李洪波

摘要：發(fā)動機(jī)作為程機(jī)械設(shè)備的核心部件結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，且處于高溫、高壓、高速的環(huán)境中運(yùn)行，發(fā)動機(jī)的故障率較高，故障的準(zhǔn)確判斷費(fèi)時、費(fèi)力，甚至部分微小故障可以造成發(fā)動機(jī)致命的損傷?；谏鲜鲈?，建立工程機(jī)械發(fā)動機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于該類型發(fā)動機(jī)的故障模式對發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行采集、處理和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機(jī)故障的判斷與發(fā)動機(jī)內(nèi)部小故障與小隱患，及時進(jìn)行預(yù)防性維修，防止故障的擴(kuò)大化，降低發(fā)動機(jī)的維修成本。采用該系統(tǒng)可以提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的預(yù)防性維修，提高發(fā)動機(jī)的使用壽命。

Abstract： The structure of the engine as the core component of the process mechanical equipment is extremely complex， and it is running in the environment of high temperature， high pressure and high speed. The failure rate of the engine is high， the accurate judgment of the fault is time-consuming and laborious， and even some minor faults can cause fatal damage to the engine. Based on the above reasons， the on-line monitoring system of construction machinery engine is established. Based on the fault mode of this type of engine， the key characteristic parameters of engine are collected， processed and analyzed. It can realize the judgment of engine fault and small trouble and hidden trouble， carry out preventive maintenance in time， prevent the expansion of fault and reduce the maintenance cost of engine. The system can improve the reliability of engine operation， enhance the preventive maintenance of engine and improve the service life of engine.

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);故障率;在線監(jiān)控;預(yù)防性維修

Key words： engine;failure rate;on-line monitoring system;preventive maintenance

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0031-05

0? 引言

礦用工程機(jī)械所處的工作環(huán)境惡劣，動力裝置是推進(jìn)系統(tǒng)的核心裝置，而發(fā)動機(jī)是動力裝置的核心部件，它的可靠性直接影響設(shè)備的生產(chǎn)效率。當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障后，往往需要花費(fèi)大量的時間和人力去查找故障原因，特別是對某些本可以提早發(fā)現(xiàn)或者有明顯征兆的小故障。由于沒有及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)存在的問題，而釀成重大甚至是不可修復(fù)的故障[1]，使企業(yè)的運(yùn)營成本增加。

1? 發(fā)動機(jī)故障分析

本文以一種履帶式推土機(jī)為例來說明該系統(tǒng)的工作方式，該發(fā)動機(jī)是一款四沖程、風(fēng)冷、廢氣渦輪增壓高速采油機(jī)，該型號發(fā)動機(jī)有12個缸，并且呈“V”型60夾角，額定功率432kW。

該型號發(fā)動機(jī)的主要故障模式如表1所示。

該型號發(fā)動機(jī)的各類故障出現(xiàn)率如表2所示。

在基本上能夠保證反映發(fā)動機(jī)整體性能的前提下，選擇了以下12個工作參數(shù)[2]：機(jī)身振動、氣缸蓋振動、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、空載功率、潤滑油壓力、柴油壓力、供油提前角、油箱油位、進(jìn)氣溫度、排氣溫度、氣缸蓋溫度、冷卻水溫度和潤滑油溫度，如圖3所示。

根據(jù)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，考慮工作環(huán)境等在設(shè)計(jì)預(yù)警系統(tǒng)時，主要監(jiān)測以下內(nèi)容：發(fā)動機(jī)缸蓋處的振動、溫度、應(yīng)變。

方案采用實(shí)時監(jiān)測發(fā)動機(jī)振動的變化以及對應(yīng)測點(diǎn)附近溫度變化來判斷發(fā)動機(jī)故障。當(dāng)振動幅值或頻率產(chǎn)生突變時則有可能發(fā)動機(jī)產(chǎn)生故障，同時一旦搖臂、凸輪軸或者氣門發(fā)生故障，將會使得發(fā)動機(jī)溫度驟變。缸蓋一旦應(yīng)變超過設(shè)計(jì)理論范圍則有可能導(dǎo)致缸蓋產(chǎn)生裂紋，因此應(yīng)變監(jiān)測也是預(yù)警系統(tǒng)中重要一部分。

