盾构液压系统故障的现场检测与诊断探究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 2期 盾构液压系统故障的现场检测与诊断探究 高会 中． 冯欢欢 中铁隧道集 团盾构及掘进技术国家重点实验室 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 1 摘要 在全面分 析盾 构液压系统常见故障的基础上 ， 针对施工现场所采用 的简单故障诊断方法 的不足 ， 依据液压 系统故 障检测诊断 技术 的发展趋势 ， 并结 合已有 的成熟技术 ， 提出了一套 盾构 液压 系统故 障智能诊断 系统 。 以螺旋输送机后闸 门液压系统故障为例 ， 进行 了应用说 明， 能够为盾 构施工现场 的液压系统故障诊断提供指导 。 关键词 盾构 ； 液压系统 ； 故 障检测 ； 故障诊断 中图分类号 T H1 3 7 ．9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 7 8 0 4 S t ud y o n t h e F a u l t De t e c t i o n a nd Di a g n o s i s o f S h i e l d M a c hi n e Hy d r a u l i c S y s t e m GA0 Hu i - z h o n g， F E NG Hu a n - h u a n S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S h i e l d Ma c h i n e a n d B o r i n g T e c h n o l o g y ， C h i n a R a i l w a y T u n n e l G r o u p ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f s h i e l d h y d r a u l i c s y s t e m c o mmo n f a u l t s ， a n i n t e l l i g e n t f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m w a s p r o p o s e d t o o v e r c o me the s h o r t a g e o f s i mp l e f a u l t d i a g n o s i s me t h o d s ，w h i c h wa s c o mb i n e d w i t h t h e e x i s t i n g ma t u r e t e c h n o l o g i e s ．Th e s h i e l d h y d r a u l i c i n t e l l i g e n t f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m wa s i l l u s t r a t e d b y a n e x a mp l e o f a s c r e w c o n v e y o r l a t e g a t e f a u l t ， p r o v i d i n g g u i d a n c e f o r the d i a g n o s i s o f s h i e l d h y d r a u l i c s y s t e m f a u l t s ． Ke y wo r d s s h i e l d ma c h i n e ； h y d r a u l i c s y s t e m； f a u l t d e t e c t i o n； f a u l t d i a g n o s i s 0 引言 盾构机是用于隧道建设 的专用 大型机械装备 ． 由 于液压传动 良好 的特性 。 因此盾构推进系统、 管片拼装 系统 、 螺旋输送系统、 刀盘驱动系统等关键机构都是 由 液压系统来驱动 ． 液压系统可以说是盾构机的心脏 ． 是 盾构机 的动力之源。但是相 比于其他驱动方式 ， 液压 系 统故障具有隐蔽性 、 交叉性等特点 ， 并且由于施工现场 条件有限难 以对液压系统进行系统 的监测 ．所以当发 生故障时， 快速的检测故障往往非常困难 。根据调查 确定液压系统故 障原因 占液压系统故障总停工时间的 7 0 ％～ 9 0 ％t” 。因此 ， 如何在现场有限的条件下快速准确 地检测出液压系统故障的原 因并进行排除 ．