盾构机主轴承油液监测数据分析与阈值确定.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：陈文远盾构机主轴承油液监测数据分析与阈值确定润滑与密封，（）：，（）：收稿日期：；修回日期：作者简介：陈文远（），男，高级工程师，从事机电设备的状态监测与故障诊断工作。：。盾构机主轴承油液监测数据分析与阈值确定陈文远（中铁一局集团有限公司 陕西西安）摘要：油液监测是盾构机主轴承状态监测与故障诊断的重要手段之一，然而其现行诊断阈值多为经验数据，且对监测所得的大量数据缺乏系统性分析。为制定盾构机主轴承油液监测故障诊断的合理阈值，设计盾构机主轴承油液监测方案，提出油液监测的取样方法、取样周期及特殊情况下的取样周期，并获取大量油液监测数据；采用统计方法分析得出监测项目的基准值、警告值、危险值，与现行通过经验值制定的监测阈值指标吻合，从理论证明了现行监测阈值的合理性；采用线性回归法对掘进里程与监测数据进行回归分析，探寻各监测数据与掘进里程的关系，更合理地确定了主轴承在全生命周期里各阶段的监测阈值，与统计法计算出的阈值互为补充；通过相关性分析，得出油液监测中各项数据变化的内在联系，指出油液中水分含量为状态监测中首要控制因素。关键词：油液监测；阈值；盾构机；主轴承中图分类号：（，）：，：；盾构机是一种集机械、电气、液压、信息等先进技术为一体的高端复杂装备，广泛应用于地铁、铁路、公路等的隧道工程建设，其施工速度快、安全性高、受外界环境影响小，在我国基础设施建设中发挥了重要作用。盾构机的运行状态，对施工的安全、进度、成本、质量等有着重要影响。盾构机主轴承作为其核心部件，一直是盾构机设备维护保养关注的重点，而因其承受载荷大、所处运行环境恶劣、在施工中维修极其困难等因素，以设备状态监测数据为依据的状态维修成为其发展方向。润滑油被认为是机械设备的血液，通过油液检测便可分析设备的运行状态，与人类的血液检测有异曲同工之妙。通过油液监测，可以发现设备的早期故障，对检测发现的问题及时采取措施，避免问题进一步发展引起设备停机等事故，是预防性维修的重要组成部分。油液监测包括理化分析、磨损分析和污染度分析。理化分析可以判断油品变质情况，评估油品使用寿命和设备润滑状态；磨损分析有铁谱分析和光谱分析，通过对油液中磨损颗粒的检测分析可判断设备磨损趋势，实现故障识别；污染度分析能定量检测油液中污染颗粒数量和等级，主要适用于液压油。油 液 监 测 在 风 电、钢 铁、核 电、船舶、水泥等领域的应用已非常成熟，对设备的状态维修起到了重要作用。油液监测技术在盾构机状态监测中的应用，最近几年也取得了比较突出的进展。刘宣宇等对盾构机刀具、轴承、液压等常见机械类故障及相应的诊断方法进行了综合分析。李大伟等设计了盾构机刀盘驱动系统、液压系统等关键核心部件的油液在线监测系统。杨其明等应用参数技术对盾构机主轴承齿轮箱工作状态进行了监测分析。王海涛提出一种基于 窗的油液分析数据阈值制定方法，根据发射车液压系统的实际运行特点和可靠性要求设定其故障率，利用分布函数求出阈值。杨天诣等采用改进多阈值方法，利用 和 建立了可视化的舰船发电用柴油机增压器润滑失效故障在线监测与预测系统，实现了对增压器润滑失效的预测。周俊丽等分析了油液污染度与磨损颗粒含量、铁磁颗粒指数与铁谱分析技术、添加剂与理化指标之间的关联性。阈值，通常也叫界限值，是利用检测数据对设备运行状态分析与故障诊断的重要判定标准。对同一类设备因所用油液品牌、材料成分等不同，阈值通常也不相同。目前油液监测的阈值大多是通过经验数据确定，只有掌握了大量的监测数据后，才可用数学分析方法进行分析确定其阈值。针对当前盾构机主轴承油液监测故障诊断的阈值缺少理论分析支持，对监测所得的大量数据缺乏系统性分析，所取得的数据对实际维护工作指导性差等问题，本文作者采用统计法、线性回归法对已获取的大量监测数据进行分析，得出故障诊断所需的基准值、警告值和危险值；然后利用相关系数法分析了油液监测中各项数据变化的内在联系，用以指导盾构机主轴承的实际维护工作。