盾构机电气组成系统与常见故障处理分析.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯动 力 与 电 气 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯盾构机电气组成系统与常见故障处理分析邹焕兴(中交三航局第三工程有限公司 江苏南京 210000)摘要：盾构机是隧道掘进常用设备，具有开挖切削土体、拼装隧道衬砌、输送土渣、测量导向纠偏等多项功能，而电气系统是支撑盾构机各项功能实现的重要组成部分，由于日常使用时间长、工作环境恶劣，电气系统也成为故障发生频率较高的组成部分。为实现盾构机的安全、稳定运行，降低电气系统故障发生率，该文对盾构机及其电气系统的组成进行概述，并分析常见故障与处理措施，最后探究电气系统的维护与检修方案，以便科学处理故障，维护盾构机运行状态稳定，并提高电气系统故障预防能力，减少影响盾构机稳定运行的因素，保障掘进安全、顺利进行，规避停机维修。关键词：盾构机 电气系统 常见故障 处理措施 维护检修中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0090-04Analysis of the Electrical Composition System and Common Fault Handling of Shield MachinesZOU Huanxing(No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu Province,210000 China)Abstract:The shield machine is a common equipment for tunnel excavation,which has many functions such as excavating and cutting soil,assembling tunnel lining,transporting soil slag and measuring and guiding deviation correction,and the electrical system is an important part of supporting the realization of various functions of the shield machine.Due to the long daily use time and poor working environment,the electrical system has also become a component with high frequency of failures.In order to realize the safe and stable operation of the shield machine and reduce the occurrence rate of electrical system faults,this paper summarizes the composition of the shield machine and its electrical system,analyzes common faults and treatment measures,and finally explores the maintenance and repair plan of the electrical system,so as to handle faults scientifically,maintain the stable operation of the shield machine,improve the fault prevention ability of the electrical system,reduce the factors that affect the stable operation of the shield machine,ensure the safety and smooth progress of excavating,and avoid shutdown maintenance.Key Words:Shield machine;Electrical system;Common faults;Treatment measure;Maintenance and repair现代盾构机具有智能化、大型化、自动化的特点，是一种电气一体化隧道挖掘施工机械，其功能复杂、控制环节多，工序之间联系密切、关系复杂，保障电气系统稳定才能提高控制效率、减少故障，降低对掘进作业进度与安全的影响。