工程机械发动机在线监控系统的研究

李洪波

摘要：发动机作为程机械设备的核心部件结构极其复杂，且处于高温、高压、高速的环境中运行，发动机的故障率较高，故障的准确判断费时、费力，甚至部分微小故障可以造成发动机致命的损伤。基于上述原因，建立工程机械发动机在线监控系统，该系统基于该类型发动机的故障模式对发动机的关键特征参数进行采集、处理和分析，能够实现对发动机故障的判断与发动机内部小故障与小隐患，及时进行预防性维修，防止故障的扩大化，降低发动机的维修成本。采用该系统可以提高发动机运行的可靠性，增强发动机的预防性维修，提高发动机的使用寿命。

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.

关键词：发动机;故障率;在线监控;预防性维修

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

中图分类号：TP277                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）22-0031-05

0  引言

矿用工程机械所处的工作环境恶劣，动力装置是推进系统的核心装置，而发动机是动力装置的核心部件，它的可靠性直接影响设备的生产效率。当发动机出现故障后，往往需要花费大量的时间和人力去查找故障原因，特别是对某些本可以提早发现或者有明显征兆的小故障。由于没有及时发现发动机存在的问题，而酿成重大甚至是不可修复的故障[1]，使企业的运营成本增加。

1  发动机故障分析

本文以一种履带式推土机为例来说明该系统的工作方式，该发动机是一款四冲程、风冷、废气涡轮增压高速采油机，该型号发动机有12个缸，并且呈“V”型60夹角，额定功率432kW。

该型号发动机的主要故障模式如表1所示。

该型号发动机的各类故障出现率如表2所示。

在基本上能够保证反映发动机整体性能的前提下，选择了以下12个工作参数[2]：机身振动、气缸盖振动、发动机转速、空载功率、润滑油压力、柴油压力、供油提前角、油箱油位、进气温度、排气温度、气缸蓋温度、冷却水温度和润滑油温度，如图3所示。

根据发动机结构的特点，考虑工作环境等在设计预警系统时，主要监测以下内容：发动机缸盖处的振动、温度、应变。

方案采用实时监测发动机振动的变化以及对应测点附近温度变化来判断发动机故障。当振动幅值或频率产生突变时则有可能发动机产生故障，同时一旦摇臂、凸轮轴或者气门发生故障，将会使得发动机温度骤变。缸盖一旦应变超过设计理论范围则有可能导致缸盖产生裂纹，因此应变监测也是预警系统中重要一部分。

由于推土机所处工况振动、噪声大，现场测定噪声信号的频率范围，最终在监测系统中将该信号滤除。

2  总体架构

首先通过车载系统进行数据的实时收集与通讯;而后在监控中心中，实现发动机监控和故障诊断。因此，发动机监控与故障诊断系统主要由车载信息采集平台、车地无线通讯系统、远程监控中心三部分组成。发动机监控与故障诊断系统总体架构如图5所示。

2.1 车载信息采集平台

车载信息采集平台包括车载信息采集模块、数据远程传输模块、子系统总线和车载信息处理主机，其中车载信息采集模块主要由传感器组、数据采集板卡组成，实现对安装在设备上的发动机重要部位的传感器信号、各个功能子系统的控制数据，以及操作人员的操作情况等信息的采集;数据信息的打包与远距离通讯由数据远程传输模块完成;子系统总线用于系统内部将数据传输到车载信息处理主机;车载信息处理主机包括数据采集程序、数据打包和远程传输程序，完成各功能模块的调度管理和数据处理。此外，车载信息采集平台还包含定位模块，通过接收卫星的定位数据，解析出设备的地理位置、运行速度、运行方向等地理时空信息。

2.2 设备与地面的无线通讯系统

现有的无线通信技术发展极快，采用4G网络实现通讯，实现设备与地面的无线通讯系统，实时传输发动机监控系统的运行数据到监控中心。

2.3 监控中心

远程监控中心主要实现登录、监测对象设备管理、数据接收与解析、数据存储、数据分析、健康监测与故障诊断、故障报表的生成、故障信息反馈、历史信息和故障数据查找、故障数据信息共享等功能每台设备都拥有一个唯一的识别码，以此在远程监控中心中进行区分[3]。针对设备发动机的运行状态进行健康监测和故障诊断，当发现异常时及时报警，并进行故障部位和类型诊断，最后将信息通过无线通讯系统返回到各个设备的子系统，从而指导设备的故障排查。同时，远程监控中心将坦设备的监测诊断信息进行分发，为各级应用和服务平台提供各种共享信息，从而促进设备的科学运维管理。

