典型掘进装备关键部件寿命状态的力学诊断与检测仪器

结题报告摘要 大型全断面掘进装备是国家基础设施建设与资源开发的巨型重载装备，目前我国已经成为世界上地下施工最多，掘进装备需求最大的国家。盾构装备制造技术要求高，施工中事故风险大，我国在该领域起步晚，基础薄，围绕盾构装备制造中关键技术开展相关的基础与应用基础研究具有重要意义。本项目以研制刀具刀盘系统 安全检测技术与检测仪器为目标，采用测量器件研制、实验验证、数值仿真、力学建模相结合的研究方法，研究大型全断面掘进装备刀具系统的运行状态安全监测关键技术。从刀具磨损状态检测专用传感器设计入手，继而开展信号无线传输技术、传感器布局等关键技术研究，以及力学建模与智能分析等方法研究工作。主要研究成果包括： 1）提出了掘进界面载荷解耦计算方法，给出了刀具/刀盘载荷分布规律，建立了综合考虑地质、掘进、结构因素的掘进载荷预测模型，比传统经验公式方法预测的准确范围提高了2-3倍。结合掘进力学特性的全规模数字化实验分析，建立刀盘刀具系统的传感器优化布局方法； 2）发明了适应地下泥水、高电磁场等施工环境的几类磨损专用传感器，研制了适应地下施工环境的电路设计、信号转换、结构密封、可靠性标定等关键技术，其中刮刀芯柱电位式专用传感器将磨损量由目前30mm阈值测量提升到精度1 mm连续量测量，超过了国际上同类传感器技术水平； 3）基于磨损演化过程的试验研究及实测数据分析，对刀具磨损演化规律给予力学表征，建立刀具磨损状态判别的能量方法与预估模型，实现关键部件寿命与失效过程的力学建模与智能分析，在此基础上编制了便于工程应用的盾构掘进载荷与效能分析软件。 4）研制了盾构刮刀磨损无线监测装置，设计了无线传输、恒流放大等专用技术模块，解决了地下泥水、高强电磁场、旋转刀盘与密封舱环境下无线信号稳定传输的问题，形成一体化的掘进状态下刀具磨损状态测量技术与装置，并进行工程实践应用，首次实现了刮刀磨损连续、可靠、实时、无线测量。 项目成果的科学意义在于将基础研究与高端装备制造中的关键核心技术研制相结合，将成果用于解决行业中遇到的复杂工况下载荷分析与关键力学量测量两个难题，并研制出便于实际应用的软硬件系统。项目成果从提高盾构装备制造水平以及减小施工中检测成本和减小事故风险三个方面体现了基础研究所产生的间接经济效益和重要社会意义，提高了我国盾构装备制造领域中的检测技术水平。 2100433B

掘进装备是隧道与地下工程建设中必需的重大技术装备，开展相关的科学测量仪器研制，服务于装备制造中的科学研究与技术提升具有重要的科学意义与应用前景。本项目针对典型掘进装备关键易损部件刀盘刀具的寿命与失效问题开展检测技术与分析理论研究，研制相应的诊断与检测仪器。包括，研制实验力学综合测试系统，开发专用传感器和信号无线网络传输技术，实现地下环境和复杂工况下部件全寿命过程的力学量即时测量，突破现有的开关阈值通断测量、单点测量、有线传输等技术瓶颈；建立集测试技术、力学建模、智能分析与预警门限等技术为一体的整体化仪器设计新框架，提出基于能效分析的部件剩余寿命模型，结合即时测量信息，对整体结构与关键部件寿命状态与故障进行诊断；通过多学科技术交叉，将分析软件系统与即时力学量测量技术集成，研制具有自主知识产权的可以实现地下复杂环境中关键部件刀盘刀具寿命过程力学信号感知/传输/诊断的分析系统与检测仪器。

风电机组是由多个部件组成，开展对其关键部件在线状态监测和故障诊断的研究，可及时识别故障征兆、实时掌握故障渐变发展程度和节省故障排查时间，为优化运维检修策略进而提高整机的运行可靠性具有重要的学术意义和工程实用价值。包括风电机组的叶轮、齿轮箱、发电机、变流器和变桨系统5 个关键部件的在线故障诊断研究现状。

