CN1736829A - 装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，它是建立在以ARM7微处理硬件系统和μC/0S－II操作系统的嵌入式平台上，开发工具为C语言；它包括工作液压系统和故障诊断软件系统；工作液压系统由先导油路和主油路两部分组成，包括液压油箱、转向泵、先导泵、工作泵、多路阀、先导阀、压力选择控制阀、动臂油缸、转斗油缸、油管等部件；故障诊断软件系统采用模块化设计，主要模块包括：通讯模块、实时监测模块、中心调度模块、监测数据数据库、故障诊断模块、故障存储数据库、人机交互模块。本发明可以对装载机工作液压系统的工作状态进行实时状态监测、故障报警和针对报警的故障进行故障诊断并显示其故障原因。

Description

装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置

技术领域：本发明属于工程机械技术领域，涉及一种装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置。

背景技术：装载机工作液压系统是实现各种工作运动和进行工作控制的基础。由于装载机作业环境恶劣，系统载荷大，工作液压系统是经常出现故障的部位，对装载机工作液压系统的故障进行实时监测、分析与解决，既是用户的要求，也是液压元件配套厂和主机厂自身发展的需要。

目前，装载机工作液压系统故障诊断大多还是应用简易诊断的方法。例如采用看(压力、泄漏、速度、振动等)、听(噪音、冲击声、气蚀声等)、摸(温升、振动、爬行等)、闻(油液是否变质等)等方法。在这个工作过程中，维修人员的专业知识与实际经验起了决定性的作用，由于维护管理人员判断能力和经验上的差异，往往会影响判断的准确性，而且也没有定量的概念。随着技术进步和大生产的发展，国内外工程界、企业界对现代设备的工况监测、故障诊断越来越重视，从而使之得到不断发展。面向工程任务，对施工机群实施工况监测与故障诊断，判断故障类型、原因、部位、严重程度是工况监测、故障诊断领域前沿性课题。

发明内容：本发明的目的是提供一种对装载机工作液压系统的工作状态进行实时状态监测、故障报警和针对报警的故障进行故障诊断并显示其故障原因的嵌入式故障诊断装置。

为实现上述目的，本发明采取了下述技术方案：它建立在以ARM7微处理硬件系统和μC/OS-II操作系统的嵌入式平台上，开发工具为C语言；包括工作液压系统和故障诊断系统；所说工作液压系统由先导油路和主油路两部分组成，包括液压油箱、转向泵、先导泵、工作泵、多路阀、先导阀、压力选择控制阀、动臂油缸、转斗油缸、油管等部件；所说故障诊断系统基于故障树的诊断模型，采用模块化设计，主要模块包括：通讯模块、实时监测模块、中心调度模块、监测数据数据库、故障诊断模块、故障存储数据库、人机交互模块。

所说先导油路位于工作液压系统的右侧，主要由先导泵、先导阀、压力选择控制阀等组成；先导泵流出的先导油到压力选择控制阀，再到先导阀，以控制多路阀主油路。

所说主油路位于工作液压系统的左侧，主要由工作泵、多路阀、安全溢流阀、补油阀等组成；在先导控制油的作用下，多路阀阀芯处于不同的位置，从而改变工作油液的流动方向，实现转斗油缸和动臂油缸的不同的运动方向，或者使铲斗与动臂保持在某一位置以满足装载机各种作业动作的要求。

所说通讯模块的的任务是：1)完成通讯的底层协议；2)信号采集系统的故障诊断；3)接收传感器信号并转化成所需数据格式并传送数据。

所说实时监测模块是将装载机工况参数的监测数据直接与正常工作状态的标准阀值进行比较，根据差别程度进行报警；该模块处理故障实时性强，是对工况参数的初步诊断。

所说中心调度模块是负责模块的调度和各模块间的数据及信号通讯。

所说监测数据数据库是存放各信号采集单元采集的工况参数。

所说故障诊断模块是在实时监测模块的处理基础上对装载机工况参数进行更深层次的故障诊断。

所说故障存储数据库是记录故障报警记录，为使用者维护及厂商技术改进提供相应资料。

所说人机交互模块是显示信息，故障诊断程序与用户交互的部分。

本发明通过安装在装载机工作液压系统各部位的传感器采集工作液压系统的运行状况，并通过集成在装载机上的嵌入式系统对信号进行处理和控制，随时监测装载机运行时重要参数的量值和主要部件的工作状态，通过显示界面以不同的形式显示出来。当参数超出正常范围或状况异常时，通过声光报警手段提醒驾驶员及时进行处理，以防伤害驾驶员或者引起机器某个系统严重损坏。同时系统还提供工作装置故障显示，帮助维护人员快速地判断故障和原因，为“定期维修”、“故障维修”过渡到“状态维修”提供可靠的依据。

