姜鑫

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300)

0 前言

挖掘機(jī)是用鏟斗挖掘高于或低于承機(jī)面的物料，并裝入運(yùn)輸車(chē)輛或卸至堆料場(chǎng)的土方機(jī)械。從近幾年工程機(jī)械的發(fā)展來(lái)看，挖掘機(jī)的發(fā)展相對(duì)較快，現(xiàn)已經(jīng)成為工程建設(shè)中最主要的工程機(jī)械之一。文中介紹了一種實(shí)驗(yàn)用液壓挖掘機(jī)模型 (如圖1所示)，該模型能夠直觀、方便和有效地反映挖掘機(jī)的具體工作過(guò)程，但是在使用過(guò)程中也出現(xiàn)了其液壓系統(tǒng)的故障多樣化和復(fù)雜化的特點(diǎn)，如何快速有效地找到故障發(fā)生的部位，就成為了保證其正常工作的前提。

圖1 實(shí)驗(yàn)用液壓挖掘機(jī)模型

1 挖掘機(jī)故障分析

該工作機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 挖掘機(jī)挖掘機(jī)構(gòu)總成

在實(shí)驗(yàn)室操作使用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)鏟斗油缸3和斗缸油缸5挖掘無(wú)力的現(xiàn)象，而且還伴隨著舉升緩慢，慢速時(shí)爬行卡殼，兩側(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速不同的現(xiàn)象。針對(duì)上述現(xiàn)象，可以確定在挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)了故障，但是故障點(diǎn)在哪里，需要做進(jìn)一步的分析，首先液壓系統(tǒng)的故障可以通過(guò)系統(tǒng)的工作壓力、溫度、流量等參數(shù)反映出來(lái)，通俗地說(shuō)，就是液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中出現(xiàn)的任何問(wèn)題都直接或間接地與這幾個(gè)參數(shù)有關(guān)。系統(tǒng)工作正常時(shí)則參數(shù)都工作在預(yù)設(shè)值附近。若這些參數(shù)偏離了預(yù)設(shè)值，則系統(tǒng)就會(huì)出故障或有可能出現(xiàn)故障。

通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的壓力、流量、溫度和功率等幾個(gè)特定的參數(shù)值，就可以進(jìn)一步斷定液壓回路中的哪個(gè)位置參數(shù)已偏離了預(yù)定值，在此基礎(chǔ)之上，現(xiàn)場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，即可快速準(zhǔn)確地找出故障之所在。由此可見(jiàn)。進(jìn)行液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，最關(guān)鍵的就是準(zhǔn)確地獲取參數(shù)。利用參數(shù)測(cè)量法不僅可以診斷系統(tǒng)故障，而且還能預(yù)報(bào)可能發(fā)生的故障 (即液壓系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè))，并且這種預(yù)報(bào)和診斷都是定量的，大大提高了診斷的速度與準(zhǔn)確性。

2 用Tee參數(shù)測(cè)量法檢測(cè)液壓系統(tǒng)故障

Tee參數(shù)測(cè)量法就是液壓系統(tǒng)中泵的出口處接入T型接頭，接頭的另兩個(gè)接口中一個(gè)與測(cè)試儀相連，另一個(gè)則與工作回路進(jìn)油口相連，對(duì)測(cè)量參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，判斷系統(tǒng)某個(gè)回路中液壓元件的性能，這樣就可以在不拆卸液壓設(shè)備的前提下，迅速而簡(jiǎn)便地檢測(cè)各類液壓系統(tǒng)技術(shù)狀況及故障所在，常見(jiàn)的檢測(cè)儀由測(cè)試系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

測(cè)試系統(tǒng)包括膜片式安全閥、模擬加載的嵌入式加載閥、硅應(yīng)變式壓力傳感器、渦輪轉(zhuǎn)子流量傳感器、熱電阻溫度傳感器等集成在一起的集成傳感器。該集成傳感器是在渦輪流量變送器上嵌入了溫度、壓力傳感器和內(nèi)置式加載閥，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力和流量的同步測(cè)量，流量精度滿量程誤差±1%，流量讀數(shù)為線性度及零漂移±1位，壓力測(cè)量范圍為0～41.4 MPa，測(cè)溫范圍－20～150℃。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)原理框圖

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括接口電路、前置放大器、多通道信號(hào)傳輸電路 (多路開(kāi)關(guān))、A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C52單片機(jī)、液晶顯示、觸摸開(kāi)關(guān)、蓄電池等。信號(hào)獲取的過(guò)程是:當(dāng)檢測(cè)儀接入油路后，壓力油分別作用到渦輪流量變送器、壓力傳感器和溫度傳感器上。渦輪流量變送器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)經(jīng)高精度頻率電壓轉(zhuǎn)換裝置 (F/V Converter)轉(zhuǎn)換成與流量成比例的電壓信號(hào)，壓力和溫度傳感器則直接輸出電壓信號(hào)，這些流量、壓力、溫度信號(hào)通過(guò)前置信號(hào)處理器調(diào)理后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，由AT89C52單片機(jī)處理并計(jì)算其相應(yīng)的功率參數(shù)及泄漏量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，也可通過(guò)打印機(jī)打印出來(lái)或通過(guò)專用接口輸出到計(jì)算機(jī)中去。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)上述方法［1］，將Tee測(cè)量?jī)x接入兩泵出口處，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

