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随着机械设备液压系统功能的日趋完善,结构越来越复杂,精密程度也越来越高,液压系统污染的危害也日益严重。TBM液压系统状态良好与否是掘进施工能否顺利进行的前提,TB880E型隧道掘进机因液压系统污染可导致液压泵寿命缩短、液压元件损伤、甚至贵重精密设备受损等故障。因此,实施液压系统污染控制,对提高TBM系统可靠性、降低故障率,延长油液系统使用寿命和提高TBM完好率、保证TBM施工安全具有重要意义。

1、液压系统污染物的种类及危害

液压系统中的污染物是指液压油中不希望有的并对系统有危害作用的物质,主要有固体颗粒、水、气体、化学物质、微生物等,其中固体颗粒分布最广、危害最大,是TBM液压系统污染的主要根源,也是控制的重点对象。

1.1、固体颗粒的来源及危害

TBM液压系统固体颗粒物的来源众多,主要有液压元件金属磨损颗粒,橡胶磨损颗粒,粉尘颗粒等。其危害是加速附件磨损,产生卡滞或划伤,破坏密封,堵塞管路与滤芯,加速油液氧化变质。

1.2、水的来源及危害

液压系统中水的来源主要是:外来水分进入油箱,冷却系统损坏产生漏水,因温差而产生冷凝水,或水分经呼气器进入系统。其危害可以加速金属锈蚀、破坏油膜、使油液润滑性下降、加速微生物繁殖,使油液变质。

1.3、气体的危害

液压油中的气体,将产生气穴,引起气蚀和气塞,破坏润滑,降低油液弹性模量,延迟系统响应;破坏油质;增加系统温升;加速油液氧化。

1.4、化学物质的危害

液压油中的化学物质主要是氧化过程中产生的酸类物质,化学物质的存在将会腐蚀液压元件,使油液变质。

1.5、微生物的危害

液压油中的微生物主要是霉腐微生物。霉腐微生物在液压油中生长后会因产生大量菌体阻塞机件;其代谢产物还会腐蚀液压元件;使油液变质、退色、缩短使用寿命;产生难闻气味。

另外,静电、磁场、热能和放射线等能量性物质也会污染系统,导致TBM液压系统元件腐蚀、附件磨损、系统温升、泄漏增大、油液变质、密封老化等危害。

2、液压系统污染的基本特征

2.1、隐蔽性

人的视力一般只能看见大于40um的颗粒,液压系统中的固体颗粒污染物绝大部分的粒度都在40um以下,目前主要通过光谱分析、铁谱分析技术检测,常规的显微镜目视方法,只针对大颗粒,难以进行精准检测。

2.2、蔓延性

TBM液压系统的循环会造成已经产生的污染在系统中传播,附件污染会传播到系统,局部污染会传播到整体。

2.3、恶性循环

TBM液压系统污染导致机械磨损和性能劣化,形成污染→磨损→加剧磨损→直至发生故障的恶性循环。

3、TB880E型隧道掘进机液压系统污染原因分析

TBM液压系统污染物主要来源是外部进入和内部再生。

3.1、外部进入造成液压系统污染的原因分析

外部进入是指在使用、维修过程中残留或带入系统内的污染物,如残留在液压附件内部的金属屑、焊渣、型砂、清洗剂及尘埃等;液压维修人员加油或更换液压附件时带入的污染物;液压附件外伸部分往复运动带入的污染物等。外部污染物进入液压系统内部的原因分析:

3.1.1、认识不足,缺乏专业防控知识

在使用、维修、保养的过程中不能主动做好防污工作,比如TBM液压油箱为开启式加油,加油口无防水,防尘装置,加油或检查时灰尘、水分很容易进入;液压维修人员加油前对加油口清洁不彻底,加油后没有及时盖好加油口盖;维修人员不按规定清洗附件。

