CN115163251B - 一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，属于工程机械技术领域。包括油污过程动态检测装置控制模块、MC主控制器模块、发动机ECM控制模块、数据记录模块、GPRS传输模块和信息显示及报警控制模块；油污过程动态检测装置控制模块包括网格化布局监测点和运行数据逻辑运算部分组成，油污过程动态检测装置控制模块持续接收由各个监测点发送的技术参数，数据并分析、运算和存储，全过程全寿命大数据监控并实时状态分析、趋势预判断、主动发布指令，检测当前润滑油的状态，基于当前状态分析得到最佳的保养周期。发明全时检测当前润滑油的状态，并基于当前状态分析得到最佳的保养周期，可以降低矿山机械的维保成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，属于工程机械技术领域。
背景技术
工程机械动力及传动系统部分内部由润滑油润滑，随着工作时间的累积，滑动部分受到材料的磨损和疲劳会出现不同程度的磨损，严重情况出现断裂，而针对大型矿用设备，工矿非常恶劣，工作地点大多位于偏远的山区，当出现磨损严重或者断裂破坏时，更换零部件非常困难且会造成较大的经济损失，因此如何延长传动及动力部件的使用周期成为目前研究课题，本技术方案通过近几年矿山设备的应用工况及使用特点相结合发现规范化、定时保养设备，可以提高设备的使用寿命，目前传统的设备维护保养只要是基于更换时间、线下测量诊断、间断性为特点的的技术方法，与实际的设备运行存在较大的偏离，这种偏离一方面会导致设备的损坏或者能源材料的浪费等，另一方面会给设备制造商和代理商、客户造成巨大的经济损失。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，全过程全寿命大数据监控并实时状态分析当前润滑油的状态，并基于当前状态分析得到工程机械动力及传动系统的最佳保养周期。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：包括油污过程动态检测装置控制模块、MC主控制器模块、发动机ECM控制模块、数据记录模块、GPRS传输模块和信息显示及报警控制模块；
油污过程动态检测装置控制模块与MC主控制器模块、发动机ECM控制模块、数据记录模块、GPRS传输模块、信息显示及报警控制模块采用并联设置；
油污过程动态检测装置控制模块包括网格化布局监测点和运行数据逻辑运算部分组成，油污过程动态检测装置控制模块持续接收由各个监测点发送的技术参数，数据并分析、运算和存储，全过程全寿命大数据监控并实时状态分析、趋势预判断、主动发布指令，检测当前润滑油的状态，基于当前状态分析得到最佳的保养周期。
所述的油污过程动态检测装置控制模块的网格化布局监测点包括发动机机油主油路监测点、发动机机油过滤器前置监测点、左行走减速机齿轮油监测点、右行走减速机齿轮油监测点、回转减速机1齿轮油监测点、回转减速机2齿轮油监测点和分动箱齿轮油监测点。
所述的油污过程动态检测装置控制模块连接有车载污染电子感应器，车载污染电子感应器安装在网格化布局监测点的润滑油路通道监测点部位，车载污染电子感应器具有两部分组成，上端部位为电子感应器的安装模块，内部结构包括数据处理及传输单元、供电单元和复位按钮、外壁为螺纹安装；下端部位为光电发生及接收模块，内环中心为光电生成及发送单元，外环为光接收区域，中环为污染液体区域。
所述的车载污染电子感应器的光电发生及接收模块浸泡在所检测的润滑油液中，其内环中心为光电生成及发送单元，光电生成及发送单元呈360°全方位发射可见光，可见光束通过中环的被一定污染的填充油液削弱后，照射到外环的光接收区域，光接收区域同样呈360°全方位接收可见光。
所述的车载污染电子感应器中内环中心可见光束发射总量与外环的光电接收可见光总量的函数关系用于指示润滑油被污染的程度，根据油液污染程度分为三级：
