盾构机电气系统故障诊断与预防性维护策略研究

盾构机电气系统故障诊断与预防性维护策略研究

彭智勇

广东华隧建设集团股份有限公司

摘要：

随着全球城市化进程的加速，地铁作为解决城市交通拥堵问题的关键手段，其建设需求日益增加。盾构机作为地铁隧道施工的核心设备，其电气系统的稳定性和可靠性直接关系到工程的顺利进行和安全性。然而，盾构机在复杂多变的施工环境中长时间运行，电气系统易受到各种因素的影响而出现故障。因此，对盾构机电气系统的故障诊断与预防性维护策略进行深入研究具有重要意义。

关键词：盾构机；电气系统；故障诊断；预防性维护；PLC；变频器；传感器；自动化控制

一、引言

在城市化进程中，地铁建设已成为缓解城市交通压力、提升城市综合承载能力的重要途径。盾构机作为地铁隧道施工的关键设备，具有施工效率高、环境影响小等优点，被广泛应用于各类隧道工程中。然而，盾构机电气系统作为其核心控制系统，其复杂性和重要性不容忽视。电气系统的稳定运行直接关系到盾构机的整体性能和施工效率。一旦电气系统出现故障，不仅会影响施工进度，还可能引发安全事故，造成重大经济损失和不良社会影响。因此，开展盾构机电气系统故障诊断与预防性维护策略研究，对于提高盾构机施工效率、保障施工安全具有重要意义。

二、盾构机电气系统概述

（1）盾构机工作原理

盾构机是一种集挖掘、推进、导向、渣土改良、传送、注浆、管片拼装等功能于一体的大型施工设备。其工作原理主要基于土压平衡或泥水平衡原理，通过刀盘切削土体，利用推进油缸产生的推力将盾构机向前推进，同时利用注浆系统填充管片与土体之间的空隙，形成稳定的隧道结构。在推进过程中，电气系统作为核心控制系统，负责接收操作指令、处理信号并控制执行机构动作，确保盾构机的各项功能正常运行。

（2）电气系统组成

盾构机电气系统主要由电源系统、控制系统、执行机构、传感器及通信系统等部分组成。其中，电源系统为整个电气系统提供稳定的电能供应；控制系统包括PLC（可编程逻辑控制器）、触摸屏、工控机等设备，负责接收操作指令、处理信号并控制执行机构动作；执行机构包括电机、液压缸、电磁阀等，负责实现盾构机的各项功能；传感器用于检测盾构机的运行状态和周围环境参数；通信系统则负责各系统之间的数据传输和通信。

三、盾构机电气系统常见故障及诊断方法

（1）常见故障类型及原因分析

盾构机电气系统常见故障类型主要包括电气元件故障、PLC程序异常、变频器故障、传感器故障等。具体原因分析如下：

电气元件故障：电气元件如接触器、继电器、熔断器等在长时间运行过程中易受到磨损、老化、腐蚀等因素的影响而出现故障。此外，施工环境中的水汽、粉尘等也可能对电气元件造成损害，导致断路、短路等故障发生。

PLC程序异常：PLC作为控制系统的核心部件，其程序的稳定性和可靠性直接影响到整个电气系统的运行。PLC程序异常可能是由于程序设计不合理、程序错误或模块故障等原因导致的。程序异常会导致控制信号传输异常，进而影响执行机构的正常运行。

变频器故障：变频器作为电机驱动的核心部件，其稳定性和可靠性对于盾构机的正常运行至关重要。变频器故障可能是由于电源波动、负载突变、散热不良等因素导致的。变频器故障会导致电机无法启动或运行不稳定，进而影响盾构机的挖掘和推进效率。

传感器故障：传感器用于检测盾构机的运行状态和周围环境参数，其准确性和可靠性对于实现精准控制具有重要意义。传感器故障可能是由于传感器损坏、线路故障或信号处理电路故障等原因导致的。传感器故障会导致控制系统无法准确获取运行参数，进而影响控制效果。