2.4 各模块功能设计与工作流程

2.4.1 各模块的功能设计

数据采集模块主要实现发动机上关键部位传感器数据、工作信息等的实时采集，并进行调理、转换和发送。数据通讯模块，主要实现数据采集模块与总监控数据中心计算机之间的信息传输和交互。监测与报警模块，主要实现发动机关键状态参数的实时监测，当超过阈值时则进行报警。健康状态监测与异常检测模块，主要实现发动机整体运行状态的实时监测和健康评估，检测出坦克发动机出现的明显异常状况。故障诊断模块，当坦克发动机的健康状态出现明显异常后，进行故障诊断，识别故障部位、故障类型，分析故障原因。历史数据查询模块，可根据时间查询坦克发动机的历史运行数据和故障信息，并生成故障信息报表。

2.4.2 系统故障处理流程

3  发动机车载信息平台

3.1 振动监测（传感器技术指标）

振动监测选用1A603E高温压电式加速度传感器，该传感器具有高灵敏度、高分辨率、低阻抗电压输出、与地绝缘、抗干扰好等优点。

1A603E高温压电式加速度传感器技术指标如表3所示。

发动机环境恶劣，需要考虑传感器的防护，每个传感器需配备一个安装防护盒。

3.2 温度监测（位移传感器指标）

温度监测采用铂电阻温度传感器，主要监测发动机的温度，当温度出现异常升高，则可能出现故障。

①温度监测采用JCJ100TTPB型贴片式温度传感器，该系列传感器主要技术指标如表4所示。

②温度传感器的安装方法及注意事项：

1）根据传感器的数量，备齐包括附件的成套仪器和电缆，同时考虑适当备用量。根据设计施工要求，电缆接线作好编号和存档工作。

2）对于温度监测，采用螺纹固定，借用发动机固有的螺纹孔固定安装。

3.3 应变监测

实时监测缸体的强度，通过应变花监测主应力方向，便于分析缸体结构受力情况，当出现异常应力变化时及时报警。

应变传感器选用高温型焊接式應变片HKB120-3CA-T250（11）-G100，传感器由应变片、定位焊点、信号引出线组成，定位焊点用于固定应变片，信号引出线用于接入采集器终端，可根据不同的桥路方式使用不同的连接方法。

主要技术指标如表5。

4  网络传输解决方案

矿区现场为直径50km的圆锥形坑体，推土机是一直处于运动状态，普通的网桥方式因距离较远的原因搭建成本过高，综合考虑使用4G方式传输。

5  仪器解决方案

定制在线监测分析系统，采用独立分布式模块结构，支持4G通讯连接，支持选配各类型模拟量通道灵活组合，可完成加速度、温度、应变等各种物理量的采集。满足对大型结构的状态监测管理，为其运营管理、养护维修、安全和可靠性评估提供数据支撑。

应用范围：①IEPE通道，满足低频IEPE传感器信号的精确测量;②温度通道，可接各种热电阻（如铂电阻、铜电阻等）以及热电偶，满足温度测量;③应变通道，支持多种桥路方式，可完成全桥、半桥、1/4桥（120Ω三线制）状态应力应变的监测和分析;

