（机械工程专业论文）核应急救援作业车故障诊断仪研究与设计.pdf

中文摘要 国内核应急救援技术的研究中，王天运研究员基于国内外聚合物压制和剥离 去污技术最新科研成果的基础上，于1 9 9 4 年提出了“剥离型膜体压制去污技术 。 剥离型压制去污技术中，主要的作业机械包括喷洒车和回收车。本文首先介绍了 两种类型作业车的系统结构、功能用途，在此基础上分析整理了作业车的常见故 障类型，并以虚拟仪器和故障诊断技术为基础，从诊断仪的硬件设计和软件设计 方面，对诊断仪的设计过程进行了系统研究。 硬件方面首先分析介绍了诊断仪硬件方案和诊断仪的硬件选型，然后对介绍 的硬件方案进行分析比较，最终选用深圳步科公司的m t 4 4 0 4 t e 触摸屏作为开 发平台。由于喷洒车和回收车的系统构造不同，喷洒车控制系统相对较复杂，部 分传感器参数没有传送到车载控制系统，因此诊断仪对喷洒车的故障诊断仪结果 不够充分，还需对喷洒车的剩余传感器参数进行分析处理。 为了更准确的检测喷洒车的运行状况，在不改变原系统硬件连接的条件下， 单独对喷洒车的其余传感器进行布线连接，并采用u s b 7 6 6 0 采集卡获取传感器 信号参数，经过数据采集卡的信号调理、放大及a d 转换处理后，转变为计算 机所能识别的数字信号，然后采用虚拟仪器技术分析处理获取的传感器信号，将 分析结果为喷洒车的故障诊断提供判断依据。本文系统的介绍了喷洒车温度和压 力数据检测系统，并采用l a b v i e w 软件开发了喷洒车温度、压力传感器的数据 检测平台。为了验证数据检测平台的可靠性，以p c 6 2 2 5 采集卡采集某型车床的 温度传感器信号进行试验，结果表明温度检测系统设计可靠。 软件方面分析了故障诊断仪的软件系统结构，主要完成了人机界面设计和故 障诊断程序设计。人机界面设计采用组态软件e v 5 0 0 0 ，故障诊断程序设计采用 组态软件的宏指令编程。宏指令是一种高级的触摸屏控制方法，它使触摸屏的功 能更加强大，通过对宏指令的编程，触摸屏可以具有同p l c 一样的逻辑和算术 运算功能。故障诊断程序设计完成后，在计算机上进行预编译调试，测试每一个 功能按钮所对应的宏指令程序，所有程序模块经测试无错误后，进行作业车的实 装诊断测试，并对整个系统设计进行完善。 最后分析了系统软硬件的测试方法，总结了论文研究所取得的成果，提出了 今后需要进一步完善的建议。 关键词：故障诊断，虚拟仪器，数据采集，人机界面，宏指令 a b s t r a c t t h r o u g h o u tt h ed o m e s t i cr e s e a r c ho nn u c l e a re m e r g e n c yr e s c u e ，r e s e a r c h e r w a n gt i a n y u n , w h op u tf o r w a r di n19 9 4t h ep e e l e d u pc o a t i n gp r e s s i n ga n d d e c o n t a m i n a t e dt e c h n o l o g yo nt h eb a s i so ft h el a t e s tr e s e a r c hf u n d i n g so np o l y m e r s u p p r e s sa n ds t r i p p i n gd e c o n t a m i n a t i o nt e c h n i q u e ，i nw h i c hs p r a y i n gc a ra n dr e c o v e r y c a rw e r ei n c l u d e da sm a i ne q u i p m e n t t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h es t r u c t u r e sa n d f u n c t i o n so ft w oo p e r a t i o n a lc a r s ，a n do nt h a tb a s i sc o l l e c t e da n da n a l y z e dc o m m o n f a u l tt y p eo ft h ec a r s t h e no nt h eb a s i so fv i r t u a li n s t r u m e n ta n df a u l td i a g n o s i s t e c h n o l o g y , i td e t a i l e