是盾构法 施工的一个主要难题 1 盾构机施工现场常见液压系统故障分析 盾构机施工现场常见 的液压系统故障主要有油液 污染 、 油温升高 、 元器件损坏以及液压系统泄漏[2 卅。这 基 金 项 目 国家 9 7 3课题 2 0 1 2 C B 7 2 4 3 0 8 ； 国际合 作 专项 2 0 1 1 D F B 7 1 5 5 0 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 1 9 作者简介 高会中 1 9 8 8 一 ， 男 ， 河南新乡人 ， 本科 ， 主要从事盾构施工控制技 术工作。 78 些故障的发生不是孤立 的． 而是交叉影响的 ． 不同故障 之间极有可能形成恶性循环 1 油液污染 液压油的污染一直是盾构液压系统的重大 问题 污染物会堵塞滤油器 见图 1 和管路造成流量不足、 压 力建立不起来等严重后果 ．有可能导致盾构拼装机等 执行机构工作时突发失效或动作不到位 ．威胁施工安 全。液压油污染原因主要有两点 ①液压元器件损坏或 者是在做工 时 由于摩擦 作用等不 可避免产 生 的金 属 屑， 会对液压系统造成巨大污染 ； ②周围环境中的水、 空气进入油液 ．当水进入高温高压正在做工的液压油 中会导致油液瞬间炸开 。 严重地会损坏元器件 ． 并且试 验表 明当液压油 中混入水分 占 0 ． 0 5 ％～ 0 ． 1 ％时 ． 油的透 明度便 明显变差 ， 若混入水分 占 0 ． 2 ％～ 0 ． 5 ％时 ． 会导致 液压油乳化IS ] 空气则可能从密封损坏或泄漏处进入液 压系统 ． 加速液压油的氧化变质 。 一 图 1 滤清器内沉积 的金属污染物 HvdraulicsPneum aticsSeals， NO．12．2013 2油温升高 由于盾构外负载 的多变性 ，使得刀盘驱动 系统、推 进 系 统等大 功率液压系统的压力和流 量频 繁 发生变 化 ，导致部分液压能转化为热能，引起油温升高。另外． 液压弯管或换 向阀处 ．直行 的液压油以极高的动能和 压力碰撞管壁 发 生折 向．也会有相 当部分的液压能转 变 为热 能 引起 一 定 范 围的油液升温。液压系统正常 的 工作油 温为35℃ ～ 55℃．油温升高会导致诸多不利影 响①油温升高会使油液 黏度降低见图2、摩擦阻力 增大．引起机件发热和泄漏增加．当温度达到 一 定程度 后更会造成执行元件如液压缸等动作不灵⑦当油温 超过55℃后 温度每升高9 0c ．油 的使用寿命只有原来 一 半{ 61 ；③高温使液压油更 易氧化形 成沉积物，堵塞滤油 器和油液通道．影响液压系统正常工作同。 一 1 ∞ N ● 量 、 。 宝 剑 辖 温度／ ℃ 图2粘温曲线 3元 器件磨损 盾构液压系统元器件磨损主要是液压泵和液压阀 的磨损．这 主要是由于液压油中含有较大 的颗粒金属 污染物造成 的．液压泵及 液压阀的密封间隙和滑动 间 隙在3 ～ 10tLm之间 ．颗粒污染物会侵入密封 间隙引起 磨损．有数据显示液压泵元器件90％的故障都是 由此 引起的。液压泵磨损会导致泄漏增大 、输出流量下降[ 81 。 液压阀磨损则会使阀芯粘滞加大 阀芯运动阻力．造成 推进 系统 、刀盘驱动 系统等压力异常见图3、动作滞 后或失稳等故障。 图3刀盘泵柱塞磨损 4液压系统泄漏 盾构液压系统泄漏也是常发 故障．主要原 因是液 压系统工作时产生的冲击和振动造 成管接头松动、液 压系统动密封件及 配合件相互磨损、油温过高以及 油 液污染等造成 的[ 91 。 一 般可分为外泄漏和内泄漏。外泄 漏表现为在液压 缸、液压管路或液压泵等元件的外部 渗出液压油见图4。内泄漏则多发生在液压阀内部比 较隐蔽，容易造成 系统 动力泄漏。如 在盾构管片拼装系 统 中．液压内泄漏可能会使负责液压系统压力调整 的 比例溢 流阀失效 ．系统压力建立不起来导致管片拼装 机动力不足 ，无法完成管片拼装作业。 图4液压 缸泄漏 2传统的检测诊断方式 1人工经验 传统的液压系统检测诊断方式主要是依靠人工经 验来判定，主要有 1目测 法现场维护人员可以直观地用 眼睛来观 察液压系统各个部位压力表和油温表在工作时值的变 化以及密封部位是否漏油等来判断液压系统故障状态 2耳 听法不同的故障可能产生的噪声也是不同 的 ，维保人员可以通过聆听液压系统工作时产生的噪 声来判断故障发生 原 因及位置 3触摸法通过用手触摸液压系统相关元器件来 感知振动 、温度等异常情况来判定液压系统故障情况。 4人工巡检和定期检修建立常态化的人工巡检 和定期检修制度 。依靠人工频繁地检查和检修来发现 问题。排 除隐患。 2仪器检测法 现场人员必要时可以借助于压力检测仪 、流量计 或温度计等仪器来逐个 检测 阀体两侧的压力 、流量以 及 油温等值是否符合系统良性运行标准来判 断故障。 但是仪器检测法 检测 的项目比较分散．