盾构机作为地铁工程、水利工程等隧道施工中重要的机械设备，设备润滑工作尤为重要。而油（脂）监测是保障盾构机润滑的重要手段，本文介绍了一种已经实际应用在大型设备主轴的基于电导率、相对介电常数与温度多参数融合的润滑脂在线监测系统。通过传感器网络实时采集数据，结合内置算法预测润滑脂寿命，实现了润滑脂劣化的早期预警，降低轴承故障率，减少运维成本，为盾构机润滑管理提供技术支撑。通过数据分析，归纳出典型的盾构机润滑问题及产生的原因和带来的危害。通过典型润滑问题解析，为盾构机施工、维修、维护保养提供重要的经验支持。

   伴随着走向国际市场以及更大需求量的应用，盾构机的质量越发要求严格，作为核心部件的主轴随之要求越来越严格。其维护也越来越精细。盾构机主轴的润滑系统承载着举足轻重的作用。传统的对盾构机主轴的维护体现在不及时，不精准，无法从始至终的实时监控。而盾构机的施工环境中存在大量粉尘，水分等污染物，导致盾构机润滑故障率高，因此完善润滑系统的智能监测迫在眉睫，成为新的亮点。

1.盾构机主轴承润滑现状与问题分析

1.1盾构机润滑脂劣化的主要原因

盾构机润滑脂在使用过程中发生劣化，主要与以下因素相关，这些因素可能单独或共同作用导致润滑性能下降：

1.1.1高温影响

盾构机工作时，轴承、齿轮等部件因摩擦产生大量热量，尤其在高负荷工况下，局部温度可能显著升高。高温会加速润滑脂中基础油的挥发，导致脂体变稠、硬度增加，同时破坏增稠剂的结构稳定性，使润滑脂失去原有的胶体结构，出现分油、硬化等现象，润滑效果大幅降低。

1.1.2污染物侵入

1.1.2.1固体杂质：盾构施工环境多为泥土、砂石等，若密封不良，灰尘、砂粒、金属碎屑等会混入润滑脂，不仅磨损摩擦表面，还会破坏脂的结构，加速其氧化和劣化。

1.1.2.2水分侵入：地质中的地下水、施工用水等可能进入润滑部位，水分会使润滑脂乳化、稠度下降，降低油膜强度，同时促进金属部件锈蚀，进一步加剧润滑脂的劣化。

1.1.3 氧化反应

润滑脂与空气长期接触，在高温、金属离子（如轴承磨损产生的铁离子）催化下，会发生氧化反应，生成有机酸、胶质、沥青质等有害物质。氧化会导致润滑脂颜色变深、酸值升高，腐蚀金属部件，同时脂体的流动性和润滑性下降，甚至出现硬化、结块。

1.1.4机械剪切作用

盾构机的齿轮、轴承等运动部件高速运转时，会对润滑脂产生强烈的机械剪切力，破坏增稠剂形成的网络结构。长期剪切会使润滑脂的稠度降低、分油增加，失去原有的黏附性和密封性，无法有效形成稳定的油膜。

1.2 现行盾构机的润滑脂管理方式以及缺陷

目前针对润滑脂还是使用定期取样以及外观检查实现监测。定期取样数据存在明显的滞后性以及浪费情况，不能及时反应以及实判断润滑脂的理化特性。更不能及时反映轴部件的磨损以及污染程度。不能有效地做出精准的运行情况判断。

1.3 盾构机主轴润滑脂失效引发的问题

1.3.1 主轴承过度磨损，寿命急剧缩短

润滑脂失效后，无法在轴承滚道、滚动体（滚子/钢球）表面形成有效油膜，金属表面直接接触并发生干摩擦或半干摩擦，导致磨损速度呈指数级上升。磨损产生的金属碎屑（铁屑、铜屑等）混入残留脂中，进一步加剧“磨粒磨损”，形成恶性循环，短期内造成轴承间隙增大、精度丧失，原本设计寿命可达数万小时的主轴承可能在数千小时内报废。

1.3.2局部高温与热失效

摩擦加剧会产生大量热量，而失效的润滑脂（如因高温劣化、分油的脂体）导热性下降，热量无法及时散发，导致轴承局部温度骤升（可能超过150℃）。高温会进一步破坏残留润滑脂的结构，同时使轴承金属材料的硬度、强度下降，引发“热胶合”（金属表面熔融粘连），严重时导致轴承卡死、抱死。

1.3.3密封系统损坏，污染物侵入加剧

主轴承的密封（如唇形密封、迷宫密封）依赖润滑脂的辅助密封作用，失效的润滑脂（如变稀、流失）会降低密封件的润滑和保护效果，导致密封件过快磨损、老化。密封失效后，盾构机工作环境中的泥水、砂石、粉尘等污染物大量侵入轴承内部，与磨损碎屑混合形成“研磨剂”，加速轴承滚道、滚动体的划伤和剥落，最终导致轴承彻底损坏。

