CN110374164A - 一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统及方法，涉及电驱动型的液压挖掘机技术领域，主要包括动力系统、传感器组件、数据采集装置、主控制器、数据记录仪、人机界面、GPS装置及远程监控中心；传感器组件包括振动、温度、压力、油污、油位、电压及电流传感器，分别安装于动力系统的对应监测位置，并与数据采集装置连接；主控制器分别与数据采集装置、数据记录仪、人机界面与GPS装置通过CAN总线连接，GPS装置与远程监控中心无线通信连接。本发明可实现对动力系统各部件运行状态的实时监测，构成从传感器组多参数采集、数据分析、数据存储、故障诊断、预警报警、本地及远程监控平台的一系列综合监控诊断功能，确保动力系统的可靠运行。

Description

一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种液压挖掘机动力系统监测与诊断方法，属于电驱动型的液压挖掘机技术领域。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，现代工业生产的机械设备正逐步走向复杂化、高速化、自动化。为了掌握设备运行状态、避免发生事故、对生产中的关键设备及部件实行离线或在线监测和故障诊断，也越来越引起人们的重视。传感器能够承担这一重要任务，针对具体情况，利用相关传感器测量分析潜在故障原因，找出问题症结后，再采取有效的技术措施加以消除，以保证设备的正常运行。

在工程应用领域故障诊断方法及产品多集中于特定或单一的机械设备。单独一种故障诊断技术，由于其信息来源的局限性，只能针对部分故障部位和故障类型进行诊断，无法满足运动机械性能进一步对故障诊断技术的需求。比如手持式振动、温度、转速等监测设备往往功能单一，无法进行连续监测，数据具有离散随机性。还有，一般电机、泵类等设备的在线监测系统配备独立的振动、温度、压力等传感器，仅监测特定设备及故障类型，将数据直接发送至控制器与显示系统，通过触发参数限定值报警或由用户经验直接判断设备故障，该类方法虽然数据处理简单、分析结果直观，但不能全面监测系统状态，且数据共享、融合与存储困难，缺乏基于数据库多参数分析的综合诊断功能，尤其对多设备、多参数构成的复杂系统，不能及时准确监测出设备问题的原因、部位、程度以及给出预计失效时间及维护保养建议。

因此，应将目前各种故障诊断技术的优势相融合，运用多种传感器技术，利用多种信息来源，结合网络通讯技术和远程控制技术，通过智能信息处理方法建立动力系统运行状态综合评价模型与故障诊断方法，实现对运动机械的综合智能故障诊断。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种液压挖掘机动力系统监测与诊断方法，该方法可实现对动力系统各重要部件运行状态的实时监测，构成从传感器组多参数采集、数据分析、数据存储、故障诊断、预警报警、本地及远程监控平台的一系列综合监测诊断功能，确保动力系统的可靠运行。

本发明按以下技术方案实现：

一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，包括动力系统、传感器组件、数据采集单元、主控制器、数据记录仪、人机界面、GPS装置以及远程监控中心；

所述传感器组件安装于动力系统的对应监测位置，并与数据采集装置连接，将采集到的各传感器数据发送至主控制器；所述数据记录仪与主控制器连接，用于存储历史监测数据与常见失效模型数据，从而建立本地综合监控数据库，以供本地故障及维护分析；所述人机界面与主控制器连接，实现人机交互功能；所述远程监控中心通过GPS装置无线通讯，所述GPS装置又与主控制器相连，用于存储历史监测数据与专业失效模型数据，从而建立远程监控数据库，以供远程故障诊断及维护分析。