油液监测方案以某国产盾构机主轴承为研究对象，其轴承为三排圆柱滚子轴承，直径 ，设计寿命大于 ，工作时额定扭矩 、转速 ，采用 齿轮油润滑。盾构机出厂后先后在北京地铁、南宁地铁等掘进 个项目，运行 个月，掘进里程 。正常掘进取样周期：（）盾构机始发掘进，进行第一次取样检测；（）掘进 进行第二次取样检测；（）软土地层第二次取样检测后每 进行一次取样检测，硬岩地层在第二次取样检测后每 进行一次取样检测；（）盾构机贯通前 进行最后一次取样检测；（）盾构机单次掘进最少取样 次。特殊情况取样周期：该取样目的是检查设备维修后或特殊工况下，设备维修质量和设备运转情况以及在用油液的质量变化。在下列情况需要缩短取样里程，增加取样频次：（）设备完成维修或更换零部件运转一段时间后；（）设备发生机械故障，还无法确定其原因；（）设备在运行时，出现大的振动或杂音；（）当油液经检测后，出现含水率、金属或非金属含量异常增大，监测数据异常。取样方法：（）油液取样原则上应在设备运转期间进行，如在运转期间无法取样，应在设备停机 内完成取样，严禁在设备长时间停机后取样；（）如设备有取样口，可通过取样口取样，取样前应放掉取样口（管）内的存油，放出量为管路体积的 倍以上，不得将存油直接灌入取样瓶。如无取样口，可通过取样器取样，取样时将吸管插入液面下 处进行取样，且不得触底；（）对停机时间较长的设备取样时，须将设备运转 以上；（）同一设备取样口应为固定位置；（）取样应在回油路、过滤器之前取样。文中油液监测的理化项目包括运动黏度 （）、总酸值（，以 计）和水分；磨损分析项目包括：指数、（铁）、（铜）、（硅）含量（）（光谱分析共分析了 种元素，文中仅分析了对状态监测有重要影响的、和 元素）。油液监测数据的数学处理采用统计法、线性回归法、相关系数法对油液监 年第 期陈文远：盾构机主轴承油液监测数据分析与阈值确定 测所取得的检测数据进行分析。（）统计分析法对于监测数据在某一时间段内不随时间而变化的数据，可采用统计法（也称“值阈法”）建立监测标准。采用统计法分析已取得的监测数据，根据分析结果确定诊断基准值、警告值、危险值。建立这 个阈值所用的数学方法是概率数理统计模型。统计分析法必须满足以下几个理论上的假设条件：作为一个随机过程，摩擦副在其正常运行期是一个平稳的过程；在整个正常运行期内每个采样时刻，油样对润滑系统都具有代表性，并且积累了一定数量的样本值；所统计的样本值服从正态分布。样本算术平均值：（）样本标准差：（）（）因此建立分析结果确定基准值、警告值、危险值计算公式如下：基准值：警告值：危险值：对于监测值，当 时为正常，当 时为警告，当 为危险，建立示意图如图 所示。图 统计法分析示意 （）线性回归法对于盾构机油液监测的各监测项目，在其生命周期内通常是随时间而变化的，在正常磨损区间内监测值随时间基本呈线性变化，因此采用线性回归法（也称“线阈法”）建立动态的监测阈值。根据线性变化的假设，判据 是自变量 的一次函数，其形式为。数据参考量、需要根据大量的实测数据样本，按照一元线性回归的数学模型（最小二乘法）计算，回归后直线的斜率：（）（）（）（）（）其中：（）基准线：警告线：危险线：线性回归法示意图如图 所示，三条带有同一斜率的平行线，将趋势线所在的二维坐标平面划分成 个区域，其中为正常区，为警告区，为危险区。根据每个待判断数据坐标点所在区域的性质，对其作出是否正常的判断。图 线性回归法分析示意 （）相关系数法相关系数，又称线性相关系数、皮氏积矩相关系数，是衡量 个随机变量之间线性相关程度的指标。盾构机油液监测的各监测数据不是相互独立，而是一个相互联系的整体。通过相关性分析，可以发现监测数据之间的内在联系，便于找出设备维护的关键控制点。相关系数：（，）（，）（）式中：（，）为 与 的协方差；为 的方差；为 的方差。相关系数取值范围为：，其相关性为以下 种：正相关、负相关和不相关。