楊其明, 康寶生, 易新乾

(1. 北京天捷優(yōu)越科技有限公司, 北京 100088; 2. 中鐵隧道集團(tuán)有限公司, 河南 洛陽 471009;3. 石家莊鐵道大學(xué), 河北 石家莊 050043)

?

盾構(gòu)主軸承齒輪箱應(yīng)用參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性研究

楊其明1, 康寶生2, 易新乾3

(1. 北京天捷優(yōu)越科技有限公司, 北京 100088; 2. 中鐵隧道集團(tuán)有限公司, 河南 洛陽 471009;3. 石家莊鐵道大學(xué), 河北 石家莊 050043)

以刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和主驅(qū)動(dòng)電流為3個(gè)變量，通過理論推導(dǎo)，定義參量“能量輸出效率E”，對(duì)盾構(gòu)主軸承齒輪箱的能量傳遞效率進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。其可行性在延長盾構(gòu)/TBM使用壽命相關(guān)研究實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。對(duì)主軸承齒輪箱等盾構(gòu)部件工作狀態(tài)進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，“E”參量具有開發(fā)應(yīng)用前景。

盾構(gòu)/TBM； 主軸承齒輪箱； 狀態(tài)監(jiān)測(cè)； 參數(shù)監(jiān)測(cè)； 能量輸出效率E

0 引言

為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)運(yùn)行的安全、長效，中國中鐵隧道集團(tuán)將《應(yīng)用減摩修復(fù)技術(shù)延長盾構(gòu)使用壽命研究》列入科技開發(fā)計(jì)劃。此研究通過在掘進(jìn)施工中對(duì)盾構(gòu)主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機(jī)齒輪箱應(yīng)用減摩修復(fù)技術(shù)達(dá)到延長盾構(gòu)使用壽命的目標(biāo)[1]。為了評(píng)價(jià)所采用摩安減摩修復(fù)技術(shù)的安全性和有效性，作為試驗(yàn)方案的一部分，在研究中運(yùn)用了參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)。參數(shù)監(jiān)測(cè)是與振動(dòng)監(jiān)測(cè)、油液監(jiān)測(cè)相并列的3大現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)之一[2-3]。盾構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，為使各功能部件在封閉、惡劣、高負(fù)荷、強(qiáng)沖擊的環(huán)境下安全高效地運(yùn)行，采用多種機(jī)電傳感器，實(shí)時(shí)采集、記錄如電流、電壓、轉(zhuǎn)速、壓力等常規(guī)機(jī)電數(shù)據(jù)，并預(yù)設(shè)閾值報(bào)警。這些數(shù)據(jù)包含著大量的信息，為基于單一數(shù)據(jù)變量的大樣本經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析提供了條件。然而，這些原生單項(xiàng)數(shù)據(jù)雖能用來比對(duì)、監(jiān)視其是否處于設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的安全范圍之內(nèi)，但很難對(duì)各功能部件乃至整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)和效能做出綜合評(píng)價(jià)。主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機(jī)齒輪箱均屬于齒輪系摩擦副，其功能是在變換工作轉(zhuǎn)速的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。利用各類單項(xiàng)機(jī)電數(shù)據(jù)，推演、定義科學(xué)的工程參量，以監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)齒輪系能量傳遞的效能，是在上述項(xiàng)目研究中對(duì)減磨修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵課題，需要在理論基礎(chǔ)和分析方法上進(jìn)行創(chuàng)新。

據(jù)此，在采集多項(xiàng)工作參數(shù)數(shù)據(jù)大樣本和綜合分析其相關(guān)性的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程力學(xué)基本理論，提出“能量輸出效率E”并對(duì)其進(jìn)行了定義和參量推導(dǎo)。該研究在上述項(xiàng)目實(shí)踐中首用成功，同時(shí)也驗(yàn)證了將基于工作參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)/TBM的可行性。

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采自在長株潭城際鐵路綜合 Ⅰ 標(biāo)五工區(qū)施工的2臺(tái)海瑞克盾構(gòu)(S657(試驗(yàn))、S658(對(duì)比))的主軸承齒輪箱、減速齒輪箱和螺旋輸送機(jī)齒輪箱，各取12項(xiàng)。其中，直接反映主軸承齒輪箱工作性能和故障情況的有10項(xiàng)： 1)刀盤扭矩； 2)刀盤轉(zhuǎn)速； 3)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流； 4)齒輪油溫度； 5)刀盤扭矩報(bào)警； 6)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流報(bào)警； 7)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩限制器脫扣； 8)主驅(qū)動(dòng)齒輪油溫報(bào)警； 9)齒輪油過濾2； 10)OPV 1-3。