第一级：轻度污染，此种状态表示更换机油成本＞零部件可能磨损后需要的维修成本，即非经济区间；
第二级：中度污染，此种状态表示更换机油成本与零部件可能磨损后需要的维修成本基本相当，即经济区间；
第三级：重度污染，此种状态表示更换机油成本小于零部件可能磨损后需要的维修成本基本相当，即非经济区间。
所述的油污过程动态检测装置控制模块与MC主控制器模块、发动机ECM控制模块、数据记录模块、GPRS传输模块、信息显示及报警控制模块基于CAN线传输方式；油污过程动态检测装置控制模块与各个检测装置中安装的车载污染电子感应器是基于无线信号传输方式，车载污染电子感应器中数据处理及发送部分内置无线信号发射器，同时油污过程动态检测装置控制模块中内置无线信号接收器。
所述的车载污染电子感应器安装在各润滑油通道的检测点部位为必须具有主干道、大通径、大流量的特点，车载污染电子感应器的光电生成及发送单元全部浸泡到油液中，同时光接收区域完全浸泡到油液中。
所述的车载污染电子感应器呈周期性、全过程采集、处理所监测点的油液污染参数及数据，并按照数据要求周期性的无线传输到油污过程动态检测装置控制模块。
所述的车载污染电子感应器中设置复位按钮用于各组件润滑油保养更换时初始化操作，复位按钮内部设置计数器和报警器，当更换润滑油时，随着传动部件润滑油的排出，电子感应器开始报警，操作员按下复位按钮，报警消除，计数器记录传动部件保养次数。
所述的油污过程动态检测装置控制模块呈周期性接收系统中各组件车载污染电子感应器发送的数据参数进行运算、整理并结合发动机的运行工况参数生成运行报表，报表包括设备状态监测分析报告和设备运行趋势分析报告，报表按周期性通过GPRS传输模块发送到客户设备运行分析主管部门和制造商设备运行分析主管部门，并接收主管部门的指令。
所述的油污过程动态检测装置控制模块的运行数据逻辑运算部分基于设备运行状态生成报表，并且以此为依据提出维修保养时间周期。
所述的油污过程动态检测装置控制模块设置有特殊状态下紧急处理异常事件的功能指令，当在当前时间内，周期性监测润滑油中污染物的浓度明显高于模块中初设定值时，油污过程动态检测装置控制模块根据异常监测点的位置发布指令，并同时报告分析主管部门，根据设定磨损程度，基于周期性污染浓度测量值偏离控制模块初设定曲线的程度，功能指令发布具有三阶段，即可能异常磨损、轻度磨损、中度磨损。
本发明的有益效果是：本发明可以全时检测当前润滑油的状态，并基于当前状态分析得到最佳的保养周期，一方面可以降低矿山机械的维保成本，另一方面可以快速处理异常磨损等故障，极大降低严重故障的发生概率，降低设备制造商和客户的经济损失。可以有效降低整机动力及传动系统部件损坏，早发现异常，控制并降低大故障风险等级，能够实现远程数据传输，实现偏远地区车辆状态的全面监控，对于大型矿用机械设备，通过有效的设备维护成本，极大地延长了设备的使用寿命，具有极大的节能降本经济效益和绿色施工环保意义。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明元器件通讯网络示意图；
图2为本发明动力及传动网格化监测点布局；
图3为本发明油污过程动态检测装置控制模块的功能特点图；
图4为本发明车载污染电子感应器的剖视示意图；
图5为本发明车载污染电子感应器的结构原理框图；
图6为本发明油污过程动态流程图；
图7为本发明污染浓度与有效光接收比例关系曲线示意图；
图8为本发明保养周期与油耗的拟合曲线示意图；
图9为本发明维保周期与污染浓度曲线示意图。
实施方式
下面结合附图1到图9对本发明作进一步描述。
未开发油污过程动态监控模块的传统方案存在问题：
举例说明：某大型矿用挖掘机工矿为土石方装车工程，其动力及传动系统维护保养具体包括发动机系统机油、左、右行走减速机齿轮油、回转减速机1、2齿轮油、分动箱齿轮油6个独立的组成部分。