本发明改变了传统的参数仪表显示和人为故障判断，具有以下特点：

1)提供了工作液压系统的工作状态显示，使驾驶员能够实时掌握装载机工作液压系统的工作状态。

2)能自动和快速的发出报警，使驾驶员不用时刻注视仪表的变动，减轻了驾驶员的工作强度。

3)按不同参数对装载机工作液压系统的影响程度分多级报警，具有自诊断和故障显示功能，减少故障停机和整机维护时间，提高整机运行效率。

4)及时发现和控制装载机工作液压系统可能出现的故障，防止事故的发生，保证了装载机运行的可靠性和安全性。

建立嵌入式工作液压系统故障诊断装置，是为了保证装载机的正常高效的运行，而对其进行有效的工况监测与故障诊断。整个装置通过安装在装载机各部位的传感器，实时监视装载机运行时重要参数的量值和主要部件的工作状态，通过显示界面以不同的形式显示出来。当参数超出正常范围或工况异常时，通过三级声光报警通知驾驶员及时处理，以防止驾驶员受伤或装载机某系统受到严重损坏。本发明还提供故障代码显示，帮助维修人员快速判断故障点及其原因。也可实现工程机械用户与生产厂家的信息与技术交流。确定各项诊断指标和最佳预防维修间期，及时发现和预防设备故障，改善工程机械运行状况，提高工程机械工作可靠性及使用寿命；减少工程机械用户与生产厂家的设备维修费用，提高工程机械使用经济效益。生产厂家也获得了宝贵的实际工况参数，为技术改进提供了实践数据储备。

附图说明：图1是本发明工作液压系统原理图；

图2是故障诊断系统故障树的诊断模型图；

图3是故障树的故障传播有向图；

图4工作液压系统故障树诊断模型图；

图5是齿轮泵故障树诊断模型图；

图6是液压缸故障树诊断模型图；

图7是安全阀(溢流阀)故障树诊断模型图；

图8是多路阀故障树诊断模型图；

图9是压力选择控制阀故障树诊断模型图；

图10是先导阀故障树诊断模型图；

图11是软件系统结构框图；

图12是软件系统功能框图

图中1、工作泵 2、转斗油缸 3、动臂油缸 4、多路阀 5、先导阀 6、转向泵 7、先导泵 8、压力选择控制阀 9、滤油器 10、液压油箱

具体实施方式：根据附图，本发明工作液压系统主要由液压油箱10、转向泵6、先导泵7、工作泵1、多路阀4、先导阀5、压力选择控制阀8、动臂油缸3、转斗油缸2、油管等部件组成，如图1所示：右侧部分是先导油路，主要由先导泵7、先导阀5、压力选择控制阀8等组成；先导泵7流出的先导油经先导油路到压力选择控制阀，再到先导阀5，以控制多路阀主油路；左侧部分是主油路，主要由工作泵1、多路阀4、安全溢流阀、补油阀等组成；在先导控制油的作用下，多路阀阀芯处于不同的位置，从而改变工作油液的流动方向，实现转斗油缸2和动臂油缸3的不同的运动方向，或者使铲斗与动臂保持在某一位置以满足装载机各种作业动作的要求。

本发明的故障诊断系统工作原理，如图2至图3所示，故障诊断系统采用基于故障树的诊断模型，图2为一个多叉故障树，图3为故障树的故障传播有向图；图3中的箭头表示故障传播的方向，每条路径(边)上的w值是故障传播的权值。故障树的故障传播有向图为结点间具有与、或逻辑关系带权有向树。基于故障树诊断的故障源处在树的最底层，故障传播方向为自下而上即从底事件→中间事件→顶事件。

由于液压系统的故障诊断是一种模糊知识，不具有精确定义和严肃分析，因此该系统用产生式规则来表达知识，规则的一般表达式为：

R# IF A THEN B with CF(B，A)

其中，R#为规则号，IF部分是故障的各种表现(事实)，THEN部分是产生这些表现的原因。CF(CertainlyFaclor)为规则的置信度值(即权值)，表示A对结论B的支持程度，取值范围在[-1，1]之间。在这个知识库中，所有的规则形成一个层层递进的推理网络，网络是多层的，形成“树”结构。