dt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ef a u l t d i a g n o s i si n s t r u m e n t a st ot h eh a r d w a r e ，t h e r ew e r ei n i t i a l l yt w os e t so f d e s i g ns c h e m e sa n dh a r d w a r e m o d e l s a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n , t h em t 4 4 0 4t o u c hs c r e e nf r o mb u k e c o m p a n yi n s h e r m h e nw a sc h o s e na s d e v e l o p i n gp l a t f o r m b e s i d e s ，d u et ot h e s t r u c t u r a ld i f f e r e n c e sb e t w e e ns p r a y i n gc a ra n dr e c o v e r yc a r , w i t ht h ef o r m e rm o r e c o m p l i c a t e dt h u sp a r to fp a r a m e t e rn o tt r a n s m i t t e dd i r e c t l yt ot h ee a rc o n t r o l l i n g s y s t e m , t h ed a t af r o mc a ra n di n s t r u m e n tw e r e n tc o m p l e t e i no r d e rt oi n s p e c tt h er u n n i n gs t a t eo fs p r a y i n gc a rm o r ea c c u r a t e l y , t h ep r o j e c t i n d e p e n d e n t l yw i r e dt h es e n s o r s o i ls p r a y i n gc a rw i t h o u tc h a n g i n gt h eo r i g i n a l h a r d w a r es y s t e m ，a n dc o l l e c t e dp a r a m e t e rf o r ms e n s o r sb ym e a n so fu s b 7 6 6 0 a c q u i s i t i o nc a r d t h e nt h ep a r a m e t e r , a f t e rs i g n a ld i s p o s a l ，a m p l i f i c a t i o na n da d c o n v e r s i o n , t u m e di n t od i g i t a ls i g n a lt h a tw a sr e c o g n i z a b l ef o rc o m p u t e ra n dw a s p r o c e s s a b l eb yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ed e t e c t i o ns y s t e mo fs p r a y i n g ，a n du s i n gl a b v i e ws o r w a r ed e v e l o pd a t a d e t e c t i o np l a t f o r eo fs p r a y i n gv e h i c l et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es e n s o r i no r d e rt o v e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h ed a t ad e t e c t i o np l a t f o r m ，a n dd oat e s t 埘t hac e r t a i nt y p eo f l a t h et e m p e r a t u r es e n s o rs i n a ib yp c i 一6 2 2 5a c q u