功能特点：①可对工程机械、港口机械等的运营状况长期连续不断进行监控，多种类型采集卡可自由组合搭配，完成振动、温度等多种物理量的测试;②每通道需要采用独立电压放大器，A/D转换器，低通滤波器，抗混滤波器，消除通道间串扰影响，提高系统的抗干扰能力;③采用宽温型以及集成度高的器件，减小元器件数目，提高可靠性、易维修、易测试;保证仪器在低温下能可靠工作;④多采样频率可选，最高连续采样速率可达500Hz/通道;⑤先进的隔离技术和合理的接地以及抗雷击能力，使系统具有极强的抗干扰能力，用于各种工程现场的长期监测;⑥内置DSP实时处理芯片，所有数据均可根据现场要求，实时处理，对设备的运行状态提供有效的数据支持;⑦适合各类实验室、监控室等室内及标准机柜使用环境要求;⑧系统具备断网、断电自恢复能力，实时显示网络状态信息，系统内置看门狗保护，能够恢复断电、断网前的工作状态;⑨支持CMA3.0结构在线监测平台以及手机APP;⑩提供二次开发接口或根据用户标准协议定制，便于系统集成。

系统组成：采集系统与计算机通过以太网通讯，通过网络技术，可实现无限多通道扩展并进行采样，实时进行信号采集、储存、显示和分析等。

6  软件解决方案

结构在线监测软件基于B/S构架，数据库采用My SQL数据管理系统，集数据采集分析、图形显示、远程控制及数据管理于一体，界面简洁美观，操作方便，完整直观的显示结构健康监测内容。软件可以对结构的营运状况进行24小时不间断监控，利用计算机的存储空间记录结构的状态参数（包括振动、应力、应变、温度、压力等信息），当结构出现事故前兆或意外事件时，能够及时报警，并为了解事故现象和分析事故原因及造成的结构损伤提供可靠的数据支持。

7  系统功能架构

发动机监控系统的架构和逻辑层次上采用面向对象的分布式结构，自下而上依次分为5个层次，即发动机设备层、测量采集层、网络传输层、数据服务与功能应用层、表示决策层，如图11所示。

發动机设备层，即发动机需监测的结构设备，包括振动测点所在结构、温度测点所在结构及应变测点所在结构等。

测量采集层分为传感器层和数据采集层。传感器层，在发动机关键部位布置各类传感器，用于感知发动机结构设备的各类工作状态参数（振动、温度、应变）。数据采集层，即数据采集器，完成现场各类传感器信号的采集、预处理、分析处理、特征提取等功能。

网络传输层，设备监测及健康管理系统主要有两个数据传输网络，分别是港机设备测控网络和设备监测及健康管理系统网络。测控数据传输采用4G方式向设备监测及健康管理系统服务器进行报警信息推送。

数据服务层及功能应用层，主要完成系统应用层面的工作，包括信息管理、数据管理、在线状态监测、故障诊断、故障预测及维修管理决策等模块，数据管理模块对系统网络中的全部数据进行组织管理，包括实时数据库、历史数据库;在线监测模块通过实时监测港机设备结构的状态参数，实现数据分析结果、统计结果、预测振动结果、维修保障的人机交互和终端显示;故障诊断模块对采集的实时数据进行分析，诊断和定位故障。故障预测模块根据实时历史数据，实现故障的预测;维修管理模块在在线监测、故障诊断模块、故障预测模块的基础上，实现多要素综合维修决策，形成最佳维修策略。

表示决策层，主要实现用户的统一接入认证、登录、信息浏览、系统维护管理、维修决策制定等功能。对于监控室指挥员而言，主要是实时获取推土机现场设备的状态参数、统计图表、及处理应急事件等功能;对于系统维护人员而言，主要实现系统参数及功能配置、软件系统升级、查询历史状态数据、分析诊断故障等;对于维修管理人员来说，主要实现制定维修计划、组织实施维修及更新维修记录等功能。

8  结论

基于发动机故障的准确判断以及预防性维修所建立工程机械发动机在线监控系统经过实践，该系统基于该类型发动机的故障模式对发动机的关键特征参数进行采集、处理和分析，能够实现对发动机故障的判断与发动机内部小故障与小隐患，及时进行预防性维修，防止故障的扩大化，降低发动机的维修成本。采用该系统可以提高发动机运行的可靠性，增强发动机的预防性维修，提高发动机的使用寿命。

参考文献：

[1]屈梁生.机械故障诊断学[M].上海：上海科学技术出版社， 1986.

[2]乔卉卉.挖掘机远程状态监测与故障诊断系统研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2016.

[3]常剑，高明.基于相似性建模的发电机组设备故障预警系统[J].机电工程，2012，29（5）：576-579.