工程機械發(fā)動機在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究

李洪波

摘要：發(fā)動機作為程機械設備的核心部件結(jié)構(gòu)極其復雜，且處于高溫、高壓、高速的環(huán)境中運行，發(fā)動機的故障率較高，故障的準確判斷費時、費力，甚至部分微小故障可以造成發(fā)動機致命的損傷。基于上述原因，建立工程機械發(fā)動機在線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于該類型發(fā)動機的故障模式對發(fā)動機的關鍵特征參數(shù)進行采集、處理和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機故障的判斷與發(fā)動機內(nèi)部小故障與小隱患，及時進行預防性維修，防止故障的擴大化，降低發(fā)動機的維修成本。采用該系統(tǒng)可以提高發(fā)動機運行的可靠性，增強發(fā)動機的預防性維修，提高發(fā)動機的使用壽命。

Abstract： The structure of the engine as the core component of the process mechanical equipment is extremely complex， and it is running in the environment of high temperature， high pressure and high speed. The failure rate of the engine is high， the accurate judgment of the fault is time-consuming and laborious， and even some minor faults can cause fatal damage to the engine. Based on the above reasons， the on-line monitoring system of construction machinery engine is established. Based on the fault mode of this type of engine， the key characteristic parameters of engine are collected， processed and analyzed. It can realize the judgment of engine fault and small trouble and hidden trouble， carry out preventive maintenance in time， prevent the expansion of fault and reduce the maintenance cost of engine. The system can improve the reliability of engine operation， enhance the preventive maintenance of engine and improve the service life of engine.

關鍵詞：發(fā)動機;故障率;在線監(jiān)控;預防性維修

Key words： engine;failure rate;on-line monitoring system;preventive maintenance

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0031-05

0? 引言

礦用工程機械所處的工作環(huán)境惡劣，動力裝置是推進系統(tǒng)的核心裝置，而發(fā)動機是動力裝置的核心部件，它的可靠性直接影響設備的生產(chǎn)效率。當發(fā)動機出現(xiàn)故障后，往往需要花費大量的時間和人力去查找故障原因，特別是對某些本可以提早發(fā)現(xiàn)或者有明顯征兆的小故障。由于沒有及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機存在的問題，而釀成重大甚至是不可修復的故障[1]，使企業(yè)的運營成本增加。

1? 發(fā)動機故障分析

本文以一種履帶式推土機為例來說明該系統(tǒng)的工作方式，該發(fā)動機是一款四沖程、風冷、廢氣渦輪增壓高速采油機，該型號發(fā)動機有12個缸，并且呈“V”型60夾角，額定功率432kW。

該型號發(fā)動機的主要故障模式如表1所示。

該型號發(fā)動機的各類故障出現(xiàn)率如表2所示。

在基本上能夠保證反映發(fā)動機整體性能的前提下，選擇了以下12個工作參數(shù)[2]：機身振動、氣缸蓋振動、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、空載功率、潤滑油壓力、柴油壓力、供油提前角、油箱油位、進氣溫度、排氣溫度、氣缸蓋溫度、冷卻水溫度和潤滑油溫度，如圖3所示。

根據(jù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)的特點，考慮工作環(huán)境等在設計預警系統(tǒng)時，主要監(jiān)測以下內(nèi)容：發(fā)動機缸蓋處的振動、溫度、應變。

方案采用實時監(jiān)測發(fā)動機振動的變化以及對應測點附近溫度變化來判斷發(fā)動機故障。當振動幅值或頻率產(chǎn)生突變時則有可能發(fā)動機產(chǎn)生故障，同時一旦搖臂、凸輪軸或者氣門發(fā)生故障，將會使得發(fā)動機溫度驟變。缸蓋一旦應變超過設計理論范圍則有可能導致缸蓋產(chǎn)生裂紋，因此應變監(jiān)測也是預警系統(tǒng)中重要一部分。

由于推土機所處工況振動、噪聲大，現(xiàn)場測定噪聲信號的頻率范圍，最終在監(jiān)測系統(tǒng)中將該信號濾除。

2? 總體架構(gòu)

