基于物联网的泥水盾构机在线监测和常见故障诊断技术

何冰 温银萍

摘 要：随着我国城市化进程的加快，城市规模不断扩大、人口数量增大，城市交通呈急剧增长的态势，地铁的修建公里数在不断增加，盾构机的使用越来越频繁，发生故障的确频率和数量增加。本文介绍了泥水盾构机的常见故障及处理方法，提出了针对逆水盾的在线监测和故障诊断系统。

关键词：物联网；泥水盾构机；在线监测；故障诊断；智能传感

泥水盾构机是盾构机（全名为盾构隧道掘进机）的一类，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代泥水盾构机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。工作原理为通过加压泥水或泥浆（通常为膨润土悬浮液）来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料（必要时添加泡沫等对土壤进行改良）作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量（旋转速度）进行调节。目前广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，但由于其包含的系统多，所以涉及需要监测及故障诊断的量大。

一、泥水盾构机常见故障及处理

1.泄漏故障及处理

泥水盾构机发生泄漏一般包括漏油、漏气、漏水三个方面。

（1）漏油方面。由于液压系统是泥水盾构机的重要组成部分，而漏油是液压系统的常见故障，漏油多发生在液压泵、液压阀、液压缸、液压马达及油管等相互连接的管路接头处。液压油泄露的原因视情况而定，大体上有两种原因，一是在长期使用过程中由于受力、振动等原因导致接头连接处松动，这种情况采用匹配型号的扳手（优先选用力矩扳手）紧固即可，泥水盾构机管路螺纹均为右旋，扳手需顺时针转动。二是由于安装调试、维修保养、等致使故障处理连接处螺纹磨损，导致接头配合不紧密，此种情况可以缠一些生胶带在螺纹上。三是密封圈，可能是密封圈老化、破损。此种情况更换密封圈即可。

由于地铁施工过程中的设备和环境特殊性，一般液压系统的故障处理多在现场完成。所以，整个漏油故障处理过程中，要防止管路螺纹沾上杂质，处理完成之后，需要及时管路及泄露的液压油擦拭干净，观察一段时间，如果仍然泄露，则需进一步处理。

（2）漏气方面。泥水盾构机的气动系统漏气原因与漏油基本类似，多为接头松动、螺纹配合不紧密，大部分能通过观察和声音来判断故障部位。故障处理办法可以参照漏油故障解决方法。

（3）漏水方面。由于泥水盾构机的施工原理和构造原因，存在大量的泥水混合管路及接头，在法兰连接处、管路接头处，由于连接松动、螺纹磨损和密封垫片破损等原因导致漏气现象发生。解决方法也有紧固连接处、紧固法兰连接螺栓、更换密封圈及法兰盘等。

2.注浆泵故障及处理

注浆泵由于电源没有合闸、注浆泵内部注浆材料凝固、灌注引水不敷、泵内空气无法排出、吸水管漏气、前衬板与叶轮间隙大、出水管道不克不及封住空气、泵内有空气、分离聚会器闭合不紧、叶轮或衬板磨等原因会发生注浆泵无法运转、压力不足、有异响，注浆泵出水压力小、流量小，注浆泵不吸水、注浆泵上水慢等故障现象。

处理方法为，全面检查连接线路，看是合闸、断路、线路脱落、导线断裂；清理注浆泵吸入口、注浆泵内部；持续灌注引水、反省管路能否漏气、调理叶轮与前衬板间隙；调理间隙、调理出水管道、装置抽真空安装；排空泵内气體、调理间隙、调理分离聚会器摩擦片间隙、改换叶轮或衬板等。

3.电磁阀电源漏电保护器跳闸

电磁阀电源跳闸的原因多为该电源下某个电磁阀接线短路，比如电磁阀接线处进水。电磁阀电源跳闸，如果合闸不上，则检查对应的电磁阀，观察电磁阀表面是否有水迹。如果没有明显迹象，则找到电磁阀对应的接线端子箱，通过拔下熔断器断开某个区域的电磁阀电源，测试并确定故障发生在哪个区域。确定区域之后，拔下所有的电磁阀熔断器，用万用表逐一测电磁阀接线电阻。如果某个电磁阀接线阻值很小几乎为零，就说明该电磁阀发生短路。找到对应的电磁阀，对电源接线进行检查。

二、物联网技术

物联网从技术架构上一般可分为感知层、网络层和应用层。感知层主要功能是对信息进行采集和物件识别，由各种传感器及传感器网关构成。网络层主要功能是对从感知层获取的数据信息进行传递和处理，由各种现地网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成。应用层是物联网和泥水盾构机的接口，与用户需求结合，实现物联网技术在泥水盾构机的智能应用。

智能传感器具有设备或环境信息感知、板载诊断、数据采集、分析、转换处理、告警和通信等功能，由微处理器驱动的传感器与仪表套装，选配无线射频模块，为泥水盾构机监控系统及用户提供相关信息，在泥水盾构机在线监测系统中，对于分布感知的数据，如电动机温度、液压系统油压、气压系统气压、泥水流量、设备二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头及辅助设备或环境的状态信息等传感器，将其设计于数据采集智能模块中，实现对泥水盾构机全景数据的分布式采集、故障。

三、基于物联网的泥水盾构机常见故障诊断

1.系统设计方案

系统整体设计方案如图1所示。

2.系统功能

（1）在线监测与实时智能诊断。系统通过采集泥水盾构机各系统电参数信号，获取设备运行状态信息，利用先进的信号识别和表征技术，实时定量诊断故障损伤部位和严重程度。

（2）预警预报。工作人员可随时掌握设备运行状态，发生超限、故障时，Web界面端可自动弹出报警类型、报警状态、报警时间等，并可通过配件实现语音报警。

（3）诊断报告自动生成。通过选取故障数据，系统自动输出诊断分析结果和诊断报告。

（4）数据查询。以表格形式输出报警记录，可对机电设备的历史数据进行查询，另外可进行趋势分析。

（5）针对设备测点进行振动数据分析，包括实时波形数据分析、频谱分析、包络谱分析、振动特征值计算等。

（6）支持远程访问，实现数据共享和多点访问。

3.系统特点

（1）泥水盾构机故障在线智能定量诊断，实现故障准确定位与维修指导。

（2）泥水盾构机运行状态集中监测，实现运行状态信息全面实时监测。

（3）故障预警，历史数据为设备健康状态评估提供依据，为设备趋势分析提供支撑。

（4）高效的数据存储与数据库管理，实现数据的高可靠性。

（5）传感器、振动监测仪等设备通过电磁干扰试验，系统抗干扰能力强。

四、结束语

本文针对物联网技术优势和泥水盾构机施工和故障特点，提出了将物联网技术应用在泥水盾构机的在线监测及故障诊断系统中一种设计方案。

参考文献：

[1]梁敏富等.温补型光纤Bragg光栅压力传感器在锚杆支护质量监测中的应用[J].煤炭学报，2017，42

[2]冼国华.基于物联网技术的污染源在线监控平台设计与分析[J].广东化工，2018，12