旋挖鉆機液壓監測系統開發及應用

王 偉，張焰明

（北京中車重工機械有限公司，北京 102249）

旋挖鉆機工況惡劣，加上旋挖鉆機液壓系統本身的復雜性，給鉆機的維護管理造成了很大困難，如果旋挖鉆機液壓系統發生故障，直接影響其施工效率。本文通過施工現場旋挖鉆機動力頭的監測，替代在試驗室所做的動力頭模擬加載試驗，測試數據對旋挖鉆機動力頭及相關液壓系統的性能改進有一定的指導作用。實時監測系統能夠提供旋挖鉆機液壓系統的工況監測和設備健康管理，保證鉆機安全、穩定、長周期優質運行，可以有效提高鉆機運行的可靠性與安全性，將旋挖鉆機定期維護提升為按需維護與預測維護[1、2]。

1 系統方案

我公司TR系列旋挖鉆機液壓系統采用負流量控制的主控制回路、先導控制回路，副控制系統為負載敏感系統，液壓系統結構如圖1所示[3]。

圖1 液壓系統示意圖

考慮到旋挖鉆機液壓系統涉及的工作參數信號較多，且流量傳感器和扭矩傳感器的安裝和使用會對旋挖鉆機的原有機械和液壓系統產生不利影響，本文確定了直接測量和間接測量參數及測量方案，整個旋挖鉆機液壓系統的實時監測方案如圖2所示。

壓力、流量與溫度這3個參數是旋挖鉆機液壓系統工況穩定與否的重要參數。直接測量參數包括主副泵和先導泵的壓力，馬達進出口壓力、轉速，加壓油缸有桿腔無桿腔壓力、流量，還有油箱油溫等28個參數。

間接測量參數包括動力頭輸出扭矩、加壓油缸加壓力和起拔力、各個馬達和加壓油缸的流量等12個參數，通過傳感器測得的直接測量數據計算得出。

動力頭馬達的輸出扭矩是最重要的工作參數之一，動力頭馬達的輸入扭矩ΣT等于輸出扭矩TL和馬達轉子的轉矩之和。

式中 ΣT—動力頭馬達的輸入扭矩，Nm；

TL—動力頭馬達的輸出扭矩，Nm；

V—動力頭馬達的排量，mL/r；

ΔP— 動力頭馬達的進出口壓力差，MPa；

J—動力頭馬達的轉動慣量，kg/m2；

— 動力頭馬達的角加速度(動力頭馬達轉速轉換成角速度求導），rad/s2。

加壓油缸的加壓力F1和起拔力F2是通過加壓油缸的進出口壓力和油缸面積計算求出。

式中P1—加壓油缸無桿腔壓力，MPa；

P2—加壓油缸有桿腔壓力，MPa;

D—加壓油缸無桿腔直徑，mm；

d—加壓油缸活塞桿直徑，mm。

2 監測系統結構

2.1 系統硬件結構

測試系統選用北京阿爾泰ARM8019嵌入式PC104主板，數據采集卡采用ART2153直接和主板的PC104接口連接，在WinCE操作系統下，使用C++語言編程完成的，具備RS232串口通信及TCP/IP網口通信功能，多通道采集工作參數，最高總采樣頻率為500K（可調），存儲介質為128G的固態硬盤。監測系統功能框圖如圖3所示。

監測報警根據傳感器的采集信息，采用單參數閾值報警和多參數綜合分析報警兩種方式進行當前旋挖鉆機液壓系統狀態的預報，報警電路由聲光報警電路組成，系統根據監測的液壓系統工況參數跟正常工況值差別程度采用三級報警，將不同緊急程度的狀況傳遞給旋挖鉆機操作人員[4～5]。

圖2 實時監測系統研制方案框圖

圖3 實時監測系統功能框圖

2.2 系統軟件結構

本系統軟件采用VC++語言編制，在WinCE操作系統下運行，并且本系統無人操作，系統軟件能夠在系統開機時自動運行。軟件采用模塊化設計，劃分為數據通信模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊和數據傳輸模塊。數據采集模塊用來采集旋挖鉆機液壓系統工況參數；數據存儲模塊基于SQLite關系數據庫技術構建[6]，整個系統的數據庫由配置數據、旋挖鉆機液壓系統性能參數數據、實時數據、歷史數據和報警異常數據組成；數據通信模塊用來連接旋挖鉆機發動機ET控制單元，設置數據傳輸協議，完成發動機ET系統數據的正確通信；數據傳輸模塊是將施工現場采集到的旋挖鉆機液壓系統工作參數數據和發動機ET系統數據傳輸給其他設備，本系統的數據傳輸是通過USB接口利用“Microsoft ActiveSync”（基于Windows Mobile的設備的最新同步軟件）傳輸到其他計算機。實時監測系統的整個數據采集存儲軟件流程圖如圖4所示。