將表1數(shù)據(jù)的主泵流量實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值/限度值比較后，可以看出前后泵的輸出流量都偏小，而且前后泵的流量差很大，這是造成動(dòng)作慢、慢速卡殼的故障原因。繼續(xù)分析馬達(dá)轉(zhuǎn)速不同的原因，兩側(cè)的馬達(dá)代表行走系統(tǒng)，而行走系統(tǒng)分別由兩個(gè)液壓泵供油。這兩個(gè)液壓泵還分別擔(dān)負(fù)向鏟斗油路和其同向動(dòng)臂缸和斗缸供油的任務(wù)。而馬達(dá)轉(zhuǎn)速不同只能說(shuō)明而該機(jī)只是行走系統(tǒng)有故障，所以兩個(gè)液壓泵性能正常，下面仍然運(yùn)用同樣的方法檢測(cè)故障，將挖掘機(jī)的鏟斗落到地面頂住枕木后同時(shí)操縱左右行走操縱桿，觀察與記錄壓力表讀數(shù)，分別進(jìn)行前進(jìn)和后退時(shí)的測(cè)量，測(cè)得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 壓力測(cè)量記錄表

由表2數(shù)據(jù)可知，高、低壓油由于密封失效，造成高、低壓油路滲透。形成在前進(jìn)時(shí)左馬達(dá)的進(jìn)油箱和右馬達(dá)的回油道之間發(fā)生滲漏，后退時(shí)右馬達(dá)的進(jìn)油道和左馬達(dá)的回油道之間發(fā)生滲漏，這樣就形成左右壓力不等及供油不足、行走較慢的現(xiàn)象。

4 可視化平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過(guò)上面的分析可以明確地得出挖掘機(jī)液壓故障的原因及產(chǎn)生部位，但是對(duì)于動(dòng)作過(guò)程的描述不夠直觀，為了更加清晰直觀的仿真挖掘機(jī)的工作過(guò)程，各液壓缸支承下的工作順序，利用SOLIDWORKS2012作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4 所示［2］。

圖4 挖掘機(jī)總裝配圖界面

在SOLIDWORKS2012裝配界面，選擇約束和動(dòng)作，分別對(duì)3個(gè)液壓缸及連接部件編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)代碼，如圖5—7所示。

動(dòng)臂油缸運(yùn)動(dòng)代碼:STEP(TIME，4，STEP(TIME，1，0，2，200)，5，－100)

斗缸油缸運(yùn)動(dòng)代碼:STEP(TIME，5，STEP(TIME，2，0，3，－300)，6，50)

鏟斗油缸運(yùn)動(dòng)代碼:STEP(TIME，6，STEP(TIME， 3， STEP(TIME， 0， 0， 1， 130)， 4，－130)，7，100)

圖5 動(dòng)臂油缸運(yùn)動(dòng)代碼

圖6 斗缸油缸運(yùn)動(dòng)代碼

圖7 鏟斗油缸運(yùn)動(dòng)代碼

分別編寫(xiě)好運(yùn)動(dòng)代碼后，點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕，便將已經(jīng)編寫(xiě)好的運(yùn)動(dòng)代碼植入到挖掘機(jī)總裝配圖的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)部位，點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，挖掘機(jī)便可以按照指定的要求和速度進(jìn)行動(dòng)作，動(dòng)作過(guò)程如圖8—10所示，圖8為鏟斗向下挖掘的動(dòng)作，圖9為鏟斗完成挖掘的動(dòng)作，圖10為動(dòng)臂提升到頂部位置的動(dòng)作。

通過(guò)這樣一個(gè)利用SOLIDWORKS2012設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)，非常簡(jiǎn)單方便地模擬出挖掘機(jī)在正常工作時(shí)的動(dòng)作順序，如果想表現(xiàn)出挖掘機(jī)在出現(xiàn)故障時(shí)的表現(xiàn)動(dòng)作時(shí)，只需要改寫(xiě)圖5或圖6、圖7中的運(yùn)動(dòng)代碼即可，學(xué)生可以根據(jù)視覺(jué)表現(xiàn)而明確故障產(chǎn)生的特點(diǎn)及動(dòng)作次序。

圖8 鏟斗向下挖掘的動(dòng)作

圖9 鏟斗完成挖掘的動(dòng)作

圖10 動(dòng)臂提升到頂部位置的動(dòng)作

5 結(jié)束語(yǔ)

采用一種實(shí)驗(yàn)用挖掘機(jī)平臺(tái)來(lái)分析其液壓故障，利用Tee法檢測(cè)其故障的流量和壓力參數(shù)，經(jīng)過(guò)綜合的分析，可以明確故障的發(fā)生位置和故障的產(chǎn)生原因，簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用，省去了液壓維修過(guò)程中很多不必要的拆卸、檢查、裝配和調(diào)試環(huán)節(jié)。同時(shí)，為了將故障的特點(diǎn)更加直觀地表達(dá)出來(lái)，利用SOLIDWORKS2012繪制出挖掘機(jī)的總裝圖，編寫(xiě)好運(yùn)動(dòng)代碼后執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，可以清晰地觀測(cè)出無(wú)故障時(shí)挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，同樣的原理，只需要修改其運(yùn)動(dòng)代碼，就可以仿真模擬出挖掘機(jī)有故障時(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。這對(duì)相應(yīng)的從業(yè)人員具有一定的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

［1］姜鑫.機(jī)電設(shè)備故障診斷與維修［M］.咸陽(yáng):西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社，2014.

［2］詹迪維.SolidWorks2012機(jī)械設(shè)計(jì)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.