3.1.2、落实标准不力

虽然已经形成了一套协调一致的液压污染控制标准,但是由于软硬件条件的限制,还是不能有效控制TBM液压系统污染。比如:缺乏可靠、实用的清洗设备和油液监控设备;液压附件设备在拆卸,分解和装配过程中不按规定进行保护,动作粗猛,造成划伤、碰伤,致使污染物进入TBM液压系统。

3.2、内部再生造成液压系统污染的原因分析

内部再生是指系统自身在工作中产生的污染,如磨损、镀层脱落、油液氧化、胶圈磨损等。内部再生造成液压系统污染与设备本身及其工作方式有关,用户可通过规范操作来尽可能的减少内部再生污染物的产生。

4、TB880E型隧道掘进机液压系统污染度控制监测硬件配置

根据TBM液压系统配置的监测设备以及工地现场条件,TB880E液压系统状态监测硬件配置如下:

(1)通过位移、速度、流量、压力、温度、转速、油位、电气等各种传感器对TB880E整个运行系统进行在线监测,超过界定值时立即故障报警并停机控制;

(2)对TB880E设备关键部件的主轴承,制造前就考虑主轴承磨损监测方案的硬件设计,把当前先进的电涡流传感器设置在轴承保持架内,实现对主轴承磨损状态的电涡流跟踪监测;同时要求外商配置检测轴承滚子、滚道和保持架、齿轮部件磨损状况的工业内窥镜;

(3)根据TB880E主机和后配套液压系统、润滑系统众多的特点,我们以油液分析作为状态检测的重点,要求外商随机配置了油液污染度测试仪,并在施工现场购置了一套先进的油品理化指标快速分析装置(包括粘度、水分、综合污染指数、总酸值、总碱值、简易污染度等);

(4)充分利用现有的先进检测设备(振动、噪声、液压测试、冲击脉冲、电气检测、机械故障听诊器、红外测温、转速、油液铁谱、探伤、内燃机工况测试等),随时提供快速、有效的检测技术服务;同时根据精密分析的要求,外送油样进行光谱分析、傅立叶红外光谱分析和分析式铁谱分析。这种监测配置方式在路内还是首次,不仅使设计更加优化、全面和系统,充分体现了设备管理条例的指导思想;而且在检测投入不大的情况,抓住TB880E油液磨损状态监测的主线,又兼顾了其它设施的检测需求。

5、TB880E型隧道掘进机液压系统污染控制的原则及措施

参照国家军用标准(GJB3058—97)提出的总体上的“五全”(全方位、全过程、全因素、全面、全员)原则,量化上提高控制水平,要求上加强控制措施。使污染控制起步早,投入早,越早越全就越能取得“高效能、高效益”的效果。

5.1、“五全控制”原则

5.1.1、全过程控制

从系统方案论证开始直至系统全寿命结束都对系统污染实施有效的控制。

5.1.2、全因素控制

对构成TBM液压系统各组成部分和相关的实验设备都进行有效的污染控制。

5.1.3、全方位控制

对人、硬件、软件都实施控制。

5.1.4、全面控制

对固体颗粒、水分、空气、卤化物都进行控制。

5.1.5、全员控制

对所有参与TBM液压系统使用、管理、维修人员进行控制。

TBM液压系统污染原因分析及控制措施

5.2、控制措施

5.2.1、起初阶段污染控制

该阶段污染控制是使系统具有固有污染控制能力和良好抗污染特性的根本保证,应把握系统污染生成少,外来污染侵入少,油滤净化效率高,清除系统污染易等原则,从硬件和软件两方面进行控制。硬件方面涉及液压油、齿轮油、系统结构与材料、油箱污染控制、液压附件选择、维修性等。软件包括规范、标准、使用维护说明书等。