难以系统地串 联来分析故障，只适用于分析比较单 一 的故障。 对于 一 般的故障．通 过人工经验以及简单 的仪器 检测 法就可以有效地进行识别判定 ．但是盾构液压系 统是机 电液高度集成的复杂系统 ，对于 一 些深层次 、隐 蔽性 的故障，这两种方法就有些力所难及 了。 3液压系统故障智能检测系统 随着液压系统机电液 一 体化 的高度集成的发展趋 势 ，液压系统故障诊 断技术的发展也趋 向于不解体、高 79 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 1 2期 精度、 智能化及网络化【 蚓 。传统 的液压系统故障检测方 法具有很强的盲 目性 和经验性等缺陷 ．业已不能满足 当前需要 ， 急需开发一种能够综合诊断且经济 、 实用 、 快速的智能检测系统 1 基 本 原理 该系统主要是以知识处理为核心 ．利用电子信息 及计算机技术来进行故 障诊断 ．通过布设的不 同种类 的外置和 内置微型传感器 ．实时测量液压系统各个测 点的温度、 压力以及流量等信号 ， 反馈到工控机 。然后 由系统软件依据故 障树分析法 见图 5 等算法 ， 根据故 障参数对 比知识数据库确定液压系统的工作状态及故 障情况 。 实现液压系统故障的快速检测与维修 。 盾构机 H传感 压系统L _ 一器组 数据 库 ． - - 1 故障 一 T 一。 I 诊断 』 ] I 系 统 蒺 用 户 界 面 输 出 图 5故 障智 能 诊 断 系统 原 理 图 2 基 本 组成 该系统由硬件和软件两部分组成 硬件部分包括传 感器 、 数据采集及处理设备 、 工控机等。 其中传感器是整 个故障智能检测与诊 断系统的重要环节． 要求能够实 时、 准确地获得整个液压系统的主要动态参数 ， 如压力 、 流量 、 温度 、 速度 、 振动和噪声等 ； 数据采集处理设备负 责在故 障诊断过程 中随时扫描各个传感器数据输入端 口， 采集液压系统各个部分 的工作参数 ． 并将传感器所 获取的初级信号进行 隔离 、 滤波、 放大等调理转化为系 统能够识别的电信号输入数据库存储以供系统软件进 行后续的故障分析与判断 工控机则是一种高性能计算 机 ． 是承载系统软件进行数据处理与输 出的平台 软件系统主要由数据库、 数据采集程序 、 故 障检测 和诊断主程序等组成 。数据库是该系统的重要组成 ． 主 要有两个功能 第一 ， 作为知识库来存储液压系统故障 的原理性知识、领域专家 的经验性知识 以及相关 的特 征等 ． 它的优劣决定着该系统诊断能力的高低 。第二 ， 作为信息存 储库用来存储传感器采集到 的原始数据 ． 然后结合知识库运用数据挖掘技术进行对 比来判断故 障的原因、 位置等。 数据采集程序通过传感器实时采集 反映液压系统状态 的参数 ， 如液压油 、 液压泵 、 伺 服阀 以及执行机构工作时的温度、 流量 、 速度与压力变化等 数值 ， 并将采集值处理后反馈故障诊断主程序 故障检 测和诊断主程序根据故 障树分析法和采集到的信息并 综合基于规则 、 参数等算法对数据库进行挖掘 。 对液压 8 0 系统故障进行推理分析 ，最终诊断 出故障 的原 因、 位 置、 并预测发展趋势。 3 技术应用 针对盾构液压系统故障多样性 、 突发性 、 复杂性 、 隐蔽性 、 交叉性等特点 。 液压系统故障智能诊断系统综 合人工智能 、 参数测量等先进诊断策 略构建 。 并借助计 算机 、 电子信息 、 传感器和动态检测等先进成熟技术 ， 通过信号采集 与处理 、 专家数据库、 数据挖掘 以及合理 的推理算法 ．可 以正确 的描述液压系统故障的真实状 态 ， 快速准确地诊断出液压系统 的故障。相 比于传统的 故障检测诊断方式 ．可 以大大提高盾构液压系统检测 与维修的智能化和效率。 4 盾构液压系统故障案例分析 盾构螺旋输送机后 闸门关不严是盾构施工过程 中 经常出现的一个难题 。其故障特征主要表现为 盾构主 司机对螺旋输送 系统进行调整时后 闸门液压支路的压 力上不去 ， 闸门液压缸无法到达指定位置。 1 现场的人工初步检查 当故障发生时 ．应 当首先 由专业维保人员 对照液 压系统 图通过询 问了解 、 目测法 、 耳 听法 、 触摸法等方 法对故 障作一个大致的了解 ．然后依据经验来进一步 分析判定产生故 障的原因。在没有大体判断 出故障点 位置的情况下不能够盲 目地对系统进行拆卸 2 仪器诊断 通过现场的初步诊断 ， 如果仍然无法查明原 因． 消 除故障． 那么可以借助一些仪器来进行检测 。例如可以 使用压力检测仪和超声波流量计来检测变矩器、溢流 阀等 阀门进 口和出 口的压力或者流量是否符合要求 ． 找出故 障特征 ， 然后根据因果关系 、 前后顺序等来进行 调整、 更换等操作来寻找原因、 排除故障。 