基于物联网技术的盾构油液在线监测系统研究

基于物联网技术的盾构油液在线监测系统研究

孟永求 ,陈刚 ,李石生 ,王祺翔 ,张迪 ,张新强 ,郑毅力

中国建筑（一局）集团有限公司  广东深圳  518000

摘要：盾构机在开发地下空间的过程中发挥了关键作用，是隧道掘进的主力工程机械。盾构机的主轴承和液压系统，在很大程度上决定了盾构机的性能及运行状态，由于这部分内容需要油液进行润滑，因此其性能又会受到油液数量及清洁程度的影响。为保证盾构机能够维持正常且平稳的运行状态，就需要高度关注油液状况，因此对盾构油液在线监测系统的研发就变得极为关键。

关键词：物联网；盾构油液；在线监测系统

社会的高速发展使得人们开始将目光转向地下空间的开发，这就需要大量用到盾构机，而盾构机的运行性能又受到其液压系统与主轴承的影响。就当前盾构设备的发展趋势而言，盾构机越来越多的呈现出集成化、自动化的发展倾向，对此就需要应用互联网技术研发在线监测系统，以准确了解盾构油液在润滑液压系统与主轴承时的实际状态，通过物联网技术实现的远程监控，能使作业人员充分了解盾构机的运行情况，并结合工况对其进行针对性调整，来保证掘进作业的正常进行。

1.基本理念与设计需求

1.1基本理念

某项目地下工程共需应用三台盾构机参与建设工作，由于需要充分考量施工安全因素，并确保工程实现相应的经济效益，以及考量施工过程中各类设备、临时设施与掘进方向可能存在的空间冲突，就结合BIM技术对项目进行深层次设计。在明确了施工需求的前提下，针对不同施工阶段与环节重新设计了不同的场地布置方案，来选取其中相对最优的策略[1]。

1.2设计需求

方案在应用盾构机的过程中需要保持盾构机长时间持续工作，同时在各方面管理内容上也面临着一定标准，因此需要强化物联网技术的应用，以清晰且直观的角度呈现盾构施工的进度与盾构机的实时施工状态，以及与之相关的一系列关键信息变动状况，进而追求最大程度的盾构机施工精细化管理，使盾构施工过程中面临的安全风险被控制在最低水平。

2.系统模块设计

2.1设计原理

考虑到盾构机中直接受油液状况影响的内容包括液压系统与主轴承两方面，因此需为这两部分内容分别设计在线监测模块，监测内容包括油液的水分含量、污染程度、铁磁颗粒度、粘度、介电常数等数据。监测到的各类数据需要经处理器处理后上传至施工监控站点并备份，因此还需对其设计额外的数据传输单元，并使之与数据库建立连接。

2.2监测模块

液压系统监测模块可采取装置在系统回油管路中的策略，在回油管路中获取油液样本用于监测，通过各类传感器来获取液压系统中油液的各项指标，但不对油液进行截留，经过监测的油液同样涌入液压油箱[2]。模块在功能上主要监测液压油的温湿度、粘性、介电常数及污染程度，因此需为其配备流体特性传感器、水分传感器及激光颗粒传感器，并做好相应的传感器参数设置，具体参数如下表1。

表1 液压系统在线监测模块参数设置

主轴承齿轮油在线监测模块需要安装在主轴承润滑回路中以方便取油，与液压系统监测模块相同，该模块不截留油液，监测后的油样经主轴承齿轮箱呼吸口进入齿轮箱。该模块需监测的内容与液压系统监测模块相似，监测的内容包括温湿度、粘性、水分传感器、铁磁传感器及激光颗粒传感器，此外还包括高粘度传感器，这是因为主轴承齿轮油的粘度有更详细要求。其具体参数设置如下表2所示。

表2 主轴承齿轮油在线监测模块参数设置

2.3核心技术内容

减振设计是该在线监测系统的核心内容之一，这是由盾构机的作业过程决定的。由于掘进过程中会产生不间断的振动，因此存在导致在线监测模块产生共振的可能，这种共振会在很大程度上影响在线监测模块的正常运行，同时对模块的监测精度、使用寿命都产生一定影响，因此需要结合盾构机的作业强度进行针对性减振设计[3]。在设计时分别针对模块及传感器进行，前者需要应用高阻尼板作为模块支撑基座，后者需要选用空气阻尼器，避免连接物相对运动对传感器产生影响。

另外还需要重视在线监测系统的防干扰设计。盾构机中的结构非常复杂，动力线路、控制线路和信号线会混在一起，不同线路会发出不同强度的电磁波，因此需要避免传感器及监测模块受到信号干扰，避免数据异常的出现。在综合对比多种材料之后，防干扰设计在进行时选用了屏蔽信号线的做法，这种做法使得在线监测模块在运行时能够有效抵抗信号干扰，及因信号干扰可能导致的安全问题。

最后则是润滑油气泡消除的设计。在盾构机作业过程中，油液同样处于相对运动的状态，这是因为受到大排量的高压泵运转所造成的影响。而主轴承和液压系统中并非绝对真空，导致这种相对运动过程会使得油液中产生大量微小的气泡。如果用于监测的油液样本中存在这种气泡，则很容易导致传感器无法正常工作，甚至还可能造成油温升高，并造成气蚀、噪音、振动等危害出现，进而影响到油液颗粒度监测的准确性与可靠程度。在经过多方验证及试验之后，在监测模块进油处配备了专门设计的气泡消除装置，这种装置在很大程度上降低了微小气泡对监测作业产生的影响[4]。该装置最显著的特征就是加装了密闭的消泡罐，罐体与金属盘管相连，在对油液样本进行加压、抽气、排气处理后才进行监测。

3.具体应用及结果分析

3.1具体应用

该盾构油液在线监测系统研制成功后，即投入一号盾构机中试运行，最初由于设计层面存在的缺陷，导致系统一度出现传感器受损及监测数据精度不足等问题。详细排查后，发现传感器受损是因为减振设计不合理，监测精度则是因为气泡消除装置运行状况不良。后续对这两方面内容加以改进，并收获了良好的使用效果。

3.2结果分析

作业过程中采集了数万份有效数据分析该在线监测系统的有效性，在结果中发现齿轮油粘度波动状况逐渐稳定，其结果距离实验室误差在1.6%之内，水分数据上表现出较为明显的变动趋势；液压油的粘度则表现出良好的稳定性，误差波动幅度在0.59%-1.19%之间，水分监测也较为稳定，始终维持在1.42%-3.66%之间。

结语

结合上述内容来看，此次盾构油液在线监测系统的开发充分考虑到功能上的需求，并在最后表现出相应的应用价值，为维系盾构机的正常运行与油液管理提供了可靠的数据支持。但需要注意的是，该系统的应用还需要结合盾构机工况进行针对性优化，在完成这部分之后才具有相应的普及价值，进而为盾构机的正常作业提供可靠支持。

参考文献：

[1]吴朝来.基于物联网技术的盾构油液在线监测系统研究[J].隧道建设.2019（6）：940-945.

[2]唐亚军.基于物联网油液在线检测技术的盾构技术改造[J].工程机械与维修.2021（3）：88-90.

[3]陈文远、张继宏、田水清，等.基于互联网的状态监测技术在盾构维护保养中的应用[J].隧道建设.2018（4）：694-698.

[4]周俊丽、李光斌.基于工业互联网的设备油液在线监测信息化系统开发[J].机床与液压.2020（17）：140-145.