进一步，所述传感器组件包括：

振动传感器，用于监测动力系统振动数据，采用钻孔或粘贴方式安装于振动监测点；

温度传感器，用于监测动力系统温度数据；

压力传感器，用于监测动力系统各液压泵压力数据；

油污传感器，用于监测动力系统油品污染数据；

电压传感器，用于监测电动机电压数据；

电流传感器，用于监测电动机电流数据。

进一步，所述动力系统由电动机、联轴器、分动箱及液压泵依次传动连接组成。

进一步，电动机驱动端盖、非驱动端盖及机侧中部各设置一个振动监测点，分动箱侧部与底座各设置一个振动监测点；液压泵为多个，各液压泵上方均设置一个振动监测点。

进一步，电动机内部定子三相绕组及前后轴处各集成一个温度传感器，由电动机侧部接线箱引出传感器数据端口；分动箱及各液压泵均设置一个温度传感器。

进一步，各液压泵上均设置一个压力传感器；分动箱及各液压泵均设置一个油污传感器；分动箱上设置一个油位传感器。

进一步，电压传感器、电流传感器均安装于电动机供电箱内。

进一步，所述人机界面包括指示灯、监控器和键盘，实现动力系统数据显示查询、报警提示、参数设置的人机交互功能。

进一步，所述主控制器与数据采集装置、GPS装置、数据记录仪、人机界面监控器均采用CAN总线连接。

一种基于上述的液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统的监测与诊断方法，方法为：首先根据挖掘机动力系统作业工况，通过人机界面设置动力系统监控参数；在动力系统运行过程中，主控制器通过数据采集装置采集振动、温度、压力、油污、油位、电压及电流传感器组件数据，根据监控参数设定值进行状态监测，并结合数据记录仪的本地监控数据库与远程监控中心的远程监控数据库进行综合监测诊断，从而判断出动力系统故障的原因、部位、程度以及维护保养建议，可通过人机界面、手机、邮件多种方式向用户发出报警提示；同时，通过主控制器将重要数据发送给数据记录仪与远程监控中心存储，以便不断完善本地与远程监数据库功能。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1、本发明运用多种传感器技术，利用多种信息来源，结合CAN总线与远程通讯控制技术，通过综合监控数据库分析，给出综合分析结果而非量化单一片面的数据及报警，能够及时准确监测出设备问题的原因、部位、程度以及维护保养建议，提高了用户使用与维护效率。

2、本发明利用数据记录仪与远程监控中心分别建立本地与远程综合监控数据库，实现本地与远程监测功能的数据通讯、存储、互补与共享，进一步提升了系统监测的准确性与可靠性。

附图说明

图1是本发明的电气连接关系示意图；

图2是本发明的监测诊断流程图；

图3是本发明的多个传感器分布图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，包括动力系统、传感器组件、数据采集单元、主控制器、数据记录仪、人机界面、GPS装置以及远程监控中心；传感器组件安装于动力系统的对应监测位置，并与数据采集装置连接，将采集到的各传感器数据发送至主控制器；数据记录仪与主控制器连接，用于存储历史监测数据与常见失效模型数据，从而建立本地综合监控数据库，以供本地故障及维护分析；人机界面与主控制器连接，实现人机交互功能；远程监控中心通过GPS装置无线通讯，GPS装置又与主控制器相连，用于存储历史监测数据与专业失效模型数据，从而建立远程监控数据库，以供远程故障诊断及维护分析。

传感器组件包括振动传感器1、温度传感器2、压力传感器3、油污传感器4、油位传感器5、电压传感器6和电流传感器7。

其中，振动传感器1：均采用电压式加速度传感器，其内部利用压电效应制成的机电换能器，输出端产生与所承受的加速度成正比例的电荷或电压值。三个振动传感器分别采用粘贴方式安装于电动机驱动端盖、非驱动端盖及机侧中部振动监测点，用于监测电机处的振动状况；两个振动传感器分别采用钻孔方式安装于分动箱侧部与底部振动监测点，用于监测分动箱处的振动状况；四个振动传感器分别采用钻孔式方式安装于各液压泵上方，用于监测液压泵处的振动状况。

其中，温度传感器2：均基于PT1000热电阻进行温度测量，信号由内部处理电路处理后转换为4-20mA电流信号，可测量-50-150℃范围。五个温度传感器分别集成于电动机内部定子三相绕组、前轴及后轴处，由电机侧部接线箱引出传感器数据端口，用于监测电机各部件温度。五个温度传感器分别安装于分动箱及四个液压泵油口处，用于测量油体温度。

