彭 川， 楊小強(qiáng)， 楊海山， 歐陽鵬程， 朱保國

（1.陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007； 2.工程兵軍代局， 北京 100093）

引言

山地挖掘機(jī)是典型的機(jī)、電、液一體化裝備，技術(shù)性能先進(jìn)，自動(dòng)化、信息化程度高。該裝備采用全液壓驅(qū)動(dòng)和復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)，使得其液壓與電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理尤為復(fù)雜。因此采用傳統(tǒng)的故障檢測(cè)手段和通用的故障檢測(cè)儀器設(shè)備，難以對(duì)山地挖掘機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向制動(dòng)系統(tǒng)、工作裝置與液壓操縱以及電氣系統(tǒng)進(jìn)行有效、及時(shí)的故障檢測(cè)、診斷與排除。

1 山地挖掘機(jī)電控與液壓系統(tǒng)故障分析

山地挖掘機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向與制動(dòng)系統(tǒng)、工作裝置與液壓操縱系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、冷卻加溫系統(tǒng)和附屬裝置組成。

1.1 液壓系統(tǒng)常見故障及其診斷流程分析

液壓系統(tǒng)的故障現(xiàn)象復(fù)雜多變，但從總體上可分為6大類，即執(zhí)行元件、操縱閥、異響、油液泄漏與溫度異常、原動(dòng)機(jī)以及其他類，如圖1所示。

液壓系統(tǒng)的故障最終均反映在液壓回路元件的工作狀態(tài)上，比如元件損壞、密封失效、彈簧斷裂、液壓缸劃傷、元件表面膠合、點(diǎn)蝕、疲勞斷裂等。這些故障可能伴隨有油液泄漏、系統(tǒng)溫度異常、非正常振動(dòng)、噪聲等現(xiàn)象，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)不能正常工作。采取觀察和儀器檢測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)山地挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)在多種工況下的故障特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，確定了液壓系統(tǒng)故障診斷的邏輯流程圖，如圖2、圖3所示分別為右手柄和腳踏板的故障診斷流程[1]。

圖1 山地挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)原理框圖

圖2 山地挖掘機(jī)右手柄故障診斷流程之一

圖3 山地挖掘機(jī)腳踏板故障診斷流程之一

1.2 電氣系統(tǒng)常見故障及其檢測(cè)流程分析

山地挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)電氣系統(tǒng)和控制電氣系統(tǒng)兩大部分組成。

山地挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)的常見故障現(xiàn)象可分為供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾個(gè)方面，具體表現(xiàn)為電氣設(shè)備工作異常、燈光不亮、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)不工作、監(jiān)控器或啟動(dòng)電磁鐵不工作等。對(duì)于這些故障，本文列出了部分電氣控制系統(tǒng)元器件的檢測(cè)流程和激勵(lì)信號(hào)定義，如下頁表1所示，依此流程可對(duì)其故障進(jìn)行檢測(cè)、診斷和排除。

2 故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)

硬件平臺(tái)主要由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)診斷平臺(tái)（主控計(jì)算機(jī)）、適配器、信號(hào)連接裝備和傳感器等附件組成。其中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)診斷平臺(tái)主要包括PXI機(jī)箱、嵌入式控制器、數(shù)據(jù)采集卡、接口模塊和VPC連接器等組成。適配器主要用于信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理與信號(hào)轉(zhuǎn)接等，是山地挖掘機(jī)被測(cè)對(duì)象與檢測(cè)硬件間連接的橋梁。

表1 電氣系統(tǒng)故障檢測(cè)流程樣表

根據(jù)測(cè)試平臺(tái)的信號(hào)采集功能需求，選用了NI PXI-8187嵌入式控制器作為核心控制器[2]；數(shù)字信號(hào)采集卡選用了NI PXI-6509數(shù)字I/O模塊；模擬信號(hào)采集卡選用了M系列的NI PXI-6259型數(shù)據(jù)采集卡[3]，該模塊提供了32位模擬輸入，最高采集頻率1.25 MS/s，4路模擬輸出，48路雙向數(shù)字輸入輸出通道；信號(hào)切換開關(guān)模塊選擇NI PXI-2530B模塊，其多路復(fù)用器包括 128×1（1線）、64×1（2線）、32×1（4線）或8組16×1（1線）的模式，矩陣則包括4×32（1線）、8×16（1線）或 4×16（2線）的模式。

根據(jù)硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案要求，故障檢測(cè)診斷平臺(tái)能與PC機(jī)配合使用實(shí)現(xiàn)檢測(cè)診斷功能，選用PXI-1042主機(jī)箱作為虛擬儀器平臺(tái)。其核心設(shè)備為虛擬儀器平臺(tái)，為滿足系統(tǒng)開放性和可擴(kuò)展性的要求，虛擬儀器平臺(tái)采用了“PXI機(jī)箱+主控計(jì)算機(jī)+PXI模塊化儀器”[4]的硬件結(jié)構(gòu)，該虛擬儀器平臺(tái)通過VPC接口板與故障檢測(cè)適配器相連，PXI系統(tǒng)的集成圖如圖4所示。