推理系统推理的实质是一种搜索。它是计算机的控制模块。根据输入的设备状态，利用知识库储存的专家知识按一定的推理策略去解决、诊断问题。通常，液压系统可采用的推理策略有正向推理(又称数据驱动)、反向推理(又称目标驱动)、或者正、反混合推理。本系统以“搜索树”的结构形式进行搜索查询，采用步骤如下：1)以存储器中的采样数据作为演绎前提。2)搜索以此前提为结论(THEN部分)的各条规则。3)再以各条规则的事实(IF部分)作为前提，重复进行递归，使搜索向纵深发展，直到找出证据结点为止。本推理系统是一种深度搜索法，它是先进行深度搜索，然后逐渐向横向发展，以至遍及整个估计原因库。这种产生式推理逻辑容易被人接受，可说明性好，也便于知识库的补充、更新等。

本发明工作液压系统故障树，如图4所示；齿轮泵(包括工作泵、先导泵和转向泵)故障树如图5所示；液压缸(包括动臂油缸、转斗油缸和转向油缸)故障树如图6所示；安全阀(溢流阀)故障树如图7所示；多路阀故障树如图8所示；压力选择控制阀故障树如图9所示；先导阀故障树如图10所示。

本发明故障诊断软件系统结构及其功能和状态监测及其诊断软件系统运行的工作流程如图11、12所示，本发明是建立在以ARM7微处理硬件系统和μC/OS-II操作系统的嵌入式平台上，开发工具为C语言。软件采用模块化设计，其系统结构图如图11所示。主要模块及其功能叙述如下：

1、通讯模块，用来完成通讯的底层协议、信号采集系统的故障诊断和接收传感器信号并转化成所需数据格式并传送数据。

2、实时监测模块，将装载机工况参数的监测数据直接与正常工作状态的标准阀值进行比较，根据差别程度进行报警，该模块处理故障实时性强，是对工况参数的初步诊断。

3、中心调度模块，负责模块的调度和各模块间的数据及信号通讯。

4、监测数据数据库，存放各信号采集单元采集的工况参数。

5、故障诊断模块，在实时监测模块的处理基础上对装载机工况参数进行更深层次的故障诊断。该模块采用基于故障树的故障诊断方法，主要由知识库和推理机构成。知识库主要用于存放液压系统故障的诊断原则，反映各种故障的因果关系。推理机主要解决知识的选择与应用问题，控制整个问题的求解过程。它根据存储器中的采样数据，将知识库中的诊断原则拿来匹配，然后利用适当的控制算法推断出结论。该模块分为工作液压系统故障诊断子模块和转向液压系统故障诊断子模块，这种处理针对性强。平时运行工作液压系统故障诊断子模块，转向时则运行转向液压系统故障诊断子模块。提高整套系统的运行效率。

6、故障存储数据库：记录故障报警记录，为使用者维护及厂商技术改进提供相应资料。

7、人机交互模块：显示信息，是故障诊断程序与用户交互的部分。

Claims (10)

1、一种装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是它建立在以ARM7微处理硬件系统和μC/OS-II操作系统的嵌入式平台上，开发工具为C语言；它包括工作液压系统和故障诊断软件系统；所说工作液压系统由先导油路和主油路两部分组成，包括液压油箱、转向泵、先导泵、工作泵、多路阀、先导阀、压力选择阀、动臂油缸、转斗油缸、油管等部件；所说故障诊断软件系统采用模块化设计，主要模块包括：通讯模块、实时监测模块、中心调度模块、监测数据数据库、故障诊断模块、故障存储数据库、人机交互模块。

2、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说先导油路位于工作液压系统的右侧，主要由先导泵、先导阀、压力选择阀等组成；先导泵流出的先导油经先导油路单向阀到压力选择控制阀，再到先导阀，以控制多路阀主油路。

3、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说主油路位于工作液压系统的左侧，主要由工作泵、多路阀、安全溢流阀、补油阀等组成；在先导控制油的作用下，多路阀阀芯处于不同的位置，从而改变工作油液的流动方向，实现转斗油缸和动臂油缸的不同的运动方向，或者使铲斗与动臂保持在某一位置以满足装载机各种作业动作的要求。

4、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说通讯模块的的任务是：1)完成通讯的底层协议；2)信号采集系统的故障诊断；3)接收传感器信号并转化成所需数据格式并传送数据。

5、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说实时监测模块是将装载机工况参数的监测数据直接与正常工作状态的标准阀值进行比较，根据差别程度进行报警；该模块处理故障实时性强，是对工况参数的初步诊断。

6、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说中心调度模块是负责模块的调度和各模块间的数据及信号通讯。

7、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说监测数据数据库是存放各信号采集单元采集的工况参数。

8、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说故障诊断模块是在实时监测模块的处理基础上对装载机工况参数进行更深层次的故障诊断。

9、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说故障存储数据库是记录故障报警记录，为使用者维护及厂商技术改进提供相应资料。

10、根据权利要求1所述的装载机工作液压系统嵌入式故障诊断装置，其特征是所说人机交互模块是显示信息、故障诊断程序与用户交互的部分。

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