i s i t i o nc a r d ，t h er e s u l ts h o wt h a t t e m p e r a t u r es y s t e md e s i g ni sr e l i a b l e a st ot h es o f t w a r ep a r t , t h ep a p e rp r e s e n t e dt h es o f t w a r es y s t e mo ff a u l t d i a g n o s i si n s t r u m e n t , i n c l u d i n gd e s i g no fm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n df a u l td i a g n o s i s p r o g r a m c o n f i g u r a t i n gs o r w a r ee v 5 0 0 0w a sa d o p t e dt od e s i g nm a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，w h i l e m a c r o i n s t r u c t i o n a l p r o g r a m m i n gw a su s e di n f a u l t d i a g n o s i s p r o g r a m m a c r oi n s t r u c t i o ni sak i n do fa d v a n c e dt o u c hs c r e e nc o n t r o l l i n gm e t h o d ， w h i c hm a k e st o u c hs c r e e nm o r ep o w e r f u la n de n a b l e st o u c hs c r e e nt of u n c t i o nw i t h i i t h es a m el o g i ca n da r i t h m e t i ca sp l cd o e s a f l e rt h ec o m p l e t i o no ff a u l td i a g n o s i s p r o g r a m m i n g ，i ts h o u l db ed e b u g g e do nc o m p u t e r , t e s t i n ge v e r y f u n c t i o nb u t t o n r e l a t e dt oam a c r o i n s t r u c t i o n a lp r o g r a m ，a n db ea p p l i e dt oo p e r a t i o n a lc a rf o r d i a g n o s t i ct e s t sw h e n a l lt h ep r o g r a mm o d u l ea l ec o r r e c t a tp r e s e n t ，t h ep a p e rh a sa l r e a d yc o m p l e t e dm o s to ft h ed i a g o n s i t ca p p a r a t u so f t h ed e s i g nw o r k ，t h en e x ts t e pi st oa c h i e v et h ew o r ko fd i a g n o s t i ce q u i p m e n to n l i n e f a u l td e t e c t i o na n ds y s t e mi m p r o v e m e n t i no r d e rt oa d a p tt oam o r ec o m p l e xt e x t d i a g n o s t i ce n v i r o n m e n t ，d i a g o n s t i ce q u i p m e n ta l s o n e e dt op e r f e c tt h e i re x p e r t k n o w l e d g es y s t e m ，c o m b i n e de x p e r ts y s t e m s a n df u z z yn e u r a ln e t w o r k , f u r t h e r i m p r o