基于Tee法的某型實驗挖掘機模型的常見液壓故障檢測及其可視化平臺設計

姜鑫

(陜西國防工業職業技術學院，陜西西安 710300)

0 前言

挖掘機是用鏟斗挖掘高于或低于承機面的物料，并裝入運輸車輛或卸至堆料場的土方機械。從近幾年工程機械的發展來看，挖掘機的發展相對較快，現已經成為工程建設中最主要的工程機械之一。文中介紹了一種實驗用液壓挖掘機模型 (如圖1所示)，該模型能夠直觀、方便和有效地反映挖掘機的具體工作過程，但是在使用過程中也出現了其液壓系統的故障多樣化和復雜化的特點，如何快速有效地找到故障發生的部位，就成為了保證其正常工作的前提。

圖1 實驗用液壓挖掘機模型

1 挖掘機故障分析

該工作機構具體結構如圖2所示。

圖2 挖掘機挖掘機構總成

在實驗室操作使用過程中，經常出現鏟斗油缸3和斗缸油缸5挖掘無力的現象，而且還伴隨著舉升緩慢，慢速時爬行卡殼，兩側馬達轉速不同的現象。針對上述現象，可以確定在挖掘機的液壓系統中可能出現了故障，但是故障點在哪里，需要做進一步的分析，首先液壓系統的故障可以通過系統的工作壓力、溫度、流量等參數反映出來，通俗地說，就是液壓系統工作過程中出現的任何問題都直接或間接地與這幾個參數有關。系統工作正常時則參數都工作在預設值附近。若這些參數偏離了預設值，則系統就會出故障或有可能出現故障。

通過檢測系統的壓力、流量、溫度和功率等幾個特定的參數值，就可以進一步斷定液壓回路中的哪個位置參數已偏離了預定值，在此基礎之上，現場分析數據，即可快速準確地找出故障之所在。由此可見。進行液壓系統狀態監測和故障診斷，最關鍵的就是準確地獲取參數。利用參數測量法不僅可以診斷系統故障，而且還能預報可能發生的故障 (即液壓系統狀態的監測)，并且這種預報和診斷都是定量的，大大提高了診斷的速度與準確性。

2 用Tee參數測量法檢測液壓系統故障

Tee參數測量法就是液壓系統中泵的出口處接入T型接頭，接頭的另兩個接口中一個與測試儀相連，另一個則與工作回路進油口相連，對測量參數的結果進行比對分析，判斷系統某個回路中液壓元件的性能，這樣就可以在不拆卸液壓設備的前提下，迅速而簡便地檢測各類液壓系統技術狀況及故障所在，常見的檢測儀由測試系統與數據處理系統組成。

測試系統包括膜片式安全閥、模擬加載的嵌入式加載閥、硅應變式壓力傳感器、渦輪轉子流量傳感器、熱電阻溫度傳感器等集成在一起的集成傳感器。該集成傳感器是在渦輪流量變送器上嵌入了溫度、壓力傳感器和內置式加載閥，實現溫度、壓力和流量的同步測量，流量精度滿量程誤差±1%，流量讀數為線性度及零漂移±1位，壓力測量范圍為0～41.4 MPa，測溫范圍－20～150℃。系統的結構原理如圖3所示。

圖3 液壓系統檢測的結構原理框圖

數據處理系統包括接口電路、前置放大器、多通道信號傳輸電路 (多路開關)、A/D轉換電路、AT89C52單片機、液晶顯示、觸摸開關、蓄電池等。信號獲取的過程是:當檢測儀接入油路后，壓力油分別作用到渦輪流量變送器、壓力傳感器和溫度傳感器上。渦輪流量變送器產生的計數脈沖信號經高精度頻率電壓轉換裝置 (F/V Converter)轉換成與流量成比例的電壓信號，壓力和溫度傳感器則直接輸出電壓信號，這些流量、壓力、溫度信號通過前置信號處理器調理后進入A/D轉換器，由AT89C52單片機處理并計算其相應的功率參數及泄漏量，并進行數據的顯示，也可通過打印機打印出來或通過專用接口輸出到計算機中去。