5.2.2、拆装阶段污染控制

(1)序序把关。把好零件加工、清洗关—装配调试关—附件清洗关—系统安装、清洗关—污染监测关。

(2)检测设备必须实现净化原则。检测设备应具备高效清除污染,防止污染侵入,良好的污染监控,准确的污染评定等能力,不能对系统起污染作用。

(3)提高清洗效果。合理的选择清洗液流向、流速、流态、温度及清洗段次、层次,防止TBM液压系统和液压附件在清洗的过程中被污染,防止交叉污染,重视对液压系统导管和死角处的清洗。

5.2.3、使用维护阶段控制

该阶段因处于隧道内部,具有环境条件差,使用时间长,涉及设备多,人员流动大的特点,是污染控制的关键阶段,要对使用和维修人员进行责任心教育和专业业务培训,使其养成良好的工作作风,培养防污染的自觉性,把好“六关”:

(1)把好“病从口入”关。严格控制防止从各种接口如加油口等处混入各类污染物;防止在拆、装、换液压附件的过程中混入的污染物。

(2)把好油料关。加入系统的油液必须符合规定,化验、批准手续齐全,新油也应该进行检测和过滤。

(3)把好修理关。大维修总是伴随着大污染,维修全过程都要采取有效的防控措施,避免进入污染物。

(4)把好监控关。确定目标清洁度、取样点、取样频度,规范取样阀和取样方法,不断提高检测设备性能和监控手段。

(5)把好验证关。对于污染严重的系统清洗合格后,必须加强监控。如果检测结果高出控制水平,则应视为异常情况,查明原因,排除故障,直至合格为止,必要时进行跟踪或追溯。

(6)把好整备关。按规定进行保养,使其处于良好状态,严格管理,规范操作,避免污染TBM液压系统。

6、应用实例

下面以刀盘驱动组件(主轴承)油润滑系统为例,来介绍一下TBM液压系统污染的原因及控制措施。表2是整个掘进过程中主轴承油润滑系统油样分析的测试结果。由表中数据可见,2009年7月6日取样分析时,水、铁(Fe)、铜(Cu)、硅(Si)、钙(Ca)、磷(P)含量明显偏高。显然,系统中侵入了水,从而加剧了磨损,导致油液中磨损元素含量升高。为保护刀盘驱动组件,决定立即更换全部润滑油,并认真分析现场原因并采取相应措施。

(1)油箱盖板螺栓松动及油泵吸油处盖板有渗漏。该系统的油箱位于刀盘底护盾底部空腔,掘进过程中,油箱经常被水浸没,且此处震动较大。经清理、检查、连续监测,未发现盖板及油泵吸油处盖板有任何油迹。因此可断定,油箱并无泄漏。

(2)油泵损坏、油泵吸油管处以及驱动马达联轴器处有渗漏。经检查,一切正常。

(3)呼吸器问题。位置较高,不存在水侵入的途径。

(4)唇形密封损坏。三套唇形密封处于内部,经检查,密封冲刷系统油位、油液(VG68)取样理化指标均在允许范围之内,含水量为0,系统工作状况良好。因此判定该系统不存在水源。

(5)传动轴鼓形联轴器处渗漏。打开传动轴前端轴套,未发现内部有积水。

(6)油水热交换冷却器泄漏。经耐压试验,发现异常,冷却器状态存在问题,经检测水冷却器热交换片穿孔,油品乳化,水分含量偏高。

换油后,对主轴承润滑油含水量进行了跟踪测试,数据详见表3。可见,经7月6日第二次换油后,水含量恢复正常。

TBM液压系统污染原因分析及控制措施

换油后,避免了润滑油的变质、滚动体与滚道表面的疲劳失效、滚动体与滚道之间的冷焊等各种危害,很好地保护了刀盘驱动组件,避免了更大事故的发生,其经济效益与社会效益均是可观的。

7、结论

TB880E型隧道掘进机液压系统污染控制是贯彻“以可靠性为中心”的维修思想,主动预防故障,保证TBM施工安全的有效手段,必须全方位、多角度、有针对性的落实控制措施,为TBM安全提供可靠的保证。

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