其中以单以发动机机油为例说明，其他组件保养计算原理相通，不在此详细阐述：此机型发动机的油底壳的容量VFD，机油保养的牌号为Shell(CI-4,15W-40),采购单价为CJY，常规下发动机的大修周期TDX；机油的保养周期TJY；大修周期内机油更换成总本为CO；
已知：VFD=266L， CJY=15.64，TDX=18000小时，TJY=250小时；
结果：
1、机油的更换成本为：CO= (TDX/TJY)×VFD×CJY=2.9×105；
2、发动机及传动系统部分内部齿轮及摩擦副运转过程中磨损及损伤程度不可预知，只有当组件发生严重故障时，才能被发现，造成长时间停机更换备件和严重的经济损失（包括客户/代理商更换备件的直接经济损失和设备停工的间接经济损失）。
本发明解决问题：
与上述例子相同：某大型矿用挖掘机工矿为土石方装车工程，其动力及传动系统维护保养具体包括发动机系统机油、左行走减速机齿轮油、右行走减速机齿轮油、回转减速机1齿轮油、回转减速机2齿轮油、分动箱齿轮油6个独立的组成部分。
其中以单以发动机机油为例说明，其他组件保养计算原理相通，不在此详细阐述：此机型发动机的油底壳的容量VFD，机油保养的牌号为Shell(CI-4,15W-40),采购单价为CJY，发动机的额定功率为PED；工矿为土石方装车工程，平均负荷率为KFHV，发动机的总燃油消耗量定义为Gal，功率曲线的燃油消耗率为be；发动机的期望大修周期TDX；机油的保养周期TJY；发动机小时油耗BYH；机油的保养周期与发动机小时油耗的关系；
已知：VFD=266L，CJY=15.64，PED=2000HP；KFHV=0.54；Gal=1100000Kg；be=0.342lb/hp.hr；
结果：
1、发动机开发的期望大修周期为：
TDX=Gal/｛(be×PED×KFHV)/6.998｝=20840小时。
机油的更换成本为：
CO= (TDX/TJY)×VFD×CJY=1.6×105；
折算成大修周期为18000小时，CO=1.4×105＜2.9×105；
2、油污过程动态监控模块工作过程：
第一：网格化布局各个监测点的车载污染电子感应器按照周期性T0采集参数信号，根据有效光的接受比例在污染浓度检测装置控制模块中设置三种级别的油液污染浓度，第一级：轻度污染，污染物浓度n＜N1时，即非经济区间；第二级：中度污染，污染物浓度N1＜n＜N2时，即经济区间；第三级：重度污染，此污染物的浓度＞N2，即非经济区间。动力及传动部件运行工作，齿轮啮合转动，活塞与活塞环之间的滑动磨损，接触部位的磨损成分被润滑油带走，随着时间的累积，越来越多的磨损成分融入到机油中；车载污染电子感应器安装在机油主油路的通道中，该元件中心部分为光源生成及发射区域，俯视角度查看，该区域呈现360°发射光束，元器件中心环形体为凹槽的填充部分，如图4和图5所示，根据元器件的侧面剖视图所示，污染液体区域与光电生成及发送单元的高度保持相等，可以使全部的光源都能够穿过液体，元器件的外圆环为光接收区域，该区域呈现360°接收穿过填充区域的光束，同样接收光接收区域高度与污染液体区域也相等，使穿过污染液体的光束都能够被最大有效的接收。当定义单位计算发射光束量为φ0，单位接收光束量为φ1，比值为K；
第二：油污过程动态检测装置控制模块实时接收污染电子感应器传输的数据信号，此信号的发送是由感应器头部的无线数据发送单元发送的，并由油污过程动态检测装置控制模块的无线接收单元接收，采用无线数据传输消除导线布局的影响，减少导线连接故障弊端，该检测装置控制模块按照周期性T2，T1=T2，处理运算机油被污染的浓度，且该浓度值是由周期性更换新机油后按照时间节点采集的，控制模块将采集节点按照时间轴拟合成污染浓度变化曲线。根据发动机的工作特性，油液污染程度是由发动机运行工况决定的，当采用机油的等级一定时，运行参数（燃油消耗率，小时油耗，扭矩百分比）可直接反应维保周期的长短，随着工作时间的延长，测量值由非经济区间到经济区间再到非经济区间，通常选择位于经济区间且靠近非经济区间的位置，如图示中 “0”点，作为更换机油的判定点，检测装置控制模块发出更换机油指令，并通过J1939 CAN总线发送到仪表显示器等模块，提醒驾驶员和司机，需要更换机油，并且通过污染电子感应器的复位按钮， 复位按钮有两方面的功能，一方面当通道中的机油完全排干净时，会有警示，需要手动复位才能消除警示，另一方面累积计数达到指示机油更换总次数的要求。