由于推土機(jī)所處工況振動、噪聲大，現(xiàn)場測定噪聲信號的頻率范圍，最終在監(jiān)測系統(tǒng)中將該信號濾除。

2? 總體架構(gòu)

首先通過車載系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時收集與通訊;而后在監(jiān)控中心中，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)監(jiān)控和故障診斷。因此，發(fā)動機(jī)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)主要由車載信息采集平臺、車地?zé)o線通訊系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。發(fā)動機(jī)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。

2.1 車載信息采集平臺

車載信息采集平臺包括車載信息采集模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊、子系統(tǒng)總線和車載信息處理主機(jī)，其中車載信息采集模塊主要由傳感器組、數(shù)據(jù)采集板卡組成，實(shí)現(xiàn)對安裝在設(shè)備上的發(fā)動機(jī)重要部位的傳感器信號、各個功能子系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)，以及操作人員的操作情況等信息的采集;數(shù)據(jù)信息的打包與遠(yuǎn)距離通訊由數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊完成;子系統(tǒng)總線用于系統(tǒng)內(nèi)部將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕d信息處理主機(jī);車載信息處理主機(jī)包括數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)打包和遠(yuǎn)程傳輸程序，完成各功能模塊的調(diào)度管理和數(shù)據(jù)處理。此外，車載信息采集平臺還包含定位模塊，通過接收衛(wèi)星的定位數(shù)據(jù)，解析出設(shè)備的地理位置、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向等地理時空信息。

2.2 設(shè)備與地面的無線通訊系統(tǒng)

現(xiàn)有的無線通信技術(shù)發(fā)展極快，采用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與地面的無線通訊系統(tǒng)，實(shí)時傳輸發(fā)動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心。

2.3 監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要實(shí)現(xiàn)登錄、監(jiān)測對象設(shè)備管理、數(shù)據(jù)接收與解析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、健康監(jiān)測與故障診斷、故障報(bào)表的生成、故障信息反饋、歷史信息和故障數(shù)據(jù)查找、故障數(shù)據(jù)信息共享等功能每臺設(shè)備都擁有一個唯一的識別碼，以此在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心中進(jìn)行區(qū)分[3]。針對設(shè)備發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行健康監(jiān)測和故障診斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時及時報(bào)警，并進(jìn)行故障部位和類型診斷，最后將信息通過無線通訊系統(tǒng)返回到各個設(shè)備的子系統(tǒng)，從而指導(dǎo)設(shè)備的故障排查。同時，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心將坦設(shè)備的監(jiān)測診斷信息進(jìn)行分發(fā)，為各級應(yīng)用和服務(wù)平臺提供各種共享信息，從而促進(jìn)設(shè)備的科學(xué)運(yùn)維管理。

2.4 各模塊功能設(shè)計(jì)與工作流程

2.4.1 各模塊的功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)上關(guān)鍵部位傳感器數(shù)據(jù)、工作信息等的實(shí)時采集，并進(jìn)行調(diào)理、轉(zhuǎn)換和發(fā)送。數(shù)據(jù)通訊模塊，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與總監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸和交互。監(jiān)測與報(bào)警模塊，主要實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)超過閾值時則進(jìn)行報(bào)警。健康狀態(tài)監(jiān)測與異常檢測模塊，主要實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)整體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和健康評估，檢測出坦克發(fā)動機(jī)出現(xiàn)的明顯異常狀況。故障診斷模塊，當(dāng)坦克發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)出現(xiàn)明顯異常后，進(jìn)行故障診斷，識別故障部位、故障類型，分析故障原因。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，可根據(jù)時間查詢坦克發(fā)動機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障信息，并生成故障信息報(bào)表。

2.4.2 系統(tǒng)故障處理流程

3? 發(fā)動機(jī)車載信息平臺

3.1 振動監(jiān)測（傳感器技術(shù)指標(biāo)）

振動監(jiān)測選用1A603E高溫壓電式加速度傳感器，該傳感器具有高靈敏度、高分辨率、低阻抗電壓輸出、與地絕緣、抗干擾好等優(yōu)點(diǎn)。

1A603E高溫壓電式加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

發(fā)動機(jī)環(huán)境惡劣，需要考慮傳感器的防護(hù)，每個傳感器需配備一個安裝防護(hù)盒。

3.2 溫度監(jiān)測（位移傳感器指標(biāo)）

溫度監(jiān)測采用鉑電阻溫度傳感器，主要監(jiān)測發(fā)動機(jī)的溫度，當(dāng)溫度出現(xiàn)異常升高，則可能出現(xiàn)故障。