但由于作业环境恶劣、风险系数偏高，电气系统易出现情况复杂的故障，导致现场长时间停机维修，耽误掘进工期。基于此，分析盾构机电气系统及其常见故障的处理、日常维护检修有着重要现实意义。1 盾构机电气系统的组成结构盾构机电气系统由4个部分组成：高压供电系统篇、低压配电系统、传感系统、PLC控制系统。在高压DOI：10.16661/ki.1672-3791.2301-5042-5397作者简介：邹焕兴（1988），男，本科，工程师，研究方向为船舶锚机、港口吊机、大型门吊、盾构电气。90SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 动 力 与 电 气科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION供电系统中，10 kV高压供电经由高压电缆从设备外部传送到台车变压器上，再经过主变压器的处理，转变为400 V后可以供给设备。而由变压器产生的低压供电也需供给变频柜、泵站、电源柜以及其他控制柜。而整台设备的核心与大脑是PLC控制系统1，如图1所示，通常安装在主控制室内，其配合处于设备中各个位置的传感器监测电气元器件运行情况，传感器将设备实时运行状态数据传递到PLC系统中，其读取、处理、分析各种类型信号后，再将信息传递给主控制室操作界面，控制人员接收到信号后，可以及时调整盾构机控制策略。在整台设备中，分布在不同位置的控制柜是PLC系统的控制分站，彼此之间基于通信线路实现连接，与执行机构如电磁阀、传感器连接，从而可以对设备动作采取针对性的控制措施2。盾构机的传感系统主要由感应设备组成，核心设备有传感器、接近开关、编码器等，可以通过传感器对油缸压力、执行机构角度、管路流量、执行机构位置等进行检测，为PLC控制系统精准运算提供客观数据。2 盾构机电气系统常见故障与处理措施盾构机电气系统故障主要因负荷大、运载时间长、工作环境恶劣等因素所致，但PLC系统发生故障的概率偏低，因此先考虑是否为电气设备故障，最后考虑是否为PLC系统故障。2.1 电气元件发生损坏在盾构机运行中，受多方面因素的影响电气元件出现故障与烧毁的概率较高，影响正常使用，导致盾构机的功能受到限制。例如：继电器发生烧毁或损坏，控制系统无法正常地向外输出信号、控制电机的启停，对于此类元件故障，应立即展开排查，观察位于电磁线圈上的电压继电器情况，并使电气系统处于失电状态，重新启动系统后观察继电器是否复位，也可以向线圈加电，对触点接通情况进行观察。又如：传感器、电磁阀出现故障，由于通过两者的电流偏小，检查中不易发现故障，可以通过排除法判断，将传感器拆卸下来连接到其他传感器接口上，再将其他运行状态传感器连接到该接口上，先判断是否因接口故障所致，接口无异常则表示传感器故障；若运行异常传感器在其他接口上的运行状态也存在异常，也表示存在故障3。2.2 刀盘电机无法启动对中交天和盾构机进行调试时发现刀盘电机无法正常启动，为避免电机运行异常影响机械系统工作效率，采取以下处理措施。（1）通过变频器实时控制刀盘电机的运行状态，并由操作人员通过触摸屏或总控面板发出控制信号，直接传输至操作盘的PLC控制系统中，再继续向动力盘PLC控制系统、变频器盘PLC控制系统传递指令，最后的传输对象为变频器。完成控制信号传输后将电机启动，此时若变频器的示值为0则表示无电压从输出端输出，然后将变频器与电机连接，变频器工作正常时表示刀盘电机本身无故障4。（2）将刀盘电机启动，此时速度、启动以及正反转信号均能正常传输给变频器，表示传输信号线路没有出现故障。（3）更换控制面板，判断是否因控制面板失灵所致。2.3 油脂气动注脂泵自动停止功能失灵中交天和盾构机在设计过程中常在油脂气动注脂图1 盾构机电气系统中PLC系统结构示意图91SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯动 力 与 电 气 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯泵的油脂油桶上安装含有2个探头的光电型接近开关，其中一个对应高液位，另一个对应低液位，经过检测则可以根据液位信号对注脂泵的启停进行控制，其中低液位信号表示桶内需要补油、高液位信号表示可以结束补油。