與主軸承齒輪箱動(dòng)力傳遞性能和摩擦能量損失直接相關(guān)并需常態(tài)監(jiān)測(cè)的主要是前4項(xiàng)數(shù)據(jù)，即刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流和齒輪油溫度。

2 單項(xiàng)機(jī)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)以上4項(xiàng)工作參數(shù)在2個(gè)月內(nèi)各626個(gè)數(shù)據(jù)利用常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，得到各自的變化曲線以及平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)學(xué)參量[4]。圖1—3示出S657盾構(gòu)(試驗(yàn)機(jī))的機(jī)電參數(shù)數(shù)據(jù)和曲線圖，另一臺(tái)對(duì)比機(jī)的數(shù)據(jù)圖省略。

圖1 刀盤扭矩?cái)?shù)據(jù)變化曲線(S657)

在試驗(yàn)盾構(gòu)自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)報(bào)告中，以額定電流(460 A)為1、所測(cè)實(shí)際電流與額定電流百分比作為驅(qū)動(dòng)電流的計(jì)量方式，本文保留原始表達(dá)方式，下同。

圖3 主驅(qū)動(dòng)電流數(shù)據(jù)變化曲線(S657)

Fig. 3 Electric current variation curve of main driving (S657)

2臺(tái)盾構(gòu)主軸承齒輪箱機(jī)電參數(shù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表可知，將刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流3個(gè)單項(xiàng)機(jī)電參數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行單項(xiàng)比對(duì)，很難對(duì)2盾構(gòu)主軸承齒輪箱的工作狀態(tài)做出區(qū)分和判斷。這是由于與其他穩(wěn)定工況下運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備存在本質(zhì)不同，盾構(gòu)工作環(huán)境和載荷多變，這3個(gè)機(jī)電數(shù)據(jù)各自變化較大卻又彼此高度相關(guān)。單項(xiàng)數(shù)據(jù)比對(duì)只能用來判斷其是否超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這從安全監(jiān)視角度講是十分必要的，但均無法用來定量表征和綜合判斷主軸承齒輪箱在能量傳遞方面的工作狀態(tài)。

表1 2臺(tái)盾構(gòu)主軸承齒輪箱機(jī)電數(shù)據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 能量輸出效率E

3.1 參量定義與理論推導(dǎo)

針對(duì)此項(xiàng)研究的特定對(duì)象、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和課題目標(biāo)，提出“能量輸出效率E”(暫以英文單詞efficiency首字母“E”命名)的概念，作為監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)主軸承齒輪箱工作狀態(tài)的綜合參量。

齒輪箱是以變換轉(zhuǎn)速為目的的能量傳遞摩擦副。盾構(gòu)主軸承齒輪箱的源頭能量輸入形式為電能，能量輸出形式為機(jī)械能。在電能驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)齒輪箱的能量傳遞和轉(zhuǎn)速變換，刀盤以一定扭矩和轉(zhuǎn)速切割土石方，消耗機(jī)械能從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)。在齒輪箱能量傳遞過程中，自身的機(jī)械摩擦消耗了一部分輸入的驅(qū)動(dòng)能量，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而減少了輸出能量。齒輪箱工作狀態(tài)越好，其能量消耗越少，能量傳輸效率越高。輸出功率P1與輸入功率P2之比可作為表征齒輪箱工作狀態(tài)的參量，即定義能量傳輸效率E=P1/P2。

根據(jù)物理學(xué)原理，剛性體(如主刀盤)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其輸出機(jī)械功率

P1=T·ω[5]。

式中：T為扭矩，N·m；ω為角速度，rad/s。

由此可得，主刀盤輸出功率

P1=T·ω=T·2π·r/t=2π·60·T·r/min=

120π·T·r/min。

式中：r為轉(zhuǎn)數(shù)，量綱為一；t為時(shí)間，s。

作為齒輪系的能量輸入端，輸入電功率

P2=I·V。

式中：I為驅(qū)動(dòng)電流，A；V為輸入電壓，V。

則能量傳輸效率

為求解使用“能量傳輸效率E”，受現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的限制和出于平行試驗(yàn)的特定應(yīng)用考慮，能量傳輸效率公式可以進(jìn)一步簡化，但條件是：