v et h ed i a g n o s t i ci n s l r u m e n tf a u l td e t e c t i o na c c u r a c ya n dc o m p r e h e n s i v e n e s s c a p a c i t y k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，v i r t u a li n s t r u m e n t d a t aa c q u i s i t i o n , m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，m a c r oi n s t r u c t i o n i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 本学位论文课题来源于某研究所和武汉理工大学的合作项目“核应急救援 作业车故障诊断仪研制 。 1 1 1 课题背景 目前，防化部队、反恐组织及核应急救援分队等多个单位配备了三所研发 的核事故应急救援装备，主要包含喷洒作业车和回收作业车。日常的核应急救 援训练中，由于作业装备的复杂构造及装备管理人员技术水平的参差不齐，导 致装备使用中时常发生各种随机故障，严重影响了装备的使用效率。为此，开 发一种快速检测作业车故障及提供作业车技术保养的检测分析仪器十分必要。 本课题就是针对配备某防化部门的喷洒车和回收车开发的一套故障检测分析设 备，该设备集成了数据采集、数据处理、数据库、故障评定和输出显示等功能， 可实现喷洒车和回收车的在线故障检测与分析，提高作业车的日常维护管理水 平。 1 1 2 研究意义 在剥离型大面积压制去污训练中，核应急救援作业车故障诊断仪课题的研 究，不仅解决了核应急救援装备的维护管理现状，还具有一定的军事效益和实 用价值。其课题研究意义具体表现在以下几方面： ( 1 ) 剥离型大面积压制去污训练体系中，主要训练装备包括喷洒车和膜体回收 车，由于两种作业车的复杂构造、繁杂的操作流程及操作人员的维护管理水平 等客观因素，经常导致装备使用中发生各种随机故障。通过本论文的研究，可 以实现两种作业车的快速在线故障检测，并及时排除作业车的可能或存在性故 障，进而确保核事故应急救援任务的顺利展开。 ( 2 ) 作业车故障诊断仪的研制，可以减少训练中突发事故的发生，降低突发 性故障，更好地应用于核化部队的建设中，同时可实现设备维修由盲目的定期 武汉理工大学硕士学位论文 维修，向科学化的预维修检测转变，在保证设备运行安全与可靠地前提下，减 少不必要的停车故障检测，提高核应急救援装备的利用率。 ( 3 ) 本论文完成了作业车故障诊断仪的软硬件系统设计，并介绍了设备故障 诊断、数据采集及数据处理等技术。通过作业车故障诊断仪的研究，对其它类 型机械设备的故障检测系统具有借鉴意义。 1 2 故障诊断技术概述 1 2 1 机械故障诊断技术 机械故障诊断技术( m a c h i n ec o n d i t i o nd i a g n o s i st e c h n i q u e ) 简称c d t ，是近 年来兴起的一门涉及多学科的综合诊断技术。它的基本原理是通过对机械、电 子、电气等设备运行时所产生的各种数据信号，包括振动、噪声及电信号的分 析来判断机械设备的运行是否正常，如果出现故障，则根据这些电信号来找出 设备故障的原因，并采取相应的处理【l j 。 故障诊断技术是现代工业迅速发展的产物，早在2 0 世纪6 0 年代，英、美、 日等国在航空、航天等军事领域建立了故障预防机构，并经过数十年的发展， 已经取得了突出成果。由于我国的工业发展速度缓慢，在故障诊断技术方面的 研究较晚，因此到1 9 7 9 年才初步接触故障诊断技术。正是故障诊断技术发展存 在巨大的经济效益，世界各国才逐渐重视故障诊断技术方面的研究。在诊断技 术发展初期，人们只是采用直观的故障检测方法，如观察法，经验法判断，可 是该方法只能够解决一些简单机械的故障问题。为了更进一步适应系统繁杂的 机械设备，人们开始将各种传感器与仪表检测技术逐渐应用于故障诊断技术中， 从而使设备故障诊断技术发展到一个新的历史高度【3 。 随着计算机技术的普遍应用，计算机技术开始应用于设备故障检测系统中， 逐渐形成了计算机诊断与故障监测系统。该系统利用传感器获取设备参数信息， 并采用接口通信技术将其输入到计算机进行处理，从而实现对机械设备的故障 监视和预测，并通过检测结果提供预知性维修依据【4 9 1 。