（tú）所示。輸入端軸承頻譜圖如圖（tú）6所示，輸出端軸承頻譜圖如圖7所示。

圖4 單（dān）台盾構單軸（zhóu）測點（diǎn）示意圖

圖5 軸驅動軸承的測試順序圖

圖6 輸入端軸承頻譜圖

分析認為：①頻譜結果同軸承油膜渦動或油膜振蕩時的頻譜基本吻合；②徑向（xiàng）振動（dòng）頻（pín）譜中有顯著而穩定的（0.42～0.48）×RPM分量；③軸向振動的渦動頻率處分量

較小；④時域以穩定的周期波形為主，沒有較大的加（jiā）速度衝擊（jī）。

圖（tú）7 輸出端軸承頻譜圖

診斷結果（guǒ）顯示此軸承沒有問題，油膜過厚。建議適當控製加油量，軸承可（kě）以繼續運行。此次共計22個測試點進行了數據采集，評定出該主驅動軸承無早期缺（quē）陷及油潤滑、對中（zhōng）、平衡、齒輪問題，建議（yì）施工項目嚴格控製有關掘進使用（yòng）參（cān）數。之後，此盾構機掘進累計1 200m，無軸（zhóu）承故障發生。

2 、結論（lùn）

通過在現場盾構主驅動軸承故障特征頻率測試結果可（kě）以發現，盾構（gòu）機的主驅動軸承檢查不需要專業拆解檢測就可以運用衝擊脈衝（chōng）技術隨（suí）時進行檢測，得出有關準確的分析結果（guǒ）。因（yīn）此，盾構機（jī）主驅動軸承無損檢測（cè）應用技術（shù）是提高設備的安全性、可靠性，降低（dī）故障的損失，減少維護成本，提高經濟（jì）效益的有效方法（fǎ）。在生產中運用該項技術，搞好主驅動軸承的無損檢測與故障診斷，可以延生到其（qí）他項（xiàng）目的檢測中，保證施工進度的順利完成。

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