1.3.4刀盘驱动系统故障，停机风险陡增

主轴承与刀盘驱动电机、减速箱联动，若主轴承因润滑失效出现卡滞或异响，会导致驱动负载急剧增大，可能引发电机过载跳闸、减速箱齿轮打齿等二次故障。轻微故障会导致盾构机掘进效率下降（如刀盘转速不稳定、扭矩波动），严重时必须停机检修，而主轴承更换需拆解刀盘、驱动系统，工期通常长达数周甚至数月，直接影响项目进度。

1.3.5维修成本激增，安全隐患凸显

主轴承是盾构机最昂贵的部件之一（单套价值数百万至数千万元），更换不仅需承担备件成本，还需支付高额的拆装、吊装及停机误工费用，综合损失巨大。若润滑脂失效未及时发现，可能导致主轴承突发断裂、刀盘失控等极端情况，严重威胁井下施工人员安全，甚至引发设备倾覆、隧道坍塌等重大安全事故

2.润滑脂在在线监测系统的基本概述

 润滑脂系统过程智能诊断预警系统是综合性智能化系统，创新点如下：

（1）利用传感器实时监测润滑脂重要参数（电导率、相对介电常数、温度、水分）

（2）在线温度模拟补偿技术，可以消除温度变化对各类参数及判断的影响。

（3）根据设定值可全天候对设备状态进行监测及预警、报警。

（4）分析润滑脂及其使用寿命周期。

（5）判断设备早期磨损。

（6）监测设备及润滑脂状态与负荷变化关系。

（7）监测补脂实时状态。

（8）通过积累的大数据及算法为不同设备制定个性化维保方案。

（9）通过与振动传感器数据整合，实现更精准快速的判断

   以上创新点分别由润滑脂数据采集功能、润滑脂预警功能和润滑脂数据传输功能这四部分来实现。

2.1润滑脂数据采集功能

  针对脂类的监测，以及应用场合的要求，希姆西传感器开发出电化学润滑脂传感器，根据电介质可以定义电导率；同时测量电容器的容量，在电容量的基础上，可以定义相对介电常数。在传感器内嵌入线温度模拟补偿模块，可以消除温度变化对各类参数及判断的影响。根据电导率和相对介电常数，利用特有的算法模型计算含水率。

2.2 润滑脂预警功能

  在润滑脂过程智能分析的软件中，对电导率、相对介电常数、温度、含水率等参数进行加权计算，得出润滑脂综合健康管理数值和曲线，根据数值和曲线可以设置预警值和报警值。预警值和报警值可以通过邮件和微信小程序等手段，及时告知用户。有效的提前预警和报警，不仅可节约故障导致停机损失费用、零部件的更换、维修人员等成本，还可提前预估风险，避免故障停机、避免设备损耗，并能提前预约维修装备，保持稳定施工进度。

2.3 润滑脂数据传输功能

  为了满足大型工业设备现有的各种数据系统平台，可提供与之适配的通讯方式进行对接，例如：

注：支持扩展WIFI、4G/5G、蓝牙、TCP/IP、Modbus Tcp等

传感器检测的数据经采集器通过数据线传递到模块箱内，在模块箱内对采集的数据进行解析，再通过网线将数据传输到机舱内交换机中，最终进入到工作站（安装在中控室中，方便业主监测）。

润滑脂检测传感器需提供相应检测数据，包括但不限于温度、介电常数及电导率，默认采集周期为 3min/次（可根据实际调节）（传感器充入油脂及能正常工作）。

3.润滑脂系统智能诊断预警系统的效益预测分析

  通过实时监测润滑脂状态，系统能够提前发现潜在故障，减少设备停机时间，延长设备使用寿命，降低维护成本，提升整体运营效率。

3.1经济效益：成本压缩与效率跃升的双重红利

3.1.1停机损失锐减

盾构机停机成本因项目规模差异显著：常规设备停机一天折旧及人工消耗约5万元，而大型项目少停机一天可节约摊销成本30万元以上。预测性维护系统通过提前72小时预警，可减少70%的非计划停机损失，例如某项目通过润滑脂智能监测避免主轴润滑隐患，直接规避数十万元维修费用。若以年停机10天计算，中型项目年节约可达150万- 300万元，大型项目则可能突破千万。