虽然这项技术在实际应 用中产生了巨大的经济效益，但现存的计算机辅助检测与诊断系统仍存通用性 差、知识获取能力弱等问题，为了克服计算机辅助检测系统的上述缺点，人们 还在计算机辅助检测系统中引入了人工智能技术。 机械故障诊断技术经过几十年的发展，尤其是现代数学、信息科学的强大 2 武汉理工大学硕士学位论文 渗透，计算机技术及电子技术的广泛应用，使得诊断技术发展到了较高的水平， 并推动其向以下几方面发展【2 】： ( 1 ) 故障诊断设备的自动化、智能化水平进一步提高。 ( 2 ) 故障参数的时频谱分析技术，如光谱分析、噪声分析核机械设备振动分 析等技术，这些技术使得故障诊断技术更具工程特色。 ( 3 ) 虚拟仪器与诊断技术的融合。即首先获取机械设备的动态运行参数，利 用虚拟仪器技术进行分析处理，分析处理后所得到的波形数据，可作为设备故 障诊断的有效理论依据。 1 2 2 汽车故障诊断技术 1 汽车诊断技术的发展 汽车诊断技术技术是指利用仪器设备对汽车进行性能测试和故障检查及排 除的方法和手段，它能够快速的确定汽车的运行状态和故障产生部位及原因， 并可在汽车或总成不解体的情况下，快速的确定汽车技术状况及故障原斟3 1 。它 主要为汽车的合理使用、正常维护和及时修理提供科学依据。随着汽车工业的 迅猛发展，其技术性能和功能结构复杂程度也随之增加，为了进一步满足用户 对汽车高可靠性和安全性的要求，很有必要研制一种仪器设备，用于检测汽车 系统的运行状况和故障信息。汽车故障诊断技术正是在此背景下发展起来的， 它是一门综合性技术，它涉及了现代控制理论、计算机技术、信号处理、人工 智能以及相关应用的多门学科 4 1 。 2 汽车故障诊断仪 汽车故障诊断法是在汽车管理和维修的基础上发展起来的一种新型诊断方 法，它是指汽车在不解体的状况下，利用测试仪器、检测设备及检验工具，获 取整车、总成或机构运行时的动态参数、曲线和波形信息，为分析判断汽车性 能而提供理论依据的一种科学诊断方法。 汽车故障诊断仪是一种用于汽车故障检测的智能型故障分析仪器，它在汽 车维修中起着非常重要的作用。在汽车故障检测时，首先将故障诊断仪与汽车 相连接，然后利用诊断仪内部的电子控制系统分析汽车技术性能，其诊断电子 控制系统含有传感器、执行器及e c u ，通过判断e c u 输入、输出电压是否在规 定的范围内变化，即可判断电控系统是否正常。当电子控制系统中某一电路信 号出现错误时，该电路及相关传感器反映的故障信息以故障代码的形式存储到 e c u 中，这时维修人员可通过显示屏读取故障信息，迅速确定故障发生的原因 武汉理工大学硕士学位论文 及部位。汽车故障诊断仪一般具有如下功能：读取故障码，清除故障码，波形 分析及基本设定等；安全登录及电脑编程及其他辅助功能m 】。 目前市场上的各类汽车故障诊断仪结构基本相似，主要由主机、测试卡、 显示屏及接口电缆等组成。如北京联拓众为科贸有限公司研发的一款功能强大 的汽车故障诊断仪，如图1 1 所示，它不仅采用大尺寸、真彩及触摸屏，还具有 如下智能特点： 无线诊断：l 9 0 汽车故障诊断仪 采用无线诊断技术进行数据传送和 接收，实现无线有线自由结合。主机 上带有无线通讯模块，可实现与 c o m b o x 的无线通讯，从而实现无 线诊断。此种技术为测试人员提供了 极大地选择性，即坐在办公室可完成 对车辆的诊断与测试。 图1 1l 9 0 故障诊断仪 无线扩展：l 9 0 汽车故障诊断仪基于w m d o w s 平台下实现诊断，因此它的 可扩展性十分强大，可以在多语言环境下使用，可满足不同国家和地区使用。 - 无线兼容：l 9 0 汽车故障诊断仪可通过主机上的接口连接示波器、发动机分 析仪及四轮定位仪等检测设备，实现发动机波形分析、发动机点火分析、传感 器模拟测试等多种功能集成一体。 - l 9 0 汽车故障诊断仪将汽车维修资料查询，汽车维修档案，汽车维修帮助及 远程协助等功能集成于一体，即可实现人机的智能对话，此外还通过连接投影 仪，打印机等设备轻松开展教学演示、企业管理、客户管理及技能提升等工作。 无线升级：l 9 0 汽车故障诊断仪将内置网卡，同时支持无线网卡。随时随 地可通过互联网进行升级，用户可以直接使用l 9 0 方便地上网，从网上下载并 升级诊断软件，为用户带来了极大地方便性和时效性。 1 3 汽车故障诊断仪国内外现状 1 3 1 国外发展现状 从2 0 世纪4 0 年代起，工业化发达国家就已经出现了以汽车故障诊断和性 能测试为主的新式故障检测技术。早起的故障检测设备主要依靠机械系统为主， 4 武汉理工大学硕士学位论文 随着机电体化新技术的出现，国外故障检测技术得到迅速发展。为了进一步 适应功能复杂的汽车系统，人们开始将光学、声学、电子技术及信息科学等应 用于汽车故障诊断，如非接触式车速仪、车轮定位仪等都是该技术下的新式检 测设备。 