某两项指标间的相关系数越大，说明指标的联系越大。油液监测数据分析与阈值确定 统计分析法分析选择该国产盾构机主轴承齿轮油监测数据中的运动黏度、总酸值、水分、指数和 （铁）、（铜）、（硅）元素含量等 项指标，采用统计分析法进行分析，得出了基于监测数据分析的基准值、警告值和危险值，并与现行诊断采用的警告值进行了对比，如表 所示，统计分析图如图 所示。润滑与密封第 卷表 主轴承齿轮油监测数据统计法分析 数据项运动黏度（）总酸值（）水分质量分数 指数元素含量 （）平均值标准方差 基准值警告值 危险值 现行警告值 图 主轴承齿轮油监测项目统计分析 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）通过分析发现，运动黏度监测数据变化幅度小，均落在上下警告值之内，说明现行警告值满足诊断分析要求；总酸值第 个监测数据远大于其他监测数据，使计算出的警告值约为现行警告值的 倍，去掉该数据后再次进行分析得出警告值为 （见图（），现行警告值与其相比满足诊断分析要求；水分含量的第 个监测数据与其他值相差 倍以上，严重偏离实际，致使计算出的警告值大于现行警告值 倍，去掉该数据后再次进行分析得出警告值为（见图 （），因在主轴承密封等完好的情况下，运转中齿轮油中的水分很少，现行警告值在满足设备正常运行的条件下，能更好地平衡设备维护成本与运行时间，因此满足要求，同理分析得出磨损指标 指数、含量、含量及 含量的现行警告值均满足实际需求。第一组数据中出现异常值主要原因是该盾构机为新机，第一次检测还处在设备的磨合期，使部分监测数据异常偏高，磨合期完成再次换油后监测指标正常。图 去掉异常值的主轴承齿轮油监测项目统计分析 ：（）；（）线性回归法分析盾构机运行速度慢，且因为工序衔接、施工筹划等原因常处于间歇运行状态，每个工作日内的运行时长差别较大，因此在线性回归分析中采用日历天数为 年第 期陈文远：盾构机主轴承油液监测数据分析与阈值确定 自变量在分析盾构机主轴承的油液监测数据中并不合适。因盾构机运行时推进速度基本恒定，其运行时间与盾构机的掘进里程存在正比关系，因此选用盾构机的掘进里程为自变量进行线性回归分析更加合理。选择该国产盾构机主轴承齿轮油监测数据中的运动黏度、总酸值、水分、含量、含量及 含量等 项分析指标，采用线性回归法进行分析，得出了基于监测数据分析的基准线、警告线和危险线，如图 所示。图 主轴承齿轮油监测项目线性回归法分析 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）线性回归法分析结果中，在某一换油周期内拟合的斜率与理论值一致，但在监测周期里存在不一致的情况，主要原因是换油、补油等对油中各类元素的稀释，使得拟合曲线的斜率为负值。同时所取油样是否具有代表性、分析结果是否准确、掘进里程与监测值是否准确对应等对拟合斜率也有重要的影响。尤其对于磨损元素含量分析，因分析方法、分析仪器、标定油液等不同，致使监测结果差别很大。为最大限度地降低这类外部因素对监测结果的影响，每次样品在同一实验室采用同一仪器进行检测分析为最好。相关系数法分析选择该国产盾构机主轴承齿轮油监测数据的运动黏度、总 酸 值、水 分、指 数 和 （铁）、（铜）、（铅）、（铬）、（锡）、（硅）含量 项监测指标，进行了相关系数分析，得出相关系数如表 所示。表中相关系数大于 的有：与运动黏度的相关系数 ；水分质量分数与总酸值的相关系数 ；与 指数的相关系数 ；与 的相关系数 ；与 的相关系数 。分析如下：、与 等与运动黏度强相关是因为黏度的变化直接影响摩擦副的润滑性能，、与 都为轴承摩擦副材料的金属，润滑性能下降引起磨损增加；水分质量分数与总酸值的变化呈强相关性，因为水产生有机酸、水解润滑油中的添加剂，使油液中的总酸值增大，腐蚀性增强，进而还会引起磨损增加；与 指数的相关系数为 ，为强相关，因为光谱分析和 指数都是针对 元素，只是 种方法适用的磨损颗粒大小不一样；与 的相关系数为 ，表现为该主轴承密封存在损坏，外部泥水进入加速磨损，使油液中 含量增大。