①溫度監(jiān)測采用JCJ100TTPB型貼片式溫度傳感器，該系列傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

②溫度傳感器的安裝方法及注意事項(xiàng)：

1）根據(jù)傳感器的數(shù)量，備齊包括附件的成套儀器和電纜，同時考慮適當(dāng)備用量。根據(jù)設(shè)計(jì)施工要求，電纜接線作好編號和存檔工作。

2）對于溫度監(jiān)測，采用螺紋固定，借用發(fā)動機(jī)固有的螺紋孔固定安裝。

3.3 應(yīng)變監(jiān)測

實(shí)時監(jiān)測缸體的強(qiáng)度，通過應(yīng)變花監(jiān)測主應(yīng)力方向，便于分析缸體結(jié)構(gòu)受力情況，當(dāng)出現(xiàn)異常應(yīng)力變化時及時報(bào)警。

應(yīng)變傳感器選用高溫型焊接式應(yīng)變片HKB120-3CA-T250（11）-G100，傳感器由應(yīng)變片、定位焊點(diǎn)、信號引出線組成，定位焊點(diǎn)用于固定應(yīng)變片，信號引出線用于接入采集器終端，可根據(jù)不同的橋路方式使用不同的連接方法。

主要技術(shù)指標(biāo)如表5。

4? 網(wǎng)絡(luò)傳輸解決方案

礦區(qū)現(xiàn)場為直徑50km的圓錐形坑體，推土機(jī)是一直處于運(yùn)動狀態(tài)，普通的網(wǎng)橋方式因距離較遠(yuǎn)的原因搭建成本過高，綜合考慮使用4G方式傳輸。

5? 儀器解決方案

定制在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，采用獨(dú)立分布式模塊結(jié)構(gòu)，支持4G通訊連接，支持選配各類型模擬量通道靈活組合，可完成加速度、溫度、應(yīng)變等各種物理量的采集。滿足對大型結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測管理，為其運(yùn)營管理、養(yǎng)護(hù)維修、安全和可靠性評估提供數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用范圍：①IEPE通道，滿足低頻IEPE傳感器信號的精確測量;②溫度通道，可接各種熱電阻（如鉑電阻、銅電阻等）以及熱電偶，滿足溫度測量;③應(yīng)變通道，支持多種橋路方式，可完成全橋、半橋、1/4橋（120Ω三線制）狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測和分析;

功能特點(diǎn)：①可對工程機(jī)械、港口機(jī)械等的運(yùn)營狀況長期連續(xù)不斷進(jìn)行監(jiān)控，多種類型采集卡可自由組合搭配，完成振動、溫度等多種物理量的測試;②每通道需要采用獨(dú)立電壓放大器，A/D轉(zhuǎn)換器，低通濾波器，抗混濾波器，消除通道間串?dāng)_影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力;③采用寬溫型以及集成度高的器件，減小元器件數(shù)目，提高可靠性、易維修、易測試;保證儀器在低溫下能可靠工作;④多采樣頻率可選，最高連續(xù)采樣速率可達(dá)500Hz/通道;⑤先進(jìn)的隔離技術(shù)和合理的接地以及抗雷擊能力，使系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，用于各種工程現(xiàn)場的長期監(jiān)測;⑥內(nèi)置DSP實(shí)時處理芯片，所有數(shù)據(jù)均可根據(jù)現(xiàn)場要求，實(shí)時處理，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供有效的數(shù)據(jù)支持;⑦適合各類實(shí)驗(yàn)室、監(jiān)控室等室內(nèi)及標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜使用環(huán)境要求;⑧系統(tǒng)具備斷網(wǎng)、斷電自恢復(fù)能力，實(shí)時顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，系統(tǒng)內(nèi)置看門狗保護(hù)，能夠恢復(fù)斷電、斷網(wǎng)前的工作狀態(tài);⑨支持CMA3.0結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測平臺以及手機(jī)APP;⑩提供二次開發(fā)接口或根據(jù)用戶標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定制，便于系統(tǒng)集成。

系統(tǒng)組成：采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)通訊，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無限多通道擴(kuò)展并進(jìn)行采樣，實(shí)時進(jìn)行信號采集、儲存、顯示和分析等。