首先通過車載系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的實時收集與通訊;而后在監(jiān)控中心中，實現(xiàn)發(fā)動機監(jiān)控和故障診斷。因此，發(fā)動機監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)主要由車載信息采集平臺、車地無線通訊系統(tǒng)、遠程監(jiān)控中心三部分組成。發(fā)動機監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。

2.1 車載信息采集平臺

車載信息采集平臺包括車載信息采集模塊、數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊、子系統(tǒng)總線和車載信息處理主機，其中車載信息采集模塊主要由傳感器組、數(shù)據(jù)采集板卡組成，實現(xiàn)對安裝在設備上的發(fā)動機重要部位的傳感器信號、各個功能子系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)，以及操作人員的操作情況等信息的采集;數(shù)據(jù)信息的打包與遠距離通訊由數(shù)據(jù)遠程傳輸模塊完成;子系統(tǒng)總線用于系統(tǒng)內(nèi)部將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕d信息處理主機;車載信息處理主機包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)打包和遠程傳輸程序，完成各功能模塊的調(diào)度管理和數(shù)據(jù)處理。此外，車載信息采集平臺還包含定位模塊，通過接收衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)，解析出設備的地理位置、運行速度、運行方向等地理時空信息。

2.2 設備與地面的無線通訊系統(tǒng)

現(xiàn)有的無線通信技術(shù)發(fā)展極快，采用4G網(wǎng)絡實現(xiàn)通訊，實現(xiàn)設備與地面的無線通訊系統(tǒng)，實時傳輸發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心。

2.3 監(jiān)控中心

遠程監(jiān)控中心主要實現(xiàn)登錄、監(jiān)測對象設備管理、數(shù)據(jù)接收與解析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、健康監(jiān)測與故障診斷、故障報表的生成、故障信息反饋、歷史信息和故障數(shù)據(jù)查找、故障數(shù)據(jù)信息共享等功能每臺設備都擁有一個唯一的識別碼，以此在遠程監(jiān)控中心中進行區(qū)分[3]。針對設備發(fā)動機的運行狀態(tài)進行健康監(jiān)測和故障診斷，當發(fā)現(xiàn)異常時及時報警，并進行故障部位和類型診斷，最后將信息通過無線通訊系統(tǒng)返回到各個設備的子系統(tǒng)，從而指導設備的故障排查。同時，遠程監(jiān)控中心將坦設備的監(jiān)測診斷信息進行分發(fā)，為各級應用和服務平臺提供各種共享信息，從而促進設備的科學運維管理。

2.4 各模塊功能設計與工作流程

2.4.1 各模塊的功能設計

數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)發(fā)動機上關鍵部位傳感器數(shù)據(jù)、工作信息等的實時采集，并進行調(diào)理、轉(zhuǎn)換和發(fā)送。數(shù)據(jù)通訊模塊，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與總監(jiān)控數(shù)據(jù)中心計算機之間的信息傳輸和交互。監(jiān)測與報警模塊，主要實現(xiàn)發(fā)動機關鍵狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測，當超過閾值時則進行報警。健康狀態(tài)監(jiān)測與異常檢測模塊，主要實現(xiàn)發(fā)動機整體運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和健康評估，檢測出坦克發(fā)動機出現(xiàn)的明顯異常狀況。故障診斷模塊，當坦克發(fā)動機的健康狀態(tài)出現(xiàn)明顯異常后，進行故障診斷，識別故障部位、故障類型，分析故障原因。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，可根據(jù)時間查詢坦克發(fā)動機的歷史運行數(shù)據(jù)和故障信息，并生成故障信息報表。