3 故障智能诊断技术应用 盾构螺旋输送液压系统具有较强的复杂性 和非线 性特点 ， 其故 障一般是深层次、 多方面 的。用人工经验 和简单 的仪器通常很难做到及时 、 全面、 系统 、 快速 的 查明原因、 排除故障。因此 ， 可以用故障智能诊断系统 来进行检测 1 通过传感器采集液压系统运行 中的主要参数 信息 ， 并将这些信息转变为电信号 。 然后输入信号采集 与处理设备 2 由于传感器采集的液压系统初始参数信号是 瞬态、 非平稳和突变的， 因此需要经过信号采集与处理 系统程序进行滤波 、 放大、 提高信噪 比等处理之后输入 工控机及故障智能诊断系统软件 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 1 2 ． 2 01 3 工程机械液压缸缸简材料选择之探讨 陈登 民． 王家聪 Di s c u s s i o n a bo u t t he S e l e c t i o n o f t h e Hyd r a u l i c Cy h nd e r Tu be M a t e ria l f o r En g i n e e r i n g M a c h i n e r y C HEN De n g - mi n， WANG J i a - c o n g 徐州徐工液压件有 限公 司， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 4 摘 要 该文从化学成分 、 力学性能 和焊接性 能等 方面对 汽车起 重机油缸设计中常用的几种材料进行了 阐述 ， 并 通过试验 ， 最终 确定 选 择 Q 3 4 5 B钢管代替 4 5 钢管 ， 可 以很好地解决油缸 的焊接缺 陷问题 ， 提高液压缸 的安全可靠性 。 关键词 力学性 能 ； 油缸 ； 焊接性能 ； 汽车起重机 中图分类号 T H1 3 7 ．5 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 8 1 0 5 0 号I 舌 在工程机械油缸的设计 中．我们首先需要考虑 的 是油缸 的结构与性能满足主机 的要求 ．其 中油缸 的强 度 、 韧性 、 密封性和加工工艺性能等都是与油缸的原材 料密切相关的。在液压缸 中． 缸筒的加工又是相对复杂 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 8 作者简介 陈 1 9 6 6 一 ， 男 ， 江苏沛县人 ， 高级工程 师 ， 硕士 ， 主要 从事机 械制造方 面的技术研究工作 。 的 ， 其力学性能必须满足液压缸 的工况要求 ． 其加工工 艺也对原材料 的焊接性 能、 冷热加工性能提出了要求 ， 而决定这 些性能 的最根本 的就是原材 料 的成分 和组 织。本文就是从这些方 面系统地研究 了各种常用原材 料对起重机油缸缸筒 的性能的影响 1 材料 的选择 1 概 述 目前 ．国内工程机械行业液压缸缸筒常用材料主 3 故 障智能诊 断系统软件调取传感器所提供 液 压系统故 障参数与知识库 中专家知识以及 以往某故障 参数进行对 比。 对故障进行初步分析判断 4 通过知识库数据挖 掘并 应用故障树分析法 等 算法 ， 最终生成故障分析报告 ， 指导故障排除。 5 结语 对于盾构这种大型的、 复杂的、 高度集成 的液压系 统 ， 现场快 速、 有效地检测故障具有非常重要 的意义 。 随着人工智能技术 的成熟 与推广 。 开发融合人工智能、 参数测量等多种优秀诊断策略优点的液压系统故 障智 能诊断系统已成为液压系统故障诊断的一大趋势 应 用这种技术可 以更为准确 、 科学 、 快速地判定液压 系统 的故 障．减少盾构施工因液压系统故 障停机带来 的经 济损失 参考 文 献 【 1 】 赵炯， 郑晟 ， 唐强， 等． 盾构机 远程在线监测 与诊断设计 及研究 [ J ] ． 机电一体化， 2 0 1 0 ， 1 0 4 4 4 7 ． 【 2 】 屈波． 工程机械液压系统故障的现场检测与诊断探究 【 J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 1 2 ， 6 1 1 6 1 1 8 ． [ 3 】 冯欢欢 ， 李凤远 ， 王助锋 ． 盾构液压技术现状与发展趋 势[ J 】 ． 建 筑机械化 ， 2 0 1 2 ， 5 7 7 7 9 ． [ 4 ] 李光 ． 管片 拼装 机液 压 系统 故障分 析 及处 理． 建 筑机 械 [J ] ， 2 0 1 0 ， 4 9 8 - 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