第三：在每次维护保养的同时，控制模块会自动生成过程状态检测分析和设备运行趋势等报表，该报表包含这一周期过程中，油污检测的时间和浓度的数据，并且与过去周期的参数进行对比，参数对比内容包括，时间长短，浓度变化，成分分析，运行工况等，报表完成后会通过内部数据传送到MC主控制器模块存储，同时由GPRS传输模块发送到客户设备运行主管分析部门和制造商设备运行分析主管部门，主管部门通过报表了解设备的运行状态。
第四：特殊状态下，当控制模块周期内检测的污染浓度变化异常时，即在较短的时间周期内，污染物异常偏高，即有效光的接收比例明显降低，说明发动机内部旋转部件或者齿轮存在异常磨损，控制模块会发布异常状态报警，提示操作员或者司机需要停机检修，同时会生成迅速报表由GPRS传输模块发送到客户设备运行主管分析部门和制造商设备运行分析主管部门，等待主管部门指令集处理措施。
周期内污染浓度异常的判断方式：基于周期内多个时间节点污染物浓度的曲线斜率。
第一：在周期内划分多个时间节点：t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9…；
时间节点对应的浓度值：c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9…；
在二维平面中拟合曲线：1(t1、c1)、2(t2、c2)、3(t3、c3)、4(t4、c4)、5(t5、c5)、6(t6、c6)、7(t7、c7)、8(t8、c8)、9(t9、c9)…。
K12=(c2-c1)/(t2-t1)、K23=(c3-c2)/(t3-t2)、K34=(c4-c3)/(t4-t3)、K45=(c5-c4)/(t5-t4)、K56=(c6-c5)/(t6-t5)…。
在维保周期内，选择相同的时间段34，设定值为KSD34=(c4SD-c3SD)/(t4SD-t3SD)
检测值为为KJC34=(c4JC-c3JC)/(t4JC-t3JC)；
当：(KJC34-KSD34)/KSD34＞15%；可判定出现异常磨损。
如图9所示。
由此可见，开发油污过程动态检测装置控制模可以全时检测当前润滑油的状态，基于当前状态分析得到最佳的保养周期，一方面可以降低矿山机械的维保成本，另一方面可以快速处理异常磨损等故障，极大降低严重故障的发生概率，降低设备制造商、客户的经济损失。
Claims (7)
1.一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：包括油污过程动态检测装置控制模块、MC主控制器模块、发动机ECM控制模块、数据记录模块、GPRS传输模块和信息显示及报警控制模块；
油污过程动态检测装置控制模块与MC主控制器模块、发动机ECM控制模块、数据记录模块、GPRS传输模块、信息显示及报警控制模块采用并联设置；
油污过程动态检测装置控制模块包括网格化布局监测点和运行数据逻辑运算部分组成，油污过程动态检测装置控制模块持续接收由各个监测点发送的技术参数，数据并分析、运算和存储，全过程全寿命大数据监控并实时状态分析、趋势预判断、主动发布指令，检测当前润滑油的状态，基于当前状态分析得到最佳的保养周期；
所述的油污过程动态检测装置控制模块的网格化布局监测点包括发动机机油主油路监测点、发动机机油过滤器前置监测点、左行走减速机齿轮油监测点、右行走减速机齿轮油监测点、回转减速机1齿轮油监测点、回转减速机2齿轮油监测点和分动箱齿轮油监测点；