1、叶轮

叶轮是捕捉风能关键部件，包括叶片和轮毂。目前，对叶片老化和损坏、叶轮不平衡故障的研究较多，现有的在线状态监测和故障诊断方法现多处在实验室模拟仿真阶段，在实际应用中比较鲜见。

a. 叶片老化和损坏。叶片运行环境恶劣，酸雨、冰冻等侵蚀以及叶片旋转时变化的冲击力破坏，引起叶片裂纹甚至破裂。关于叶片动态无损在线监测技术有声发射、超声波、光纤光栅和振动分析等技术。相比超声波和光纤光栅技术，声发射可获得叶片上较为全面的缺陷信息，具有相对较高的灵敏度和分辨率，能够准确监测到薄弱区位置

b. 叶轮不平衡故障。随着单机容量不断增大，叶轮直径越来越长，风力机的柔性也越强，尤其在北方冬季，叶片结冰使得叶轮不平衡造成整体结构振动进一步加大，将在传动链部件产生疲劳应力，严重影响机组寿命。现有大多数研究是从发电机的电气信号中提取故障特征。

2、齿轮箱

关于齿轮箱在线监测和故障诊断的研究较多，除离线检测的油液分析方法外，在线的分析方法主要包括：振动分析、温度分析和电气分析。

a. 振动分析

通常从振动特征量的时域和频域中提取齿轮箱的故障特征。

目前，现有的风电机组状态监测系统产品也大多以振动特征量分析为主，采用数据离线分析和专家辅助分析方式，获取得到齿轮箱轴承和齿轮的状态监测和故障诊断结果。但是，振动分析对于低频信号具有一定的局限性，且在齿轮箱本体上安装传感器获取振动信号需增加投资和维护费用。

b. 温度分析

温度特征量在一定程度上反映齿轮箱的运行状态。利用非线性状态估计方法建立齿轮箱正常工作状态下的温度模型并用其进行温度预测。通过模拟齿轮箱的故障情况，在SCADA 监测数据中加入温度偏移来模拟故障，分析结果如图5所示，均值曲线的95% 置信区间的上限在第451 个滑动窗口超出了预先设定的均值阈值，在第551 点处，监测出齿轮箱温度的异常变化情况。然而，由于温度具有热惯性特性，变化缓慢，易受到外界环境因素影响，采用固定阈值时，当发出预警信号时，部件已经严重劣化，故障可能即将发生，难以起到早期故障诊断的作用。因此，有必要研究多种工况下的温度特征量动态阈值确定方法。

c. 电气分析

从发电机中电气信号的时域和频

域中提取故障特征信息来实现齿轮箱的故障诊断。相比其他信号，电气特征量的采集不需要另行加装传感器，不会影响到机组的完整性。但是风电机组运行环境复杂，干扰源较多，还可能存在多部件异常特征交叉重叠发生，需考虑实际运行环境，深入研究基于电气特征量的齿轮箱状态特征提取算法。

d. 油液分析

齿轮啮合在非正常的磨损状态出现，会瞬间产生巨大磨损颗粒，或磨损率上升导致磨损颗粒数量显著增加。油液分析被认为是实现齿轮箱状态监测和故障诊断最有效的技术之一，包括红外光谱技术、铁谱技术、颗粒分析技术、气相色谱技术等，通过提取油液中各项监测指标，包括运动粘度、PQ 铁谱、酸值、水分等，监测和分析油液中各类监测指标变化情况，实现齿轮箱异常检测。目前，我国许多机构先后建立了油液监测实验室，但是因受限于监测硬件（传感器）设计和制造技术，存在测量误差较大、精度低因素，还没有在实际中实现在线油液监测。