3.1.2维护成本优化

例如：某品牌的监测平台通过在线监测优化维保策略，单方面单次解决液压油乳化问题即节约数十万元；智能诊断系统可使维护成本降低25%-35%，核心部件检修周期延长30%以上。国外智能监测方案仅通过对润滑油进行实时油液分析，起到避免了轴承密封失效导致的重大事故，减少紧急维修费用超百万元。而随着国产化的推行，以及搭配国产润滑脂在线智能监测系统实现性价比的强势突破，结合油类监测智能化，实现油脂的全品类监测，全智能化将更加的经济高效。

3.1.3设备寿命延长

某盾构机主轴承密封故障案例中，通过及时检测与换油（脂）处理，设备继续稳定运行3 个月，避免了主轴承更换的数百万元成本。盾尾油脂注入装置改进后，停机时间减少2-4小时 /天，设备整体寿命可延长10%-15%。自主维修模式更直接节约成本300余万元，印证了智能维护对设备全生命周期价值的提升。

3.2安全与社会效益：风险防控与工程质量的全面升级

3.2.1安全风险降低

主轴承密封失效预警系统通过检测油脂污染，避免了泥水侵入导致的爆炸风险；智能监测方案实时监控润滑系统进水，将事故概率降低90%以上。某透水地层穿越项目中，智能诊断系统全程护航，未发生一起安全事故。

3.2.2质量稳定性提升

盾构轴线控制精度从人工操作的±50mm提升至智能系统的±10mm，显著减少隧道渗漏、管片错台等质量缺陷。而工程质量离不开各系统的联动配合，作为润滑监测一环属于必不可少的。

3.2.3社会影响优化

设备的高效性维护与监测，保障故障率的下降，可以提高效率，从而使施工周期缩短，可噪音扰民等社会成本。

3.3技术效益：数据驱动与产业升级的核心引擎

3.3.1运维模式革新

传统定期维护存在30%的过度保养，且维护单一，在油类的监测上面略显重视，对于脂类的智能化管理完全确实，于是运维出现短板，随着润滑脂监测智能化的运用，补齐了整体设备维护的空缺，运维模式不再是半智能化，而开始趋向于全智能化。

3.3.2全生命周期管理

实现从选型到退役的全流程数据贯通，设备利用率提高20%。数字孪生技术可模拟不同维护策略的成本效益，帮助企业实现ROI最大化。

3.3.3技术壁垒构建

自主研发的智能诊断系统打破国外垄断，核心部件国产化率从30%提升至70%

4.油脂传感器在动态旋转中测量探究

4.1试验说明： 

4.1.1试验目的：

探究油脂传感器在动态旋转中测量数据结果的可行性。

  测试试验台（标记部位为测量油脂变化的传感器）

4.1.2试验介绍：

将油脂传感器如上图进行架构连接，通过抽排机构联动，测试油脂的电导率和介电常数变化情况；稳定运行一段时间后，确保润滑脂充满实验轴承各处，此时向轴承测试台滴入干净水（以实验注脂量的百分比），观察传感器示数变化情况。轴承在旋转工作的过程中，将实验润滑脂与水的混合物带到轴承各处，并通过实验抽排机构，将实验环节脂水混合物进行实时数据监测，所测得数据趋势变化特征明显。结果如下图所示：

                   实验数据记录

4.1.3  实验结论

由于脂的特性以及实验条件，实验过程为了更快地反映脂的测量变化，通过模拟少量水分进入轴承，从观察上图可以发现，润滑脂电导率和介电常数在特定温度情况下，水分的进入变化，电导率，介电常数响应快速，变化明显。当实验台将脂水混合物抽排干净，为加水的脂进入后（模拟除水），数据恢复到初始阶段，因此得出电导率和介电常数可以实时监测润滑脂的运行状态以及反映介质突变的信息。

4.2润滑脂的杂质浓度电导率与介电常数随温度的变化趋势

从图中可以看出，不同杂质浓度受温度影响的趋势较为明显，同时反映在电导率、介电常数都有较为直观地体现，因此在温差范围大，工况复杂的环境中，电导率以及介电常数可以更好的，更及时的反映润滑效果，以及设备工作的状态。

   盾构机作为“地下工程机械之王”，其润滑系统是“血液系统”，而润滑监测的本质，是通过实时数据掌握“血液健康度”，避免因“血液问题”导致设备“器官衰竭。从短期看，它能减少故障、保障工期；从长期看，它能降低全生命周期成本、规避安全环保风险，是现代盾构施工“精细化管理”的核心组成部分。它不仅是技术层面的“设备保护手段”，更是工程管理层面的“风险控制工具”，是现代盾构施工从“粗放式”走向“精细化”的必由之路。

    随着科技化水平的提高以及高价值的投入，不断的对传统的难点得到完善的解决，智能润滑监测系统的介入，实现对设备全品类油脂的智能化监测，将对大型盾构机轴承设备的高效性、未来发展提供强有力的助力。