2.4.2 系統(tǒng)故障處理流程

3? 發(fā)動機車載信息平臺

3.1 振動監(jiān)測（傳感器技術(shù)指標）

振動監(jiān)測選用1A603E高溫壓電式加速度傳感器，該傳感器具有高靈敏度、高分辨率、低阻抗電壓輸出、與地絕緣、抗干擾好等優(yōu)點。

1A603E高溫壓電式加速度傳感器技術(shù)指標如表3所示。

發(fā)動機環(huán)境惡劣，需要考慮傳感器的防護，每個傳感器需配備一個安裝防護盒。

3.2 溫度監(jiān)測（位移傳感器指標）

溫度監(jiān)測采用鉑電阻溫度傳感器，主要監(jiān)測發(fā)動機的溫度，當溫度出現(xiàn)異常升高，則可能出現(xiàn)故障。

①溫度監(jiān)測采用JCJ100TTPB型貼片式溫度傳感器，該系列傳感器主要技術(shù)指標如表4所示。

②溫度傳感器的安裝方法及注意事項：

1）根據(jù)傳感器的數(shù)量，備齊包括附件的成套儀器和電纜，同時考慮適當備用量。根據(jù)設計施工要求，電纜接線作好編號和存檔工作。

2）對于溫度監(jiān)測，采用螺紋固定，借用發(fā)動機固有的螺紋孔固定安裝。

3.3 應變監(jiān)測

實時監(jiān)測缸體的強度，通過應變花監(jiān)測主應力方向，便于分析缸體結(jié)構(gòu)受力情況，當出現(xiàn)異常應力變化時及時報警。

應變傳感器選用高溫型焊接式應變片HKB120-3CA-T250（11）-G100，傳感器由應變片、定位焊點、信號引出線組成，定位焊點用于固定應變片，信號引出線用于接入采集器終端，可根據(jù)不同的橋路方式使用不同的連接方法。

主要技術(shù)指標如表5。

4? 網(wǎng)絡傳輸解決方案

礦區(qū)現(xiàn)場為直徑50km的圓錐形坑體，推土機是一直處于運動狀態(tài)，普通的網(wǎng)橋方式因距離較遠的原因搭建成本過高，綜合考慮使用4G方式傳輸。

5? 儀器解決方案

定制在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，采用獨立分布式模塊結(jié)構(gòu)，支持4G通訊連接，支持選配各類型模擬量通道靈活組合，可完成加速度、溫度、應變等各種物理量的采集。滿足對大型結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測管理，為其運營管理、養(yǎng)護維修、安全和可靠性評估提供數(shù)據(jù)支撐。

應用范圍：①IEPE通道，滿足低頻IEPE傳感器信號的精確測量;②溫度通道，可接各種熱電阻（如鉑電阻、銅電阻等）以及熱電偶，滿足溫度測量;③應變通道，支持多種橋路方式，可完成全橋、半橋、1/4橋（120Ω三線制）狀態(tài)應力應變的監(jiān)測和分析;

功能特點：①可對工程機械、港口機械等的運營狀況長期連續(xù)不斷進行監(jiān)控，多種類型采集卡可自由組合搭配，完成振動、溫度等多種物理量的測試;②每通道需要采用獨立電壓放大器，A/D轉(zhuǎn)換器，低通濾波器，抗混濾波器，消除通道間串擾影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力;③采用寬溫型以及集成度高的器件，減小元器件數(shù)目，提高可靠性、易維修、易測試;保證儀器在低溫下能可靠工作;④多采樣頻率可選，最高連續(xù)采樣速率可達500Hz/通道;⑤先進的隔離技術(shù)和合理的接地以及抗雷擊能力，使系統(tǒng)具有極強的抗干擾能力，用于各種工程現(xiàn)場的長期監(jiān)測;⑥內(nèi)置DSP實時處理芯片，所有數(shù)據(jù)均可根據(jù)現(xiàn)場要求，實時處理，對設備的運行狀態(tài)提供有效的數(shù)據(jù)支持;⑦適合各類實驗室、監(jiān)控室等室內(nèi)及標準機柜使用環(huán)境要求;⑧系統(tǒng)具備斷網(wǎng)、斷電自恢復能力，實時顯示網(wǎng)絡狀態(tài)信息，系統(tǒng)內(nèi)置看門狗保護，能夠恢復斷電、斷網(wǎng)前的工作狀態(tài);⑨支持CMA3.0結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測平臺以及手機APP;⑩提供二次開發(fā)接口或根據(jù)用戶標準協(xié)議定制，便于系統(tǒng)集成。

系統(tǒng)組成：采集系統(tǒng)與計算機通過以太網(wǎng)通訊，通過網(wǎng)絡技術(shù)，可實現(xiàn)無限多通道擴展并進行采樣，實時進行信號采集、儲存、顯示和分析等。