（2）故障诊断方法

针对盾构机电气系统常见故障类型，可以采用以下故障诊断方法：

直观检查法：通过观察电气元件的外观、颜色、气味等直观特征，初步判断电气元件是否存在故障。例如，检查接触器、继电器触点是否烧蚀、氧化；检查熔断器是否熔断等。

程序分析法：利用PLC编程软件对PLC程序进行监控和分析，查找程序中的错误和异常。通过查看PLC程序的运行状态、输入输出信号等信息，定位故障点并采取相应的措施。此外，还可以利用PLC的故障诊断功能，如故障码读取、故障历史记录等，快速定位并解决程序异常问题。

四、盾构机电气系统预防性维护策略

为了降低盾构机电气系统的故障率，提高设备的可靠性和运行效率，需要制定并实施有效的预防性维护策略。以下是一些主要的预防性维护策略：

（1）加强环境控制

盾构机施工环境复杂多变，对电气系统的稳定运行构成一定威胁。因此，需要加强施工环境的控制和管理。具体措施包括：加强隧道通风和除尘工作，降低施工环境中的湿度和粉尘浓度；定期检查和维护电气设备的防护罩和密封件，防止水汽和粉尘侵入电气系统内部；采用防水、防尘、防腐等特殊材料制作电气元件和连接线路，提高电气系统的耐环境性能。

（2）定期检测与维护

定期对盾构机电气系统进行检测和维护是预防故障发生的重要措施。具体措施包括：制定详细的电气系统检测计划和标准操作规程；定期对电气元件进行清洁、紧固和更换工作；利用专业测试仪器对电气系统的性能参数进行检测和校准；对PLC程序进行定期检查和优化；对变频器等关键部件进行预防性更换或维修等。通过定期检测与维护工作，可以及时发现并处理潜在故障隐患，确保电气系统的稳定运行。

（3）加强人员培训与管理

人员素质和技能水平是影响盾构机电气系统维护质量的重要因素。因此，需要加强人员培训与管理工作。具体措施包括：定期对维护人员进行电气系统知识和技能培训；加强安全意识教育，提高维护人员的安全意识和应急处理能力；建立健全的维护管理制度和考核机制，确保维护工作的规范性和有效性；鼓励维护人员积极参与技术创新和故障攻关活动，提高维护工作的技术水平和创新能力。

五、实际案例分析

为了验证上述预防性维护策略的有效性，本文选取了一个实际盾构机电气系统故障案例进行分析。该案例中盾构机电气系统出现了PLC程序异常和变频器故障等问题导致施工中断。通过采用上述预防性维护策略中的加强环境控制、定期检测与维护、加强人员培训与管理以及引入先进技术和设备等措施后，成功解决了电气系统故障问题并恢复了施工。此案例证明了预防性维护策略在降低盾构机电气系统故障率、提高设备运行稳定性和可靠性方面的重要作用。

六、结论与展望

本文通过对盾构机电气系统故障诊断与预防性维护策略的深入研究和分析，提出了有效的故障诊断方法和预防性维护策略。通过实际案例分析验证了这些策略的有效性和可行性。未来随着科技的不断进步和发展以及地铁建设需求的不断增加，盾构机电气系统的复杂性和重要性将进一步提升。因此我们需要继续加强电气系统故障诊断与预防性维护方面的研究和实践工作不断提高盾构机的运行效率和安全性为地铁建设事业做出更大的贡献。同时我们也应该关注新技术和新设备在电气系统维护中的应用和发展积极探索创新性的维护模式和方法以适应未来地铁建设的需求和挑战。

参考文献：

{1} 吴斌. 空调电气系统故障诊断与预防维护策略.建筑技术科学,2024-01.

{2} 刘涛. 电气系统故障诊断与预防策略研究.建筑技术科学,2024-05.

{3} 严伟. 机电系统故障诊断与预防性维护策略.建筑技术科学,2024-01.