圖4 數據采集存儲軟件流程圖

3 采集數據處理

采集數據的數據處理包括以下3個部分。

1）數據采集前的低通濾波和4～20mA電流轉換成1～5V電壓，通過信號調理模塊實現。

2）數據采集后的參數值到實際值的轉換和實時監測系統通過監測參數值計算出各執行元件的參數通過采集卡的編程實現，對AD原碼LSB數據轉換成的電壓值進行滑動平均濾波，然后將傳感器的電壓值轉換成實際的測試量，計算出旋挖鉆機液壓系統工作參數的數值。

3）數據存入數據庫時的數據處理通過程序編程和SQLite關系數據庫一起實現。

本實時監測系統為車載式系統，在長時間的監測過程中會采集海量的數據，本文進行了海量采集數據的壓縮處理。

旋挖鉆機液壓系統在正常工作時，各個液壓回路不是同時進行，即有單獨工作、復合工作又有協調工作，并且各個回路在整個旋挖鉆機工作過程中所用工作時間不同。為了便于采集數據的壓縮處理，首先在監測過程中判定旋挖鉆機液壓系統液壓工作回路。

海量采集數據的壓縮處理：①無報警時的采集數據，將1s內的各通道采集數據進行平均值處理外，在判定其工作液壓回路的基礎上，進行進一步壓縮。對于沒有工作的液壓回路，其監測數據基本上無變化，在進行存儲的時候，存儲不變的監測數據和其持續的時間；②有報警時的采集數據，在判定其工作液壓回路的基礎上，有故障回路的采集數據只進行信號調理然后存儲，回路沒有異常的通道采集數據進行平均值處理外，監測數據無變化時，存儲不變的監測數據和其持續的時間。

4 監測系統數據輸出

對北京中車重工某型號旋挖鉆機做測試，得出結果如下：動力頭在6檔打土加壓的工作情況下壓力、流量、功率曲線如圖5所示。

圖5 旋挖鉆機動力頭測試

主卷在鉆機6檔(1600rpm)提升鉆桿（含鉆斗）深井，有水。總長第二節鉆桿出（23m）的工作情況下壓力、流量、功率曲線如圖6所示。

圖6 旋挖鉆機主卷測試

5 結 論

1）分析了旋挖鉆機液壓系統的工作性能參數及其相互關系，確定了直接監測參數和間接測量參數及測量方案，完成了實時在線監測系統的總體設計方案。

2）完成了旋挖鉆機液壓系統實時在線監測系統的軟硬件設計，不改變旋挖鉆機結構，不需要人工操作。

3）本系統可以實現旋挖鉆機現場數據采集，進行現場工業性試驗，預期可以替代實驗室動力頭加載試驗。

4）設計了一種數據存儲算法，采集的液壓系統工作性能參數進行處理后，大幅度減小了數據量，所占內存減小，并且不失真的反映了各個液壓回路的運行狀況。

[參考文獻]

[1]胡友民，杜潤生，楊叔子.液壓系統運行狀態監測[J].液壓與氣動，2002，(8)：35-37.

[2]陳章位，路甬祥，傅周東.液壓設備狀態監測和故障診斷技術[J].液壓與氣動，1995，(2)：3-7+2.

[3]黎起富，李均良.TR250D型旋挖鉆機總體設計[J].工程機械，2008，(9)：41-5+7.

[4]潘 偉，王漢功.基于多傳感器信息融合的工程機械液壓系統在線狀態監測與故障診斷[J].工程機械，2004，(7)：42-5+2.

[5]鄧麗君.基于多傳感器信息融合的液壓系統故障診斷方法研究[D].太原科技大學，2013.

[6]蔣 晶，郝繼飛，于 平.SQLite在嵌入式系統Wince中的應用[J].微型機與應用，2011，(14)：82-3+6.