若油脂泵无法自动停止，可以将PLC控制程序打开，根据程序上的显示结果判断故障、处理故障。如果桶中油位偏低，PLC程序上i29.4、i29.5均显示为0，再观察置位是否处于SR，如果处于需要立即启动自动注脂开关；桶中油位较低，PLC 程序上 i29.4、i29.5分别显示0、1时，若SR状态信号未发生改变，需要继续完成自动注脂；桶中油位较高，PLC 程序上i29.4、i29.5均显示为1，并复位SR，需要自动停止注脂泵的补油动作。由此可以发现，此次故障因接近开关的高液位感测探头损坏所致，应立即更换损坏配件，并调整PLC程序，临时将i29.4改为i29.5，先使桶中油位处于偏低状态，利用功能完好的低液位感测探头实现自动启动注脂泵5。2.4 连接线路异常连接线路异常也是盾构机电气系统发生率较高的故障之一，主要出现在元器件与功能、控制模块的连接上或通信网络的连接上，当连接线路出现断路或接触不良时，电气控制系统的信号传输将受到影响，出现传输效率下降或信号传输错误的情况，无法保障及时向处理模块中输送数据，从而影响整个电气系统的运行状态。2.5 管片拼装机前后动作灵敏性下降盾构机运行中出现管片拼装机前后动作灵敏性下降，但操控手柄时并未发出报警信号，对红、蓝色油缸伸缩与前后动作电磁阀进行控制时均无异常出现，此时，设备仍然可以正常地接收或发射无线信号，但拆卸手柄，发现控制油缸行进和伸缩按钮上有与电路板相接处的簧片，但也不会对油缸正常行进造成影响，反而会导致伸缩控制指令执行上出现迟钝现象，将与电路板相接处的簧片拆卸下来后，则看到断裂的触头。该情况可以直接更换簧片，若情况十分严重则需要更换整个操作手柄。2.6 刀盘电机故障灯常亮或闪烁，启动电机无反应运行时间过长或其他因素导致电极过热可能会导致刀盘电极故障灯出现闪烁情况，但出现常亮大概率是由电机电流超载造成自动跳闸或电机断路器未合闸所致。若故障灯为闪烁状态，应考虑是否为线路故障或热保护继电器故障，并立即检修线路或更换故障继电器。若故障灯为常亮状态，检查断路器合闸状态，未合闸时合上即可。若故障由电机电流超载所致自动跳闸，应检查过载电流保护值，若保护值在合理的区间内，应分析是否为动力回路出现短路，立即对回路的完好性与电机的稳定性进行检查。2.7 参数与程序故障排查上述故障后，若盾构机电气系统的运行仍然存在异常，则应考虑是否因PLC控制程序问题所致。以中交天和盾构机为例，在故障检查过程中调试螺旋输送机，发现其最高转速仅为5 r/min，但其设计最低要求为25 r/min，实际值与设计要求之间差异过大。进一步检测后并未发现线路与元器件上出现故障，PLC控制系统也能正常传输信号。最后由检修人员对比例阀放大板参数进行测量，测试结果显示其电流输出值较小，但并非因比例放大板存在问题导致。因此，对比例参数进行调整，发现调大后上述问题得到处理。此类故障则是由参数与程序故障所造成的，需要具有专业编程能力的技术人员进行处理，此外，在无特殊情况也尽量减少对PLC程序的更改。3 盾构机电气系统维护与检修方案分析鉴于盾构机在恶劣、复杂的环境中作业，应为电气系统的核心组成设备或元器件制订针对性的维护与检修方案，降低故障发生概率，保障盾构机稳定运行，从而高效完成掘进作业。3.1 交流电动机维护与检修方案日常维护与检修中对所有电机进行摇电测试，测试通过则无须外送保养，在摇电测试前先做好以下准备工作：将被测电机电源切断，并进行对地短路放电；清洁待测电极表面，降低检测过程中的接触电阻，避免对检测结果产生干扰；检查摇表工作状态是否在正常，并判断0点与点是否正常，摇动摇表手柄，使电机转速达到额定标准，若存在短路情况兆欧表会指在0点、若存在开路情况会指在点；摇表时必须放在稳固的位置上，并与外磁场、大外电流导体保持一定距离；可以采用相间绝缘或对地绝缘，但若为新电动机，则必须采用1 000 V摇表进行交接试验，测试绝缘电阻是否在1 M以上，非新电动机则可以用500 V摇表进行预防性试验，测试显示绝缘电阻值在0.5M以上即可6。3.2 低压元器件维护与检修方案日常维护与检修过程中盾构机电气系统的低压元器件也为重点对象。