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市得到越來越廣泛的應用。由于盾構機集光、機、電、液、傳感和信息技術于一體，主機龐大，輔助設備復雜多樣，在施工過程中盾構機自身設備的安全性、可靠性已成為盾構機生產廠家和施工方關注的焦點，尤其是主驅動軸承核心部件，一旦隧道內發生故障很難就地修復。針對目前較普遍的振動監測和診斷技術分析，提出在盾構機主驅動軸承的無損檢測中采用沖擊脈沖檢測技術獲取主軸承的運動狀態信息，通過對其信息的測量和分析，實現可以不停機或不解體設備就可以對主驅動軸承劣化的部位和故障的性質作出判斷，作出超前維保滿足施工要求。并通過實際的現場工業試驗驗證，獲得了成功，產生了大量的經濟效益和社會效益。
關鍵詞：盾構機；主驅動軸承；振動監測；沖擊脈沖
目前盾構機的主驅動軸承（回轉支撐軸承、驅動小齒輪軸端圓錐滾子軸承）一般生產廠家的設計使用壽命在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保障［2］。但是，此種檢修往往造成維修不足或者過剩維修，增加了總體故障率。許多事例表明本來很穩定的主驅動軸承，經過維修反而出現許多故障。因為對于穩定的系統而言，維修就是一種干擾。
特別是對于精密回轉支撐軸承拆解維修只能增加故障率，而且此種檢修浪費大量人力、物力。據統計，有 40%～50%的費用被浪費了。因為有許多被檢修軸承完全處于良好狀態。更嚴重的是，在對精密回轉支撐主軸承拆解維修中，由于其零部件很多，各種零部件的連接特別牢固，每次拆、組、裝都要損傷一些零部件，使零部件受到沖擊，使其整體壽命下降。因此，為了解決過剩維修和擺脫“事后維修”的困境，應用盾構機的運轉動態參數，在不停機的施工過程中，使用沖擊脈沖技術監測軸承狀態和頻譜綜合分析系統，診斷軸承是否存在機械故障以及對中、平衡、松動等異常現象，實時掌握、不斷積累軸承的狀態信息，預測軸承的劣化趨勢和剩余壽命［3-5］。
并根據具體情況制定不同的維修措施，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 、沖擊脈沖檢測技術
盾構機在使用做功過程中，主驅動軸承會發生振動，主要有在開挖面不均質作用在刀盤上引起的軸向力、周向力、傾覆力變化導致的振動；回轉體與固定體之間游隙變化引起的沖擊振動；各小齒輪與齒圈制造誤差及中心距誤差引起的齒輪嚙合綜合沖擊振動；電機和主減速器本身的綜合傳遞振動；主軸承內部雜質（如果已經存在碎屑）的摩擦引起的振動等。振動中，常常是幾個信號疊加在一起。因此，利用沖擊脈沖技術可以把通常認為有用的信號提取出來（相關分析、頻譜分析等），進行處理分析，判斷得出故障原因。
沖擊脈沖技術是應用沖擊脈沖傳感器，工作在32kHz 的固有頻率上，具有常規振動加速度傳感器 5～7倍的靈敏度，直接采集到軸承運轉產生的沖擊信號，并對信號進行頻譜分析，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、包絡解調頻譜圖結果更加可靠、準確。
1.1 常規振動加速度頻譜圖
如圖 1 振動加速度頻譜圖所示，可以看到軸承外圈的故障特征頻率及其諧波，驅動齒輪箱的故障特征頻率也比較突出。是軸承問題還是齒輪問題，還需要其他方法驗證。
圖1 振動加速度頻譜圖
1.2 振動包絡解調頻譜圖
如圖 2 包絡頻譜圖所示，軸承外圈故障頻率可以看到，但幅值較低。低頻部分幅值較高，無法確認故障根源。是軸承問題還是其他問題，還需其他方法驗證。
1.3 沖擊脈沖頻譜
如圖 3 沖擊脈沖頻譜圖所示，結合沖擊脈沖指標及軸承故障特征頻率幅值進行趨勢分析，能準確判斷出軸承外圈故障。
圖2 包絡頻譜圖
圖3 沖擊脈沖頻譜圖
1.4 沖擊脈沖應用
一般振動測試都是用有效值 xrms來描述。其主要原因是在于有效值與振動的能量有直接關系。如位移的xrms代表了振動系統的勢能含量；速度的xrms代表了振動系統的動能含量；加速度的xrms代表了振動系統的功率譜密度的含量。信號可能出現的最大瞬態幅值用 xp，在測試之前，一般都應對xp或xp-p有足夠的估計，以便確定測試系統的動態范圍，使之不致產生削波現象，真實地反映被測信號的最大值。
波峰因數是峰值與有效值之比。其是一個無量綱參數，用于診斷滾動軸承的優點是其不受滾動軸承幾何尺寸、轉速和載荷的影響，也不受傳感器靈敏度的影響。該參數適合于滾動軸承和齒輪箱的早期診斷。軸承無故障時，該值為3左右；隨故障的出現和發展，該值逐步增大，可達到10～15；當故障發展到一定程度，又逐步變小，并接近于3。波峰因數適合點蝕類故障的診斷。
峭度定義為歸一化的四階中心矩，其也是一個無量綱參數。用于診斷滾動軸承的優點是其不受滾動軸承幾何尺寸、轉速和載荷的影響，也不受傳感器靈敏度的影響。峭度也是適合點蝕類故障的診斷。監測峭度隨時間的變化趨勢，一般經驗認為，滾動軸承正常時，峭度大約為3；軸承出現損傷并發展時，峭度明顯增大，甚至可達到幾十；故障嚴重時，峭度再次回落到3附近。
在武漢地鐵某項目對2臺盾構設備驅動軸的軸承采用了沖擊脈沖技術實施健康性能專項監測，如圖 4 單臺盾構單軸測點示意圖、圖 5 軸驅動的測試順序圖所示。輸入端軸承頻譜圖如圖6所示，輸出端軸承頻譜圖如圖7所示。
圖4 單臺盾構單軸測點示意圖
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徑向振動頻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，沒有較大的加速度沖擊。
圖7 輸出端軸承頻譜圖
診斷結果顯示此軸承沒有問題，油膜過厚。建議適當控制加油量，軸承可以繼續運行。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陷及油潤滑、對中、平衡、齒輪問題，建議施工項目嚴格控制有關掘進使用參數。之后，此盾構機掘進累計1 200m，無軸承故障發生。
2 、結論
通過在現場盾構主驅動軸承故障特征頻率測試結果可以發現，盾構機的主驅動軸承檢查不需要專業拆解檢測就可以運用沖擊脈沖技術隨時進行檢測，得出有關準確的分析結果。因此，盾構機主驅動軸承無損檢測應用技術是提高設備的安全性、可靠性，降低故障的損失，減少維護成本，提高經濟效益的有效方法。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，可以延生到其他項目的檢測中，保證施工進度的順利完成。
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