3、发电机

关于发电机的故障诊断研究，大多是通过在线监测定子电流、转子电流、有功功率变化情况，对匝间短路、单相或多相短路、轴承损坏、转子偏心等进行故障诊断。

4、变流器和变桨系统

a. 变流器

变流器作为电能回馈至电网的关键控制通道，是影响风电机组及入网安全稳定运行的重要环节。现有文献中多采用基于样本训练的在线变流器的智能故障诊断方法。

研究主要侧重于风电变流器的故障诊断，然而，由于风速的不确定性，风电变流器运行的可靠性受机侧变流器低频运行和风速随机波动影响较为严重，变流器输出功率变化很大，使得功率器件运行在不同载荷水平下，可能导致器件结温的变化，功率器件会承受长期、频繁的不均衡电热应力，造成疲劳累积，导致焊料开裂、焊线脱落等故障现象发生。图所示为11 m/ s 的湍流风速及双馈风电机组的机侧变流器IGBT 结温变化情况，可见IGBT 功率器件在整个变流器寿命周期内需要承受频繁波动且幅值为20 °C 的结温热循环，不可避免地将加快器件老化和失效速度，因此，基于疲劳、失效机理的风电变流器的器件的在线状态监测应该引起关注。目前关于功率器件的该领域研究比较少见。

b. 变桨系统。关于变桨系统的故障诊断研究较少，变桨系统转速极低，运行不连续，负载随机，对其在线状态监测可采用振动分析或发电机的电流信号进行分析。另外，考虑基于单一参量的绝对阈值评估方法，可能导致现有变桨系统状态监测方法不能及时准确地在线判断其异常状态的问题。

大型全断面掘进装备（简称盾构掘进机）是国家急需的隧道、地铁建设的大型掘进装备，随着我国经济建设与城市建设的快速发展，对大型全断面掘进装备的需求逐年增加。目前，这类设备的关键核心技术方面还主要被德国、日本等少数跨国公司所垄断。其中，刀盘刀具磨损状态实时监测对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行有重要的行业需求，在我国还是空白。.基于这一需求，提出研究刀具磨损检测的方法进而开发刀具刀盘磨损状态监测系统。应用应力波的原理和振动特征的改变开发具有自主知识产权的刀盘刀具磨损状态检测专用传感器；根据大型全断面掘进装备作业环境的多介质、高湿、复杂电磁场和刀盘转动的特点，应用无线传感器网络技术传输测量信号，解决盾体的金属结构和泥土介质或岩石介质对无线信号屏蔽和衰减作用。同时解决传感器的机械设计、电路封装与安装工艺、耐久性、被动屏蔽和发射阻抗匹配等问题，使之满足工程需求。

大型全断面掘进装备（简称盾构掘进机）是国家急需的隧道、地铁建设的大型掘进装备，随着我国经济建设与城市建设的快速发展，对大型全断面掘进装备的需求逐年增加。目前，这类设备的关键核心技术方面还主要被德国、日本等少数跨国公司所垄断。其中，刀盘刀具磨损状态实时监测对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行有重要的行业需求，在我国还是空白。 基于国家需求，第一项研究的工作是丝栅式盾构刀具磨损测量方法的研究。这一方法于2012年首次应用于西安地铁一号线施工中刀具的磨损检测。之后又进行了多方面的改进，于2013年再次在西安地铁三号线施工中应用。此次应用获得成功，测量与实际磨损程度一致。已得到盾构机的生产单位和施工单位的认可，准备在盾构机应用。 第二项研究是在模拟实验装置上测试了不同含水率下粉土和砂土的切削力分布。在模拟刀盘上沿刀盘半径由里到外布置了7个带切削力传感器的模拟刀具，测量掘进过程的切削力变化曲线。这是研究盾构刀具受力特点的基础。 第三项工作是全断面硬岩掘进机（简称TBM）的滚刀受力和弦磨检测。TBM用于岩石隧道掘进，靠滚刀压碎岩石实现整体隧道成形。最容易的发生的问题是滚刀弦磨而导致失去破岩能力。利用滚刀的支撑楔块作为弹性体研究了滚刀受力和弦磨检测方法，该方法还可测量滚刀的振动特征。 2100433B