汽车故障诊断技术经过5 0 多年的发展，到了2 0 世纪9 0 年代所推出的汽车 诊断设备具有如下特剧1 0 l ： ( 1 ) 采用随车微处理器接受信息，可凭借汽车外的计算机辅助系统进行分析， 具有先进的检测功能： ( 2 ) 汽车专家故障诊断系统，即诊断仪中植入熟练的汽车维修人员知识。其 诊断原理是将熟练的汽车维修人员知识转换为计算机程序并存储于诊断仪 e c u 。 ( 3 ) 诊断仪提供了详细的数据及技术信息，方便用户与维修厂家、制造厂家 的联系。 到了9 0 年代初期，随着汽车诊断技术的进一步发展，国外汽车公司相继开 发出各种汽车故障诊断仪，如德国b o s c h 公司开发的v a g 1 5 5 1 2 5 5 2 汽车诊 断仪，不仅能快速读出汽车系统的故障和清除故障的代码，还可显示发动机的 工作性能，为分析汽车发动机性能提科学的判断依据。此外，德国奔驰公司于 1 9 9 8 年还推出一款新型智能诊断仪s t a rd i a g n o s i s ，它综合应用了诊断辅助系统、 便携式视窗版诊断仪及车间信息系统等多种功能，从而为奔驰车系诊断提供了 一套完整的检测工具。目前，国外汽车诊断仪逐渐采用各种自动化综合诊断技 术，即不断完善汽车专家库知识系统，增加诊断项目难度、扩大诊断范围及声 响和振动诊断技术，使汽车诊断技术逐步采用“智能化、自动化、网络化”的 诊断方式，提高对功能复杂汽车的故障诊断和分析能力。 1 3 2 国内发展现状 我国汽车诊断技术起步较晚，到了2 0 世纪6 0 年代才开始汽车故障检测与 诊断技术的研究，由于国内计算机技术比较落后，国产汽车没有应用微机控制 系统，使得汽车诊断技术发展较为缓慢，因此车外诊断目前是我国汽车诊断技 术的主流方向。到了2 0 世纪8 0 年代，我国汽车诊断技术产生了革命性变化， 开始应用计算机辅助诊断技术，把分散的专家知识整合成共享的知识库，从而 开发出具有智能特定的汽车故障诊断专家系统。到了2 0 世纪9 0 年代，我国汽 5 武汉理工大学硕士学位论文 车故障诊断技术发展已相对成熟，如侧滑试验台、制动试验台以及发动机故障 诊断仪等。 随着汽车诊断技术和仪表技术的发展，汽车故障检测设备也向多功能综合 化和自动化的方向发展，同时汽车诊断仪也趋向于轻量化、小型化和智能化方 向发展。如远征的“电眼睛和金德的k 6 汽车故障诊断仪都是较早的汽车故障 检测设备1 6 j 。 金德“k 6 手提式解码器在国内首先采用了先进的快闪存储技术，免插卡 式设计、高度集成可反复擦写大量快闪内存，支持c g a 图形显示模式，界面猜 到及操作流程设计完全符合人的思维习惯。此外，一种既能检测汽车故障，又 能指导维修人员对故障进行维修的仪器，而且备有各种车系专用的o b d 、o b d i 、o b d 一三大系统诊断标准的专用电缆线、插头，不仅可快速读出汽车 故障代码，还可进行数据流分析、元件测试及开关信号测试，从中查找出故障 发生的部位及原因，从而成为一套科学合理的汽车故障检测设备。 1 4 本文的研究内容和论文安排 1 4 1 研究内容 本论文的主要任务是研究与开发一套故障检测分析仪器，实现喷洒车和回收 车的快速故障检测分析。具体研究内容如下： ( 1 ) 故障类型分析 通过理论分析和实际操作的形式，分析装备使用过程中产生的各种故障， 并从装备设计、操作规程和硬件损害等方面分析故障产生原因，研究如何通过 车载检测传感器及外设装备准确体现故障分类。因此故障类型分析是作业车故 障诊断仪研制的前提条件。 ( 2 ) 作业车故障诊断仪总体设计 剥离型压制去污作业装备主要包括喷洒车和回收车，回收车的控制系统比 较完善，主控板包含了绝大传感器信号参数，可以充分利用车载控制器的通信 功能，完成装备检测参数的提取。喷洒车控制系统相对比较复杂，部分检测参 数没有传送到车载控制系统。综合考虑故障诊断仪购买方需求和作业车自身控 制系统特点，本文介绍分立式故障诊断仪和多功能故障诊断仪两种方案。为了 不改变作业车原有的系统硬件，课题最终采用多功能故障诊断仪设计方案，即 6 武汉理工大学硕士学位论文 首先对喷洒车的其余传感器进行布线连接，然后利用数据采集卡采集来自喷洒 车的传感器信号，再通过l a b v i e w 软件对所获取的信号进行分析处理，其分析 结果作为喷洒车技术性能的判断依据。 ( 3 ) 诊断仪软硬件系统设计 作业车故障诊断仪的软件设计包括故障诊断程序和人机界面设计两部分。 其中故障诊断程序采用基于主控模块、参数处理模块和通信模块的模块化设计 思想，人机界面包括诊断初始界面、装备选择界面、诊断结果输出界面和数据 存档等。 诊断仪的硬件系统设计包括硬件选型和喷洒车信号处理系统。