基本信息
- 项目名称：
- 基于虚拟仪器的超大直径泥水平衡式盾构机状态检测与故障诊断系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 南京长江隧道作为目前国内长江流域施工技术难度最大的工程项目，具有直径超大、水下压力高、地质条件复杂、透水性强、覆土超薄、掘进距离长、工程地质及水文条件风险不可预测等七大世界级技术难题，对此巨大的工程，采用盾构机进行作业。 盾构机配置设备数量多，关联性强，任何一套单独设备出现故障都将不同程度地影响掘进进度，关键部位的损坏会导致整台机器处于停滞甚至瘫痪状态。 基于虚拟仪器的超大直径泥水平衡式盾构机状检测与故障诊断系统，以微机为基础，以软件为核心，通过有关数据采集卡、信号调理模块，加之必要的传感器，组成盾构机监测与故障诊断系统，能够对盾构各主要系统进行全面检测与诊断。在南京长江隧道14.96m盾构机上进行了现场测试，取得了较好效果。 盾构机已经在地下工程建设中得到了迅速的发展和广泛的应用，十一五期间，预计本系统在国内的销售量应能达到700 ~1000套左右，具有非常广阔的市场前景，可以带来较大的经济效益和社会效益。
- 详细介绍：
- 南京长江隧道作为目前国内长江流域施工技术难度最大的工程项目，具有直径超大、水下压力高、地质条件复杂、透水性强、覆土超薄、掘进距离长、工程地质及水文条件风险不可预测等七大世界级技术难题，因此盾构施工面临巨大风险和难度，为保证能随时掌握盾构机工作状况，对盾构机关键设备进行状态检测与故障诊断，本课题基于虚拟仪器开发平台LabVIEW设计开发了南京长江隧道所用超大直径泥水平衡盾构机状态检测与故障诊断系统。系统集成了变速箱检测系统、电机检测系统、液压系统检测系统、主轴承检测系统、通用检测系统、数据趋势分析系统、盾构信息管理系统、帮助系统等八个子系统，现场使用结果表明：该系统具有测试诊断结果准确、集成化高、调试维护方便、性能稳定可靠等特点，与传统设备相比节省了人力、物力和财力,对盾构机状态检测和故障诊断有较高的实用价值。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 开发目的和基本思路： 1、改变国内盾构机施工过程中需要国外工程技术人员全程协助保证盾构机施工安全的尴尬现状； 2、保证盾构机正常运转及地下工程的顺利完工； 3、虚拟仪器软硬件结合，集成程度高，摒弃传统仪器弊端； 4、国内外对盾构机集成化的检测正处于探索阶段，目前能分享的盾构机检测资料很少，为解决实际问题提供帮助。 主要创新点： 1、国内外首次将虚拟仪器技术应用于超大直径泥水平衡式盾构机状态检测与故障诊断； 2、用虚拟仪器取代了传统仪器，基于软件进行数据分析处理； 3、对盾构机进行集成化的检测，摒弃传统的分体检测。 技术关键： 1、设备故障特征信号的提取； 2、故障特征判据的建立； 3、盾构机结构复杂，现场环境抗干扰处理。 主要技术指标： 加速度传感器分别为LC0104和LC0120，频率范围分别为0.5-9000Hz和0.35-6000HZ，灵敏度分别为100mV/g和1000mV/g，量程分别为50g和5g,谐振频率分别为27kHz和18kHz，分辨率分别为0.0002g和0.00002g，抗冲击分别为1500g和500g。 压力传感器： 最大量程 50Mp 数据采集卡： 最高采样率:250kS/s，共40路模拟输入，输入电压范围为±200mV至±10V，最大精度24位A/D转换。
科学性、先进性
- 现有盾构机检测系统只能对关键设备的部分参数进行检测，仅此已占用了上千个点位的PLC接口，其他关键设备、重要设备参数就需要配备专业检测技术人员进行检测，检测时使用传统仪器。 传统的测控仪器由于费用高、技术更新周期长、系统封闭等原因，越来越不能满足科技进步的要求。而软件为核心的虚拟仪器，其功能由用户自定义，技术更新快，价格和软件开发维护费用低，具有开放性、灵活性、可重复利用和配置的优点。利用LabVIEW软件开发的检测与故障诊断系统，实现了对盾构设备的状态检测与早期故障诊断，充分地发挥了虚拟仪器技术的优势，使测试精度、稳定性和可靠性都得到了充分保障。 对盾构这种大型复杂设备的故障诊断，现有检测系统局限于分体检测，像本系统这样的集成化程度高的检测设备，目前还未见报道，探索开发的本系统可以有效地对盾构机进行检测与故障诊断。 参考文献: [1] 刘宏志.TBM及盾构机设备状态检测与故障诊断实用技术综述[J].隧道建设,2007,27(6):86-88等。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年5月在北华航天工业学院获“挑战杯”2009“动感地带”河北省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- D 现场应用
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 1、实物、产品 2、现场演示 3、图片 4、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势 1 软件代替硬件，以软件为核心；2 集成化程度高,易扩展； 3 本系统配备相应的传感器，可以在预定的位置放置传感器进行信号采集，之后通过信号调理模块将信号送入数据采集卡，通过LabVIEW进行分析和处理，可以准确的分析出故障和潜在的故障。 市场分析和经济效益预测 盾构已经在中国地下工程建设中得到了迅速的发展和广泛的应用，适用于铁路隧道、公路隧道、引水隧洞、矿山巷道、城市市政隧道等各种地下工程的施工，我们探索研制的“基于虚拟仪器的超大直径泥水平衡盾构机状态检测与故障诊断系统”可以应用于各种直径的盾构机状态检测与故障诊断中。 若按每台盾构机配一套检测系统计算，十一五期间，本系统在国内的销售量应能达到700到1000台左右，具有非常广阔的市场前景，可以带来较大的经济效益和社会效益。 通过检测诊断及时掌握盾构机状态，以便采取相应措施进行预知维修，提高其完好率及利用率，减小非正常停机及延误工期造成的损失；还可减少安全事故。
同类课题研究水平概述
- 国外在盾构施工过程中，把握盾构机状态主要依赖机器自身监测系统和工作人员经验，被监测参量部分设置上下阈值实现故障报警，如滤芯压差报警，污水箱液位报警等，而多数参量只是简单的反馈、显示，由操作人员凭经验判断其状态。有些关键的部件仅通过盾构机自身反馈，很难判断其故障状态，而检测主要借助于传统仪器，人工拿一些手持式设备对其进行检测，还有一些开发好的检测系统对关键部件检测，之后提取一些数据对其离线分析。而真正意义上可以预测故障诊断技术，如油液分析技术、振动监测技术、红外测温技术，在盾构机上未得到普遍应用，而集成化程度很高的系统还未见报道。 国内各科研院所对盾构机的研究主要集中在盾构机姿态测量方法、盾构姿态自动测量系统偏差解算、盾构隧道掘进施工辅助系统和导向技术、以及盾构姿态自动监测上，这些方法在施工过程中都取得了一定的成效。此外，秦岭隧道施工中，也开发了TBM故障诊断专家系统，但使用的是盾构机自带采集系统所采集的数据，而集成化的盾构机在线状态检测与故障诊断系统，目前还未见报道。