3 測試數據分析

通過上述方法［1］，將Tee測量儀接入兩泵出口處，測試結果見表1。

表1 測試結果

將表1數據的主泵流量實測值與標準值/限度值比較后，可以看出前后泵的輸出流量都偏小，而且前后泵的流量差很大，這是造成動作慢、慢速卡殼的故障原因。繼續分析馬達轉速不同的原因，兩側的馬達代表行走系統，而行走系統分別由兩個液壓泵供油。這兩個液壓泵還分別擔負向鏟斗油路和其同向動臂缸和斗缸供油的任務。而馬達轉速不同只能說明而該機只是行走系統有故障，所以兩個液壓泵性能正常，下面仍然運用同樣的方法檢測故障，將挖掘機的鏟斗落到地面頂住枕木后同時操縱左右行走操縱桿，觀察與記錄壓力表讀數，分別進行前進和后退時的測量，測得數據如表2所示。

表2 壓力測量記錄表

由表2數據可知，高、低壓油由于密封失效，造成高、低壓油路滲透。形成在前進時左馬達的進油箱和右馬達的回油道之間發生滲漏，后退時右馬達的進油道和左馬達的回油道之間發生滲漏，這樣就形成左右壓力不等及供油不足、行走較慢的現象。

4 可視化平臺設計

通過上面的分析可以明確地得出挖掘機液壓故障的原因及產生部位，但是對于動作過程的描述不夠直觀，為了更加清晰直觀的仿真挖掘機的工作過程，各液壓缸支承下的工作順序，利用SOLIDWORKS2012作為設計平臺，進行可視化界面設計，設計結果如圖4 所示［2］。

圖4 挖掘機總裝配圖界面

在SOLIDWORKS2012裝配界面，選擇約束和動作，分別對3個液壓缸及連接部件編寫運動代碼，如圖5—7所示。

動臂油缸運動代碼:STEP(TIME，4，STEP(TIME，1，0，2，200)，5，－100)

斗缸油缸運動代碼:STEP(TIME，5，STEP(TIME，2，0，3，－300)，6，50)

鏟斗油缸運動代碼:STEP(TIME，6，STEP(TIME， 3， STEP(TIME， 0， 0， 1， 130)， 4，－130)，7，100)

圖5 動臂油缸運動代碼

圖6 斗缸油缸運動代碼

圖7 鏟斗油缸運動代碼

分別編寫好運動代碼后，點擊“應用”按鈕，便將已經編寫好的運動代碼植入到挖掘機總裝配圖的相應運動部位，點擊“執行”按鈕，挖掘機便可以按照指定的要求和速度進行動作，動作過程如圖8—10所示，圖8為鏟斗向下挖掘的動作，圖9為鏟斗完成挖掘的動作，圖10為動臂提升到頂部位置的動作。

通過這樣一個利用SOLIDWORKS2012設計的軟件平臺，非常簡單方便地模擬出挖掘機在正常工作時的動作順序，如果想表現出挖掘機在出現故障時的表現動作時，只需要改寫圖5或圖6、圖7中的運動代碼即可，學生可以根據視覺表現而明確故障產生的特點及動作次序。

圖8 鏟斗向下挖掘的動作

圖9 鏟斗完成挖掘的動作

圖10 動臂提升到頂部位置的動作

5 結束語

采用一種實驗用挖掘機平臺來分析其液壓故障，利用Tee法檢測其故障的流量和壓力參數，經過綜合的分析，可以明確故障的發生位置和故障的產生原因，簡單、方便、實用，省去了液壓維修過程中很多不必要的拆卸、檢查、裝配和調試環節。同時，為了將故障的特點更加直觀地表達出來，利用SOLIDWORKS2012繪制出挖掘機的總裝圖，編寫好運動代碼后執行運動，可以清晰地觀測出無故障時挖掘機運動過程，同樣的原理，只需要修改其運動代碼，就可以仿真模擬出挖掘機有故障時的運動過程。這對相應的從業人員具有一定的應用及推廣價值。

［1］姜鑫.機電設備故障診斷與維修［M］.咸陽:西北農林科技大學出版社，2014.

［2］詹迪維.SolidWorks2012機械設計教程［M］.北京:機械工業出版社，2012.