1)通過盾構(gòu)操作系統(tǒng)，所能采集到的輸出端實(shí)時(shí)參數(shù)，是以MN·m為單位的扭矩和以r/min為單位的轉(zhuǎn)速。經(jīng)以上推導(dǎo)可知，在這些工程單位與標(biāo)準(zhǔn)單位的換算過程中雖出現(xiàn)了常數(shù)項(xiàng)120π，但量綱沒變。故為使用方便，直接采用主刀盤扭矩T(MN·m)與刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)之積表征輸出功率P1，省略常數(shù)項(xiàng)120π。

2)由于所試驗(yàn)的盾構(gòu)操作系統(tǒng)沒有采集加載在主刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上輸入電壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，故在假定各臺(tái)盾構(gòu)輸入電壓基本相同并穩(wěn)恒(排除出現(xiàn)較大波動(dòng)的異常情況)即V為常數(shù)的常態(tài)條件下，由電流I獨(dú)立表征輸入功率P2。

3)盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)電流讀取數(shù)據(jù)時(shí)保留了設(shè)備操作系統(tǒng)自動(dòng)生成的相對(duì)電流計(jì)量數(shù)據(jù)，計(jì)量單位為%，而不是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位A。將其作為同一型號(hào)盾構(gòu)的非標(biāo)工程單位，予以直接使用，不再換算為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位。

在以上邊界條件基本成立時(shí)，“能量傳輸效率E”可簡化為可直接應(yīng)用的“E*”，

在以上特定條件下定義的“E*”可以解釋為“單位驅(qū)動(dòng)電流所產(chǎn)生的機(jī)械能輸出功率”。理論上，如E*值越大，則表明每單位驅(qū)動(dòng)電流可輸出更高能量，驅(qū)動(dòng)和變速系統(tǒng)的工作狀態(tài)更佳；反之，則能量損耗大，輸出效率低，系統(tǒng)工作狀態(tài)欠佳。

3.2 概念與定義的應(yīng)用

引入E的概念和E*定義后，對(duì)表1進(jìn)行補(bǔ)充，得到表2。

表2 2臺(tái)盾構(gòu)主軸承齒輪箱的E*值

由表中E*值的計(jì)算結(jié)果，不但可以定性地得出試驗(yàn)盾構(gòu)S657主軸承齒輪箱的工作狀態(tài)要優(yōu)于對(duì)比盾構(gòu)S658，而且可以進(jìn)一步定量地計(jì)算出能量輸出提高的比例并說明性能優(yōu)化的程度。該試驗(yàn)結(jié)果表明，通過減磨技術(shù)降低因齒輪摩擦產(chǎn)生的能量損失，能夠有效提高能量傳遞的效率。

4 主軸承齒輪箱潤滑油溫度監(jiān)測(cè)

潤滑油溫度也是潤滑機(jī)械參數(shù)監(jiān)測(cè)的重要選項(xiàng)之一[3]。圖4和圖5分別示出S657盾構(gòu)(試驗(yàn))和S658盾構(gòu)(對(duì)比)在試驗(yàn)同期的齒輪油溫度變化曲線。

圖4 S657盾構(gòu)(試驗(yàn))齒輪油溫度變化曲線

Fig. 4 Temperature variation curve of grease oil of shield S657 (tested)

圖5 S658盾構(gòu)(對(duì)比)齒輪油溫度變化曲線

Fig. 5 Temperature variation curve of grease oil of shield S658 (compared)

統(tǒng)計(jì)分析及評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 主軸承齒輪箱潤滑油溫度對(duì)比

Table 3 Comparison between shield S657 and shield S658 in terms of lubricating grease temperature of main bearing gearboxe

盾構(gòu)平均溫度/℃溫度標(biāo)準(zhǔn)差/℃平均溫度差值/℃平均溫度相差比例/%S657(試驗(yàn))36.544.33-1.92-5.0S658(對(duì)比)38.464.2100