以空气开关为例，当出现以下任何一种情况时均应更换或修复空气开关：（1）空气开关外壳出现破损；（2）触头面积小于80%，不同的三相触头接触距离差大于0.05 mm；（3）触头开距、超额行程已与设计要求出现偏差；（4）自动脱扣无法发挥保护作用。而触头系统与弧系统作为空气开关的重要组成部分，在出现任何情况时都需要更换或修复。触头系统：92SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 动 力 与 电 气科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION（1）触头出现压力不足；（2）触头表面出现氧化，若无法更换，可以先进行简单的应急处理，利用砂纸将表面的氧化膜去除，再利用汽油或四氯化碳清洗表面油垢；（3）触头容量不足，运行过程中电流严重超出额定值，导致触头出现发热现象，主要因触头在使用中过度磨损导致压力变小，必须及时更换；（4）触头易被烧坏，并且出现诸多凸出小点，导致触头接触不良，需要锉平触头表面，恢复到原来形状即可；（5）触头熔焊、磨损。同时，若进行触头修复，需要在修复结束后调整触头状态，在接通主触头之前接通预接触头；断开主触头后再断开灭弧触头；对齐动静触头，并将非正常情况接触调整为正面接触，即接触宽度在5 mm范围内调整为接触面积不小于全接触面积的2/3，宽度大于5 mm。弧系统：（1）发现灭弧罩受潮应立即烘干；（2）弧系统磁吹线圈匝间出现短路，拨正短路匝即可；（3）灭弧罩出现碳化现象，应将碳化部分吹刷干净，不得有金属颗粒或具有导电属性的杂质残留；（4）灭弧罩被打破、弧角或灭弧栅片出现脱落7-8。3.3 PLC维护与检修方案PLC是盾构机电气系统的核心，整个系统的运行状态均由PLC进行控制，因此应做好日常检修与阶段性检查。日常检修过程中，判断I/O、CPU、RAM、ROM、通信接口、输入/输出口、编程器等基本单元是否存在异常，发现有不良单元需要立即进行返修；发现基本单元与扩展单元输入/输出继电器发生故障，需要立即更换；检查系统内部各项逻辑元件的不同用途继电器运行状态，如掉电保护辅助继电器、计数器、特殊用途辅助继电器等，问题严重需要更换，维修能够处理的问题应立即处理；检测PLC的环境温度，尤其是盾构机停机状态下，也应按照设计要求控制PLC环境温度。盾构机电气系统PLC阶段性检查应以612个月为周期，检查事项与判断标准如表1所示。4 结语综上所述，电气系统在盾构机运行中发挥着重要的作用，但其组成结构复杂、日常作业时运行时间长、运行环境恶劣，导致电气系统出现故障概率较高。为了保障其运行稳定性与可靠性，应不断提高电气系统故障处理能力与日常维修水平，降低故障发生率；且即使出现故障也能得到快速、有效的处理，从而预防工期延误，顺利完成掘进作业任务。参考文献1 侯志德.大直径盾构机电气系统组成及常见故障处理J.今日制造与升级,2022(10):90-92.2 刘建.盾构机电气系统分体始发应用研究J.设备管理与维修,2022(12):145-147.3 席永强.盾构机电气系统及调试故障与解决办法J.智能城市,2021,7(13):78-79.4 楚现柱.浅谈盾构机被水泡后应急处置技术措施及相关修复方法J.科学技术创新,2020(34):162-164.5 张朝坤.盾构机维修保养与配件管理J.设备管理与维修,2020(22):142-143.6 李莉.大直径盾构变频驱动系统提高电能质量的研究J.设备管理与维修,2020(18):38-39.7 孙烨.盾构机高功率密度行星齿轮减速器故障动力学研究D.石家庄:石家庄铁道大学,2022.8 钭婧.盾构机盾尾密封系统压力分布特性研究D.大连:大连理工大学,2021.表1 盾构机电气系统PLC阶段性检查事项检修项目供电电源外部环境输入、输出用电源安装状态寿命原件检修事项在电源端子处测电压变化（应在标准内）环境温度（盘内）环境温度（盘内）积尘情况输入、输出端子测电压变化（应在标准内）各单元可靠固定连接电缆的连接器安全插入并旋紧外部配线的螺钉无松动接点输出继电器后备电池判断标准电压变化范围：上限110%额定供电电压；下限85%额定供电电压055 35%85%RH不结露不积尘以各输入、输出单元为准无松动无松动外观无异常电气寿命：阻性负载30万次，感性负载10万次机械寿命：5 000万次5年（25）备注万用表温度计湿度计目视万用表93