其中，压力传感器3：均为电压型压力传感器，压力信号由内部处理电路处理后转换为0.5-4.5V，可检测0-500bar范围。四个压力传感器用于分别安装于四个液压泵油口处，用于测量液压泵压力。

其中，油污传感器4：均为开关式油污传感器，用于监测动力系统油品内金属杂质污染数据，一旦污染值超标，将油污信号转化成开关信号输出。一个油污传感器安装于分动箱底部润滑油口处，用于测量齿轮润滑油污染数据；四个污染传感器分别安装于四个液压泵油口处，用于测量液压油污染数据。

油位传感器5：为超声波开关式传感器，利用内部压电晶体振动声波在空气和液体中的变化，将超声波信号转化成开关信号输出。分动箱齿轮油口处设置一个油位传感器，用于监测分动箱齿轮油位数据。

电压传感器6：采集信号取自电压互感器，将被测三相交流电压隔离转换为按线性比例输出的4-20mA电流信号，用于监测电动机6kV交流供电电压数据，其安装于电动机供电箱内。

电流传感器7：采集信号取自电流互感器，将被测主回路中的交流电流转换为按线性比例输出的4-20mA电流信号，用于监测电动机0-200A工作电流数据，其安装于电动机供电箱内。

数据采集装置为螺栓固定方式的集成盒体，安装于电机侧部，并与各振动、温度、压力、油位、油污及电压传感器信号线连接，将采集到的各传感器模拟量数据转换为数字信号通过CAN总线发送至主控制器。

主控制器包含高性能32位三核微处理器以及丰富的输入和输出端口，拥有四个独立CAN总线接口用于通讯，适用于复杂的行走作业机械。主控制器与数据记录仪、人机界面、GPS装置均安装于驾驶室内，并基于CAN总线连接通讯。

人机界面包括指示灯、监控器和键盘，通过主控制器实现对动力系统数据参数设置、显示查询、提示预警等人机交互功能。

数据记录仪预先存储常见失效模型数据库，能够实时存储主控制器发送的重要监测数据，支持eMMC大容量存储卡的数据记录功能，用于建立完善本地监测数据库，以供主控制器利用软件算法进行数据诊断分析。同时，数据记录仪具备数据导出功能，可生产*.csv、*.asc等文件报表，并能通过人机界面实现参数查询、显示、提示及报警功能。

远程监控中心通过GPS装置与本地动力系统无线通讯连接，用于存储历史监测数据，并融合电动机、液压泵、分动箱等重要器件的厂商专业数据积累和失效模型，相比本地数据记录仪数据量大，分析能力强，诊断精度高，可对接收到的动力系统数据进行二次深入诊断分析，给出用户具体问题诊断，预计失效可能发生的时间并提供维护保养的建议，并为用户提供系统关键数据，分析结果和报告展示查询的网页端口。

一种液压挖掘机动力系统监测与诊断方法，该方法以6kV/1250kW鼠笼式三相异步电动机构成的动力系统为例，监控系统均采用24V直流电源。在动力系统运行前，首先通过人机界面为主控制器设置相关监测选项及参数，具体包括振动、温度、压力、油污、油位、电压、电流等保护预警值，并在数据记录仪中预先建立初始本地监测数据库，其包含动力系统常见失效模式及数据，以供主控制器利用软件算法分析诊断使用；在远程监控中心预先建立初始远程监控数据库，其包含来自系统各器件厂商更为丰富的失效模型及专业数据库，以供远程二次深入分析诊断使用。