油液监测中各监测项目并不是相互独立，而是相互联系的，控制好油液中的含水量，是盾构机主轴承设备维护中的重要方面。盾构机主轴承齿轮油中的水分来源主要有：密封圈损坏致使开挖仓的泥水进入，齿轮油冷却循环水系统的泄漏，外部空气中的水气等。水分进入油液后，引起油液乳化、总酸值升高，从而引起油液润滑性能下降，加上泥水中 的影响，导致摩擦副加速磨损，油液中的、等元素含量增大。润滑与密封第 卷表 主轴承齿轮油监测项目相关系数 运动黏度总酸值水分质量分数 指数运动黏度总酸值水分质量分数 指数 结论与建议利用盾构机主轴承油液监测取得的数据，基于油液监测数据分析模型，利用数学模型方法分析了数据，主要结论如下：（）利用所监测的油液数据，通过数学建模，利用统计方法分析得出监测项目的基准值、警告值、危险值，与现行通过经验值制定的监测阈值指标吻合，从理论证明了现行监测阈值确定的合理性。（）考虑盾构机在全生命周期里掘进里程对监测值的影响，利用线性回归法对掘进里程与监测数据进行回归分析，探寻各监测项目的监测值与掘进里程的关系，更合理地确定了主轴承在全生命周期里各阶段的监测阈值，与统计法计算出的阈值互为补充。（）通过相关性分析，得出了油液监测中各项数据变化的内在联系，得出运动黏度、总酸值的变化与磨损金属元素、等呈强相关性，控制黏度、总酸值的变化有利于降低设备磨损；水分与总酸值、黏度的变化呈强相关性，因此油液中水分含量为状态监测中首要控制因素；元素与磨损金属元素、等相关性强，为泥沙中的主要元素，主轴承减速箱内进入泥沙将引起设备的异常磨损；、等元素呈强相关性，因为这几种元素为同一合金中的元素或同一摩擦副中的元素；指数与 呈强相关，因为光谱分析和 指数都是针对 元素，只是 种方法适用的磨损颗粒大小不一样。由于盾构机属于低转速、高功率、大扭矩的施工机械，设备的润滑油液状态变化缓慢，只有通过在盾构机全生命周期内不断采集具有代表性的油样进行检测，才能积累更多的有效数据，使通过监测数据分析计算出的阈值更加准确、合理；同时，利用大数据分析与云计算技术相结合，可以开发数据管理系统即时分析诊断阈值，大大提高数据分析的时效性。文中仅分析了主轴承齿轮油，盾构机的液压油、减速机齿轮油、螺旋输送机齿轮油、拼装机减速机齿轮油等也可以参考该方法进行分析。参考文献 田洪祥，李婧，孙云岭，等在用润滑油发射光谱分析技术评述润滑与密封，（）：，（）：徐启圣，王俊，白琨，等数据驱动的风电齿轮箱油液监测磨损度量化及其参数权重研究 润滑与密封，（）：，（）：潘波，孙亮亮风机齿轮箱油液在线监测技术应用电子测试，（）：，（）：何伟，贺石中，马红军，等大型核电站应急柴油发电机在用润滑油阈值分析机电工程技术，（）：，（）：张德明连铸机液压系统油液状态监测实例分析液压气动与密封，（）：，（）：黎秋莹，贺石中，李秋秋，等基于油液监测的大型船舶艉管异常磨损故障分析润滑与密封，（）：年第 期陈文远：盾构机主轴承油液监测数据分析与阈值确定 ，（）：於迪，贺石中，何伟楚，等基于油液监测的立磨磨辊故障诊断分析润滑油，（）：，（）：刘宣宇，王子文，邵诚，等盾构机机械类故障诊断研究进展综述控制工程，（）：，（）：李大伟，周远航，葛宜元盾构在线监测系统研究机电工程技术，（）：，（）：杨其明，康宝生，易新乾盾构主轴承齿轮箱应用参数监测技术的可行性研究隧道建设，（）：，（）：王海涛基于 窗的油液分析数据阈值制定方法研究液压与气动，（）：，（）：杨天诣，程垠钟，杜剑维，等基于改进多阈值方法的舰船发电用柴油机增压器润滑失效预测舰船科学技术，（）：，（）：周俊丽，潘锋，陈虹油液监测技术指标关联性应用研究矿山机械，（）：，（）：梁培沛，肖剑风电机组轴承磨损的油液监测技术研究与应用能源与节能，（）：，（）：胡学超，杨文广，樊振海，等基于油液监测的风机齿轮箱异常磨损案例分析电工技术，（）：，（）：润滑与密封第 卷