6? 軟件解決方案

結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測軟件基于B/S構(gòu)架，數(shù)據(jù)庫采用My SQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集分析、圖形顯示、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)管理于一體，界面簡潔美觀，操作方便，完整直觀的顯示結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)容。軟件可以對結(jié)構(gòu)的營運(yùn)狀況進(jìn)行24小時不間斷監(jiān)控，利用計(jì)算機(jī)的存儲空間記錄結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)（包括振動、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、壓力等信息），當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)事故前兆或意外事件時，能夠及時報(bào)警，并為了解事故現(xiàn)象和分析事故原因及造成的結(jié)構(gòu)損傷提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

7? 系統(tǒng)功能架構(gòu)

發(fā)動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)和邏輯層次上采用面向?qū)ο蟮姆植际浇Y(jié)構(gòu)，自下而上依次分為5個層次，即發(fā)動機(jī)設(shè)備層、測量采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)服務(wù)與功能應(yīng)用層、表示決策層，如圖11所示。

發(fā)動機(jī)設(shè)備層，即發(fā)動機(jī)需監(jiān)測的結(jié)構(gòu)設(shè)備，包括振動測點(diǎn)所在結(jié)構(gòu)、溫度測點(diǎn)所在結(jié)構(gòu)及應(yīng)變測點(diǎn)所在結(jié)構(gòu)等。

測量采集層分為傳感器層和數(shù)據(jù)采集層。傳感器層，在發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部位布置各類傳感器，用于感知發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)備的各類工作狀態(tài)參數(shù)（振動、溫度、應(yīng)變）。數(shù)據(jù)采集層，即數(shù)據(jù)采集器，完成現(xiàn)場各類傳感器信號的采集、預(yù)處理、分析處理、特征提取等功能。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層，設(shè)備監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)主要有兩個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，分別是港機(jī)設(shè)備測控網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。測控?cái)?shù)據(jù)傳輸采用4G方式向設(shè)備監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行報(bào)警信息推送。

數(shù)據(jù)服務(wù)層及功能應(yīng)用層，主要完成系統(tǒng)應(yīng)用層面的工作，包括信息管理、數(shù)據(jù)管理、在線狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)測及維修管理決策等模塊，數(shù)據(jù)管理模塊對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，包括實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫;在線監(jiān)測模塊通過實(shí)時監(jiān)測港機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果、統(tǒng)計(jì)結(jié)果、預(yù)測振動結(jié)果、維修保障的人機(jī)交互和終端顯示;故障診斷模塊對采集的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷和定位故障。故障預(yù)測模塊根據(jù)實(shí)時歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)測;維修管理模塊在在線監(jiān)測、故障診斷模塊、故障預(yù)測模塊的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多要素綜合維修決策，形成最佳維修策略。

表示決策層，主要實(shí)現(xiàn)用戶的統(tǒng)一接入認(rèn)證、登錄、信息瀏覽、系統(tǒng)維護(hù)管理、維修決策制定等功能。對于監(jiān)控室指揮員而言，主要是實(shí)時獲取推土機(jī)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)、統(tǒng)計(jì)圖表、及處理應(yīng)急事件等功能;對于系統(tǒng)維護(hù)人員而言，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)及功能配置、軟件系統(tǒng)升級、查詢歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)、分析診斷故障等;對于維修管理人員來說，主要實(shí)現(xiàn)制定維修計(jì)劃、組織實(shí)施維修及更新維修記錄等功能。

8? 結(jié)論

基于發(fā)動機(jī)故障的準(zhǔn)確判斷以及預(yù)防性維修所建立工程機(jī)械發(fā)動機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)踐，該系統(tǒng)基于該類型發(fā)動機(jī)的故障模式對發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行采集、處理和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機(jī)故障的判斷與發(fā)動機(jī)內(nèi)部小故障與小隱患，及時進(jìn)行預(yù)防性維修，防止故障的擴(kuò)大化，降低發(fā)動機(jī)的維修成本。采用該系統(tǒng)可以提高發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的預(yù)防性維修，提高發(fā)動機(jī)的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]屈梁生.機(jī)械故障診斷學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1986.

[2]喬卉卉.挖掘機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[3]常劍，高明.基于相似性建模的發(fā)電機(jī)組設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2012，29（5）：576-579.