王志明 王雷振

摘要：本文分別從在線監(jiān)測、故障診斷兩個方面對智能化挖掘機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。作者根據(jù)自己的從業(yè)經(jīng)驗對智能化挖掘機(jī)在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展所面臨的問題進(jìn)行了分析，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測 ?故障診斷 ?智能化挖掘機(jī) ?綜述 ?展望

中圖分類號：TG712 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

挖掘機(jī)作為一種常用的大型工程機(jī)械裝備，廣泛的應(yīng)用于民用、軍用等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍十分廣泛。在日常生活中的各個方面都有所應(yīng)用。傳統(tǒng)挖掘機(jī)主要依靠駕駛員完成相關(guān)的工況任務(wù)，該作業(yè)方式仍然是當(dāng)下挖掘機(jī)的主要作業(yè)方式。但該種作業(yè)方式存在著下面幾個缺點和不足：1、存在著挖掘機(jī)消耗的功耗大，耗油量多的問題;2、駕駛員操作困難，針對某些特殊的工況場合對駕駛員的高的操作技術(shù)無疑是一種考驗;3、駕駛員的工作環(huán)境惡劣，挖掘機(jī)常常需要在施工現(xiàn)場進(jìn)行施工，復(fù)雜和極端的工作環(huán)境也是傳統(tǒng)作業(yè)方式的一大弊端;4、勞動強(qiáng)度大，駕駛員在挖掘機(jī)中的平均作業(yè)時間往往超過10小時。

隨著近些年來，自動化控制技術(shù)、信息技術(shù)、傳感技術(shù)以及液壓動力技術(shù)的迅速發(fā)展，為解決以上傳統(tǒng)挖掘機(jī)作業(yè)模式出現(xiàn)的問題[1]提供了解決的辦法和便利。智能化、自主化已成為眼下挖掘機(jī)的主要發(fā)展趨勢，即智能化挖掘機(jī)技術(shù)。智能化挖掘機(jī)從定義上來看指的是不需人工進(jìn)行作業(yè)、可以通過視覺識別、傳感技術(shù)、工況環(huán)境進(jìn)行在線判斷從而挖掘機(jī)系統(tǒng)自動發(fā)出操作指令的一種智能施工技術(shù)。而智能挖掘機(jī)智能化的實現(xiàn)必須依賴于對復(fù)雜工況具備判斷能力以及自我故障問題的診斷。因此，在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是智能挖掘機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)，它的發(fā)展決定了未來智能挖掘機(jī)的發(fā)展情況和發(fā)展趨勢[2-3]。

本文分別從在線監(jiān)測、故障診斷兩個方面對智能化挖掘機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，分析其當(dāng)前發(fā)展存在的問題，并對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。為智能挖掘機(jī)今后的發(fā)展提高技術(shù)支持。

2 在線監(jiān)測技術(shù)

2.1 國外在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

在線監(jiān)測技術(shù)是挖掘機(jī)上常用的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來各方面對其發(fā)展均作出自己的努力。早些年，德國O&K公司就針對挖掘機(jī)的在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了一些列的研究，該公司經(jīng)過不斷的努力最終開發(fā)出了挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)為挖掘機(jī)在線監(jiān)測的早期原型。該系統(tǒng)可以很好的協(xié)助駕駛員在進(jìn)行操作時對于復(fù)雜施工環(huán)境的判斷，可以幫助操作人員應(yīng)對各種復(fù)雜工況并對挖掘機(jī)自身的整體工作性能有所掌握。這就在很大程度上提高了挖掘機(jī)的健康指數(shù)，可以有效的避免故障的發(fā)生，提高了持續(xù)工作的時間。日本的小松公司研發(fā)的康查士管理系統(tǒng)對挖掘機(jī)的在線監(jiān)測發(fā)展又更加的推動了一步，該在線監(jiān)測系統(tǒng)可以很輕松的完成對挖掘機(jī)在工作時的各方面性能指標(biāo)的檢測，如：油耗量、設(shè)備油壓、油腔內(nèi)的顆粒污染指數(shù)以及電控系統(tǒng)的工作情況等。該系統(tǒng)更加的智能化可以將挖掘機(jī)的整體運行狀況上傳到公司的整體監(jiān)控服務(wù)器，駕駛員可以和挖掘機(jī)的正常工況參數(shù)進(jìn)行比對，從而對挖掘機(jī)的整體運行狀態(tài)做出自己的判斷，這樣就在很大的程度上避免了故障的發(fā)生幾率。韓國機(jī)械材料研究所LEE等[4]提出了一種可以通過分析液壓油污染程度來檢測大型挖掘機(jī)齒輪傳動箱的磨損程度的方法。該辦法的提出，對挖掘機(jī)的在線監(jiān)測提供了新的研判渠道。