圖4 配件系統(tǒng)PXI總線模塊化儀器集成

PXI總線模塊化機(jī)箱系統(tǒng)是檢測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，該平臺(tái)相當(dāng)于一臺(tái)安裝了特定采集板卡的計(jì)算機(jī)，運(yùn)行有windows操作系統(tǒng)。為保證適配器能與其配合使用，硬件上采用RS232通訊方式與虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行交互，因此PXI機(jī)箱內(nèi)專門配置了串行通訊卡，所選擇的是NI PXI-8430卡，軟件上基于其操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)[5]。接口設(shè)備主要指從PXI計(jì)算機(jī)系統(tǒng)到適配器的信號(hào)連接設(shè)備，包括各板卡的配套連接端子和VPC90系列連接器。

3 故障檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

LabWindows/CVI在儀器控制、虛擬面板設(shè)計(jì)、信號(hào)分析與處理、硬件訪問方面具有強(qiáng)大功能，因此山地挖掘機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)的軟件基于微軟件的WindowsXP/Win7系統(tǒng)運(yùn)行，采用Labwindows/CVI程序語言進(jìn)行開發(fā)[6]。

根據(jù)故障檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)需求，結(jié)合山地挖掘機(jī)使用維修單位的意見和建議，確定該軟件的基本功能，主要包括人機(jī)交互、設(shè)備測(cè)試、故障分析、維修輔助以及記錄保存等功能，功能框圖如圖5所示。

圖5 軟件的功能框圖圖

根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)了中心調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、故障診斷和維修指導(dǎo)模塊。下頁圖6為中心調(diào)度模塊的運(yùn)行界面，左側(cè)樹形控件主要用于故障檢測(cè)時(shí)選擇檢測(cè)項(xiàng)目，“測(cè)試”按鈕和“歷史記錄”按鈕在點(diǎn)擊時(shí)觸發(fā)按鍵事件，從而轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)模塊。液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)功能模塊通過讀取各測(cè)點(diǎn)的壓力、溫度、流量參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示并與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的故障標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以確定液壓系統(tǒng)的故障原因，利用可視化維修指導(dǎo)功能，根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行故障排除維修。并記錄保存采集的數(shù)據(jù)，同樣，該界面也提供了故障模擬與聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)檢測(cè)兩種模式供用戶選擇操作。

圖6 山地挖掘機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)入口界面

建立了記錄查詢數(shù)據(jù)庫Rec.mdb和故障維修數(shù)據(jù)庫Repair.mdb。數(shù)據(jù)庫格式為微軟的ACCESS格式[7]。程序通過CVI/SQL工具箱，用SQL語言實(shí)現(xiàn)對(duì)記錄的保存、分類和查詢。記錄查詢數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)每次測(cè)試測(cè)試對(duì)象的器件編號(hào)、測(cè)試類型、測(cè)試日期、測(cè)試人員、檢測(cè)的信號(hào)以及信號(hào)狀態(tài)的判斷準(zhǔn)則、參數(shù)測(cè)試結(jié)果、檢測(cè)結(jié)論和錯(cuò)誤代碼，通過對(duì)檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)人員、檢測(cè)類型和被檢設(shè)備的選擇，從索引表中選出符合條件的項(xiàng)，方便了對(duì)記錄的檢索。維修指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)了各種故障的故障代碼、故障現(xiàn)象、檢測(cè)流程和維修步驟等，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢出故障的維修指導(dǎo)。

故障檢測(cè)軟件采用系統(tǒng)管理控制、檢測(cè)功能模塊、板卡硬件驅(qū)動(dòng)和診斷維修數(shù)據(jù)庫等相結(jié)合的多層次的模塊化結(jié)構(gòu)體系，數(shù)據(jù)庫可根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)充、增添相應(yīng)的記錄項(xiàng)，完善檢測(cè)診斷軟件的診斷維修性能，軟件層次清晰，移植性好、開放性強(qiáng)，具有較好的軟件升級(jí)性能[8]。

4 結(jié)論

經(jīng)過集成與調(diào)試，整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地完成對(duì)山地挖掘機(jī)的故障檢測(cè)和維修指導(dǎo)，達(dá)到了預(yù)期的效果。本文設(shè)計(jì)的山地挖掘機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)貼近部隊(duì)實(shí)際需要，可為部隊(duì)基層維修站和基地維修站提供一套智能化的檢測(cè)診斷設(shè)備，滿足部隊(duì)對(duì)山地挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷的需求，可對(duì)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行戰(zhàn)備完好性檢測(cè)和故障診斷，故障定位到獨(dú)立設(shè)備；可基于裝備預(yù)埋的檢測(cè)端口對(duì)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，為故障診斷提供數(shù)據(jù)依據(jù)，有效促進(jìn)了我軍裝備維修保障領(lǐng)域的開發(fā)與建設(shè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我軍裝備保障系統(tǒng)信息化和數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。

[1] 楊小強(qiáng)，韓金華，李華兵，等.軍用機(jī)電裝備電液系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)與診斷平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].工兵裝備研究，2017，36（2）：61-64.

[2] Dunia H,Qin S J,Edgar T F,et al.Identification of faulty sensors using principal component analysis[J].AICHE J.1996,42（10）：2797-2812.

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[4] Willsky A S.A survey of design methods of failure detection in dynamic systems[J].Automatica,2009,45（7）：1593-1600.

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[8] 秦紅磊，路輝，郎榮玲.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件及軟件技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2007.