6? 軟件解決方案

結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測軟件基于B/S構(gòu)架，數(shù)據(jù)庫采用My SQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集分析、圖形顯示、遠程控制及數(shù)據(jù)管理于一體，界面簡潔美觀，操作方便，完整直觀的顯示結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)容。軟件可以對結(jié)構(gòu)的營運狀況進行24小時不間斷監(jiān)控，利用計算機的存儲空間記錄結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)（包括振動、應力、應變、溫度、壓力等信息），當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)事故前兆或意外事件時，能夠及時報警，并為了解事故現(xiàn)象和分析事故原因及造成的結(jié)構(gòu)損傷提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

7? 系統(tǒng)功能架構(gòu)

發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)和邏輯層次上采用面向?qū)ο蟮姆植际浇Y(jié)構(gòu)，自下而上依次分為5個層次，即發(fā)動機設備層、測量采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)服務與功能應用層、表示決策層，如圖11所示。

發(fā)動機設備層，即發(fā)動機需監(jiān)測的結(jié)構(gòu)設備，包括振動測點所在結(jié)構(gòu)、溫度測點所在結(jié)構(gòu)及應變測點所在結(jié)構(gòu)等。

測量采集層分為傳感器層和數(shù)據(jù)采集層。傳感器層，在發(fā)動機關鍵部位布置各類傳感器，用于感知發(fā)動機結(jié)構(gòu)設備的各類工作狀態(tài)參數(shù)（振動、溫度、應變）。數(shù)據(jù)采集層，即數(shù)據(jù)采集器，完成現(xiàn)場各類傳感器信號的采集、預處理、分析處理、特征提取等功能。

網(wǎng)絡傳輸層，設備監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)主要有兩個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，分別是港機設備測控網(wǎng)絡和設備監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡。測控數(shù)據(jù)傳輸采用4G方式向設備監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)服務器進行報警信息推送。

數(shù)據(jù)服務層及功能應用層，主要完成系統(tǒng)應用層面的工作，包括信息管理、數(shù)據(jù)管理、在線狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預測及維修管理決策等模塊，數(shù)據(jù)管理模塊對系統(tǒng)網(wǎng)絡中的全部數(shù)據(jù)進行組織管理，包括實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫;在線監(jiān)測模塊通過實時監(jiān)測港機設備結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果、統(tǒng)計結(jié)果、預測振動結(jié)果、維修保障的人機交互和終端顯示;故障診斷模塊對采集的實時數(shù)據(jù)進行分析，診斷和定位故障。故障預測模塊根據(jù)實時歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障的預測;維修管理模塊在在線監(jiān)測、故障診斷模塊、故障預測模塊的基礎上，實現(xiàn)多要素綜合維修決策，形成最佳維修策略。

表示決策層，主要實現(xiàn)用戶的統(tǒng)一接入認證、登錄、信息瀏覽、系統(tǒng)維護管理、維修決策制定等功能。對于監(jiān)控室指揮員而言，主要是實時獲取推土機現(xiàn)場設備的狀態(tài)參數(shù)、統(tǒng)計圖表、及處理應急事件等功能;對于系統(tǒng)維護人員而言，主要實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)及功能配置、軟件系統(tǒng)升級、查詢歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)、分析診斷故障等;對于維修管理人員來說，主要實現(xiàn)制定維修計劃、組織實施維修及更新維修記錄等功能。

8? 結(jié)論

基于發(fā)動機故障的準確判斷以及預防性維修所建立工程機械發(fā)動機在線監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過實踐，該系統(tǒng)基于該類型發(fā)動機的故障模式對發(fā)動機的關鍵特征參數(shù)進行采集、處理和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機故障的判斷與發(fā)動機內(nèi)部小故障與小隱患，及時進行預防性維修，防止故障的擴大化，降低發(fā)動機的維修成本。采用該系統(tǒng)可以提高發(fā)動機運行的可靠性，增強發(fā)動機的預防性維修，提高發(fā)動機的使用壽命。

參考文獻：

[1]屈梁生.機械故障診斷學[M].上海：上海科學技術(shù)出版社， 1986.

[2]喬卉卉.挖掘機遠程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

[3]常劍，高明.基于相似性建模的發(fā)電機組設備故障預警系統(tǒng)[J].機電工程，2012，29（5）：576-579.