2.2 國內(nèi)在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展

在國內(nèi)，針對于挖掘機(jī)的在線監(jiān)測技術(shù)，許多專家學(xué)者也做出了努力。如：河北天遠(yuǎn)集團(tuán)組織研發(fā)的“工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對在線的大型工程裝備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，實時的將該設(shè)備的整體工作情況通過信號發(fā)生端口傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對設(shè)備的健康狀況以及各方面性能參數(shù)的檢測，幫助駕駛員或者操作人員排除故障。石家莊鐵道大學(xué)馮蕭等[5]研究了油液在線監(jiān)測技術(shù)，該工作主要是從業(yè)挖掘機(jī)的油液情況來實現(xiàn)對挖掘機(jī)的在線監(jiān)測工作。當(dāng)挖掘機(jī)的油液中的顆粒雜質(zhì)超過一定的指標(biāo)參數(shù)時，即可以認(rèn)為挖掘機(jī)的工作性能受到了影響。該團(tuán)隊的研究成果為挖掘機(jī)在線監(jiān)測提供了新的方法，也為后來挖掘機(jī)的故障診斷提供了依據(jù)。三一重工集團(tuán)對挖掘機(jī)在線監(jiān)測技術(shù)也開展了大量的研究，經(jīng)過努力，研發(fā)出一款可以實現(xiàn)對挖掘機(jī)進(jìn)行在線檢測、數(shù)據(jù)處理、整體運行狀態(tài)調(diào)整的綜合在線檢測系統(tǒng)。近年來，挖掘機(jī)在線監(jiān)測技術(shù)雖然在國內(nèi)發(fā)展迅速，但與國外相比還是有很大的差距，在今后的技術(shù)研發(fā)上仍然要做出更多的努力。

3 故障診斷技術(shù)

故障診斷技術(shù)作為智能挖掘機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來也迎來了快速發(fā)展。

3.1 國外故障診斷技術(shù)

在國外，美國的特彼勒公司通過組織相關(guān)的技術(shù)人員對挖掘機(jī)的故障診斷分析技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，最終該公式研發(fā)出了一款可以實現(xiàn)對挖掘機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時，實時的搜集挖掘機(jī)作業(yè)關(guān)鍵參數(shù)的系統(tǒng)。當(dāng)搜集到相關(guān)關(guān)鍵信息后，系統(tǒng)內(nèi)部可以通過相應(yīng)的運算程序?qū)ν诰驒C(jī)的故障指標(biāo)進(jìn)行判斷，從而提出檢查故障以及排除故障的建議。該系統(tǒng)的實現(xiàn)可以幫助駕駛員在操作時，實時的對挖掘機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，有助于排除挖掘機(jī)的工作故障。美國捷爾杰公司研發(fā)的的Clear Sky系統(tǒng)，是一款可以幫助維修人員快速找到設(shè)備故障點位置的系統(tǒng)，一旦挖掘機(jī)的運行發(fā)生了異常，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的在線提供故障點位置，幫助設(shè)備維修人員進(jìn)行故障查找及排除，能夠有效的縮短設(shè)備維修時間和成本。

3.2 國內(nèi)故障診斷技術(shù)

在國內(nèi)，徐工研發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以在很大限度上實現(xiàn)對搜集到的挖掘機(jī)運行參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測，從而可以實現(xiàn)對挖掘機(jī)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷。幫助操作人員對挖掘機(jī)的整體工況和性能提出有效的故障排除。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用，極大的促進(jìn)了挖掘機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展。石家莊鐵道大學(xué)LI等[6]基于雙譜熵和深度置信網(wǎng)絡(luò)（Deep belief networks，DBN）技術(shù)，將二者進(jìn)行相結(jié)合，二者技術(shù)的相互融合可以有效的實現(xiàn)對液壓泵故障進(jìn)行預(yù)測，從而解決挖掘機(jī)上關(guān)鍵部件的故障排除工作。中南大學(xué)的HE[7]采用偏最小二乘回歸、模糊聚類和主成分分析的方法實現(xiàn)了對挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。該方法的有效性對排除挖掘機(jī)故障起到的極大的作用。此外，HE等基于動態(tài)主成分分析方法，對智能挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)開展了進(jìn)一步的研究工作，促進(jìn)了對液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢測的發(fā)展。綜上所述，大部分診斷方法只研究了單個故障，對多故障聯(lián)合發(fā)生的情況研究較少國內(nèi)工程機(jī)械在故障診斷領(lǐng)域雖然發(fā)展迅猛，但國內(nèi)設(shè)備主要針對單機(jī)現(xiàn)場監(jiān)控，在遠(yuǎn)程狀態(tài)實時監(jiān)測與故障診斷方面與國外差距較大，監(jiān)控核心裝備大部分依賴進(jìn)口。

4 現(xiàn)狀分析

通過以上分析可以看出，挖掘機(jī)在線監(jiān)測和故障診斷還存在以下問題：在線監(jiān)測系統(tǒng)主要針對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)，對其他系統(tǒng)研究較少;在線監(jiān)測參數(shù)類型單一，大多數(shù)在線監(jiān)測只是針對于某一類型，缺少對多參數(shù)的共同檢測;國內(nèi)遠(yuǎn)程故障診斷智能化程度低，雖然企業(yè)與客戶實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離故障診斷對接，但仍需工程師判斷故障并進(jìn)行維修，智能化程度有待進(jìn)一步提高。

5 結(jié)論

智能挖掘機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成極為復(fù)雜，它由多個子系統(tǒng)組成，短時間內(nèi)存在多個源故障并發(fā)的可能，導(dǎo)致多個子系統(tǒng)功能異常。因此，繼續(xù)推動挖掘機(jī)的在線監(jiān)測技術(shù)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展對推動智能挖掘機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

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[2]華正鋒、吳炳帥、張廣昌、李峻峰、仇珣. LY18微型挖掘機(jī)[J]. 機(jī)械設(shè)計，2020，v.37（S2）：332-332.

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[5]馮蕭. 基于WiFi和虛擬儀器的工程機(jī)械參數(shù)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2018.

[6]Li H，Tian Z，Yu H，et al. Fault prognosis of hydraulic pump based on bispectrum entropy and deep belief network[J]. Measurement Science Review，2019，19（5）：195-203.

[7]He X Y，He Q H，Xie X H，et al. Fault diagnosis of excavator hydraulic system based on partial least squares regression[J]. Journal of Central South University，2007，38（6）：1152-1156.