在动力系统运行时，首先由数据采集装置采集各传感器组件信息，包括振动、温度、压力、油污、油位、电压、电流等数据参数，并通过CAN总线发送至主控制器，主控制器根据参数设置及数据记录仪的初始综合监控数据库，应用软件模糊算法实现多参数综合分析及故障诊断，并将重要参数发送至数据记录仪存储，同时将重要参数通过GPS装置发送至远程控制中心存储，以便不断优化本地及远程监控数据库的综合诊断分析功能。特别，在GPS装置与远程监控中心通讯中断期间，可仅基于主控制器与数据记录仪实施本地监控诊断功能，当通讯恢复正常后，则由GPS装置继续向远程控制中心补发历史数据。人机界面可以实时监控、查询或图形化显示关键数据，一旦出现系统参数异常，控制器则通过人机界面发出本地预警，并向用户提供设备问题的原因、部位、程度及维护保养等信息。远程控制中心也可利用远程监控数据库对接收到的系统参数进行二次深入诊断，必要时通过GPS装置、手机、邮件等手段向用户发出远程提示或预警，给出具体问题诊断，预计失效可能发生的时间并提供维护保养的建议，并为用户提供系统关键数据，分析结果和报告展示查询的网页端口。

虽然已参照典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：包括动力系统、传感器组件、数据采集单元、主控制器、数据记录仪、人机界面、GPS装置以及远程监控中心；

所述传感器组件安装于动力系统的对应监测位置，并与数据采集装置连接，将采集到的各传感器数据发送至主控制器；

所述数据记录仪与主控制器连接，用于存储历史监测数据与常见失效模型数据，从而建立本地综合监控数据库，以供本地故障及维护分析；

所述人机界面与主控制器连接，实现人机交互功能；

所述远程监控中心通过GPS装置无线通讯，所述GPS装置又与主控制器相连，用于存储历史监测数据与专业失效模型数据，从而建立远程监控数据库，以供远程故障诊断及维护分析。

2.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：所述传感器组件包括：

振动传感器，用于监测动力系统振动数据，采用钻孔或粘贴方式安装于振动监测点；

温度传感器，用于监测动力系统温度数据；

压力传感器，用于监测动力系统各液压泵压力数据；

油污传感器，用于监测动力系统油品污染数据；

电压传感器，用于监测电动机电压数据；

电流传感器，用于监测电动机电流数据。

3.根据权利要求2所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：所述动力系统由电动机、联轴器、分动箱及液压泵依次传动连接组成。

4.根据权利要求3所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：电动机驱动端盖、非驱动端盖及机侧中部各设置一个振动监测点，分动箱侧部与底座各设置一个振动监测点；液压泵为多个，各液压泵上方均设置一个振动监测点。

5.根据权利要求3所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：电动机内部定子三相绕组及前后轴处各集成一个温度传感器，由电动机侧部接线箱引出传感器数据端口；分动箱及各液压泵均设置一个温度传感器。

6.根据权利要求3所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：各液压泵上均设置一个压力传感器；分动箱及各液压泵均设置一个油污传感器；分动箱上设置一个油位传感器。

7.根据权利要求3所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：电压传感器、电流传感器均安装于电动机供电箱内。

8.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：所述人机界面包括指示灯、监控器和键盘，实现动力系统数据显示查询、报警提示、参数设置的人机交互功能。

9.根据权利要求1所述的一种液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统，其特征在于：所述主控制器与数据采集装置、GPS装置、数据记录仪、人机界面监控器均采用CAN总线连接。

10.一种基于权利要求1至9任一项所述的液压挖掘机动力系统故障监测与诊断系统的监测与诊断方法，其特征在于：首先根据挖掘机动力系统作业工况，通过人机界面设置动力系统监控参数；在动力系统运行过程中，主控制器通过数据采集装置采集振动、温度、压力、油污、油位、电压及电流传感器组件数据，根据监控参数设定值进行状态监测，并结合数据记录仪的本地监控数据库与远程监控中心的远程监控数据库进行综合监测诊断，从而判断出动力系统故障的原因、部位、程度以及维护保养建议，可通过人机界面、手机、邮件多种方式向用户发出报警提示；同时，通过主控制器将重要数据发送给数据记录仪与远程监控中心存储，以便不断完善本地与远程监数据库功能。