所述的油污过程动态检测装置控制模块连接有车载污染电子感应器，车载污染电子感应器具有两部分组成，上端部位为电子感应器的安装模块，内部结构包括数据处理及传输单元、供电单元和复位按钮、外壁为螺纹安装；下端部位为光电发生及接收模块，内环中心为光电生成及发送单元，外环为光接收区域，中环为污染液体区域；
所述的油污过程动态检测装置控制模块与MC主控制器模块、发动机ECM控制模块、数据记录模块、GPRS传输模块、信息显示及报警控制模块基于CAN线传输方式；油污过程动态检测装置控制模块与车载污染电子感应器是基于无线信号传输方式，车载污染电子感应器中数据处理及发送部分内置无线信号发射器，同时油污过程动态检测装置控制模块中内置无线信号接收器；
车载污染电子感应器的光电生成及发送单元全部浸泡到油液中，同时光接收区域完全浸泡到油液中；
所述的车载污染电子感应器呈周期性、全过程采集、处理所监测点的油液污染参数及数据，并按照数据要求周期性的无线传输到油污过程动态检测装置控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：所述的车载污染电子感应器的内环中心为光电生成及发送单元，光电生成及发送单元呈360°全方位发射可见光，可见光束通过中环的被一定污染的填充油液削弱后，照射到外环的光接收区域，光接收区域同样呈360°全方位接收可见光。
3.根据权利要求1所述的一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：所述的车载污染电子感应器中内环中心可见光束发射总量与外环的光电接收可见光总量的函数关系用于指示润滑油被污染的程度，根据油液污染程度分为三级：
第一级：轻度污染，此种状态表示更换机油成本＞零部件可能磨损后需要的维修成本，即非经济区间；
第二级：中度污染，此种状态表示更换机油成本与零部件可能磨损后需要的维修成本基本相当，即经济区间；
第三级：重度污染，此种状态表示更换机油成本小于零部件可能磨损后需要的维修成本基本相当，即非经济区间。
4.根据权利要求1所述的一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：所述的车载污染电子感应器中设置复位按钮用于各组件润滑油保养更换时初始化操作，复位按钮内部设置计数器和报警器，当更换润滑油时，随着传动部件润滑油的排出，电子感应器开始报警，操作员按下复位按钮，报警消除，计数器记录传动部件保养次数。
5.根据权利要求1所述的一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：所述的油污过程动态检测装置控制模块呈周期性接收系统中各组件车载污染电子感应器发送的数据参数进行运算、整理并结合发动机的运行工况参数生成运行报表，报表包括设备状态监测分析报告和设备运行趋势分析报告，报表按周期性通过GPRS传输模块发送到客户设备运行分析主管部门和制造商设备运行分析主管部门，并接收主管部门的指令。
6.根据权利要求5所述的一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：所述的油污过程动态检测装置控制模块的运行数据逻辑运算部分基于设备运行状态生成报表，并且以此为依据提出维修保养时间周期。
7.根据权利要求1所述的一种工程机械动力及传动系统运行及状态检测控制系统，其特征在于：所述的油污过程动态检测装置控制模块设置有特殊状态下紧急处理异常事件的功能指令，当在当前时间内，周期性监测润滑油中污染物的浓度明显高于模块中初设定值时，油污过程动态检测装置控制模块根据异常监测点的位置发布指令，并同时报告分析主管部门，根据设定磨损程度，基于周期性污染浓度测量值偏离控制模块初设定曲线的程度，功能指令发布具有三阶段，即可能异常磨损、轻度磨损、中度磨损。
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