2齒輪箱潤滑油溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差值幾乎相等，說明數(shù)據(jù)離散程度相同，在此基礎(chǔ)上對(duì)平均溫度進(jìn)行單項(xiàng)對(duì)比則基本可行。試驗(yàn)機(jī)平均油溫低于對(duì)比機(jī)近2 ℃，二者相差5%，表明在實(shí)施減磨技術(shù)后，減少了因齒輪摩擦而產(chǎn)生的熱能損失。潤滑油溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與能量輸出效率E值提高的結(jié)論相吻合。

5 結(jié)論與討論

1)以刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和主驅(qū)動(dòng)電流為3個(gè)變量,從理論上提出、定義并推導(dǎo)了“能量輸出效率E”參量，以對(duì)盾構(gòu)主軸承齒輪箱能量傳遞效率做出定量評(píng)價(jià)。其有效性和實(shí)用性在延長盾構(gòu)/TBM使用壽命的相關(guān)研究實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。

2)“能量輸出效率E”的提出和試用為在大型機(jī)械裝備(如盾構(gòu)/TBM等)上應(yīng)用工作參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。在今后盾構(gòu)/TBM的設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)用過程中，“能量輸出效率E”有著潛在的應(yīng)用價(jià)值和開發(fā)前景。

3)受當(dāng)前工作參數(shù)數(shù)據(jù)采集覆蓋面的限制，“能量輸出效率E”定義變量尚存在不充分性。例如，由于無法實(shí)現(xiàn)輸入電壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集而在能量輸入端由電流獨(dú)立表征輸入功率，這必然會(huì)給應(yīng)用結(jié)果的可信度帶來影響。今后應(yīng)在此基礎(chǔ)上及時(shí)跟蹤設(shè)備的技術(shù)升級(jí)，予以補(bǔ)充和完善。

[1] 康寶生，陳義得，陳饋. 應(yīng)用減磨修復(fù)技術(shù)延長盾構(gòu)/TBM使用壽命研究[J]. 隧道建設(shè)， 2015， 35(9)： 861-866.

KANG Baosheng, CHEN Yide, CHEN Kui. Study of prolonging service life of TBMs by using friction-reducing and self-repairing technology[J].Tunnel Construction, 2015， 35(9)： 861-866.

[2] 楊其明，嚴(yán)新平，賀石中，等. 油液監(jiān)測(cè)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006. YANG Qiming，YAN Xinping，HE Shizhong，et al. Oil monitoring and analysis: A field practical technology[M]. Beijing: China Machine Press, 2006.

[3] Babbar A, Syrmos V L, Ortiz E M, et al. Advanced diagnostics and prognostics for engine health monitoring[C]//Proceedings of the IEEE Aerospace Conference.[S.l.]: [s.n.], 2009.

[4] 陳家鼎，劉宛如，汪仁官. 概率統(tǒng)計(jì)講義[M]. 3版.北京： 高等教育出版社， 2004. CHEN Jiading，LIU Wanru，WANG Renguan. Probability and statistics[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press， 2004.

[5] 周衍柏. 理論力學(xué)教程 [M]. 3版.北京： 高等教育出版社， 2009. ZHOU Yanbo. Rational mechanics[M]. 3rd ed. Beijing: Higher Education Press， 2009.

Study of Feasibility of Applying Parameter Monitoring to Main Bearing Gearbox of Shield

YANG Qiming1, KANG Baosheng2, YI Xinqian3

(1.BeijingTechjetScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100088,China;2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China;3.ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

In order to evaluate the energy transmit efficiency of main bearing gearbox of shield/TBM quantitatively, a reference valueE(efficiency of energy output) is calculated and defined theoretically based on 3 variables, i.e., torque, rotational speed and driving current of the cutting wheel. Its feasibility has been verified in the research practice about prolonging the service life of shield/TBM. The parameter monitoring is carried out on working condition of shield/TBM components such as main bearing gearbox. TheEparameter is worth developing and popularizing.

shield/TBM; gearbox of main bearing; condition monitoring; parameter monitoring; energy output efficiencyE

2017-02-20;

2017-04-01

楊其明(1946—)，男，山東濟(jì)寧人，1969年畢業(yè)于北京大學(xué)，物理專業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工業(yè)摩擦學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用工作。E-mail: qmy0202@aliyun.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.017

U 455.3

A

1672-741X(2017)05-0637-04