其中硬件选 型是搭建作业车故障诊断系统平台的硬件：喷洒车信号处理是指传感器信号采 集、分析处理和存储等，其信号分析所得的波形、数值等结果，可作为喷洒车 整体技术性能的判断依据。论文重点研究如何利用虚拟仪器技术开发喷洒车数 据检测系统平台。 ( 4 ) 诊断仪系统通信 通过对作业车故障类型分析可知，车载参数检测系统是分析故障类型的根 本。在开发作业车控制系统时，已集成了参数检测系统，所以参数信号采集的 关键是车载控制系统与故障诊断仪的数据通信；由于装备型号较多，车载系统 不统一，对参数信号的传输带来了诸多难题。论文对比分析了u s b 通信、串口 通信、和以太网通信方式，且经过课题期间的数据通信实验，最终选用以太网 实现诊断仪与作业车控制面板的数据通信，解决了改变车载控制系统硬件的难 题。 1 4 2 论文安排 论文的具体章节安排如下： 第一章阐述课题的背景和意义，概括性的叙述了故障诊断技术、数据采集 技术及作业车故障诊断仪的国内外发展现状，并指出了本文的研究内容。 第二章从核应急救援作业车的工作原理和技术出发，分析作业车的功能组 成和常见故障类型及排除方法，初步拟定两种诊断仪设计方案，且经过分析比 较确定最终设计方案，同时也介绍了诊断仪的系统开发工具及故障诊断仪的设 计要求。 第三章主要分析了几种常用故障诊断方法及机械设备故障诊断流程，并完 7 武汉理工大学硕士学位论文 成诊断仪硬件系统的总体设计，主要包括系统硬件选型、诊断仪数据通信及喷 洒车数据采集系统的设计。 第四章主要分析了诊断仪的人机界面及诊断程序的开发工具，进行作业诊 断仪的故障诊断界面设计和故障诊断程序编写，且分别以喷洒车和回收车的人 机界面和故障诊断程序设计为例，阐明了核应急救援作业车的故障诊断过程。 第五章对本文所做的工作进行总结和展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章作业车故障诊断仪总体设计方案 2 1 核应急救援作业车概况 某研究所自1 9 8 7 年展开核事故应急救援技术研究以来，不断总结国内外聚 合物压制和剥离去污技术的最新科学理论成功，终于在1 9 9 4 年提出了“剥离型 膜体压制去污技术 处置与消除放射性现场的放射性沉降物【7 1 。该技术采用专用 喷洒设备将压制去污剂均匀的喷洒于核污染区域，这时去污剂可将地表上的放 射性颗粒吸附包裹，随着去污材料溶剂的蒸发和铰链反应，压制去污剂与放射 性粒子逐渐形成了具有一定力学性能的放射性膜体废物【3 7 】，然后利用专用回收 作业机械剥离膜体并远离现场，从而达到压制去污的目的。 目前，在剥离型大面积压制去污作业中，主要的作业装备包括喷洒车和回 收车。由于两种作业车自身的复杂控制系统及操作流程，经常导致训练装备在 作业中出现各类型随即故障。就喷洒车而言，其喷洒系统和清洗系统中含有大 量的传感器、变频器等机械部件，用于检测喷洒车的流体压力、管道流量及车 速等，一旦某个部件出现故障，均可能导致喷洒作业车的作业故障；此外，防 化部队、反恐组织等多个单位配备了核应急救援装备，由于装备操作流程复杂， 加上装备管理技术人员水平的层次不齐，导致了装备使用过程中时常发生各种 故障；这些随机故障均严重影响着作业车的使用效率。为此，本论文以设备故障 诊断技术为基础，提出核应急救援作业车故障诊断仪的课题研究。 2 1 1 喷洒车概况 2 1 1 1 功能及用途 喷洒车是一种用于野外大面积放射性污染或粉末颗粒状化学污染和近地空 气中微尘的专用作业机械。该车可实现大流量在线均匀混合、喷洒双组份、高 粘度的压制去污材料的专用压制去污作业准备【1 5 】。主要功能包括： ( 1 ) 高粘度液体的自动上料； ( 2 ) 高粘度、大流量液体的均匀混合； ( 3 ) 压制去污剂地面均匀布洒； 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 压制去污剂地面喷洒与高考喷射功能转换，并实施高空喷射与远程喷射； ( 5 ) 罐体、管道的循环清洗与排空； ( 6 ) 反应釜的加热保温功能； ( 7 ) 车载发电机自启动与控制关闭。 2 1 1 2 喷洒作业车组成 喷洒车是剥离型压制去污训练中的重要作业机械之一，主要用于压制去污 剂的组份比混合、高粘度混合液的输送以及放射性污染区域的均匀喷洒。喷洒 车具备地面喷洒和高空喷洒两种功能，在地面喷洒时，利用喷洒车的尾部喷洒 管路喷洒已经混合的压制去污剂：高空喷洒作业时，需要将汽车定位于某地， 然后利用喷洒车配置的高压喷枪将压制去污剂喷洒至污染区域，从而压制覆盖 喷洒车无法无法进入或需远距离喷射的污染区域。 喷洒车由行驶与承载部分、操作控制、喷洒系统和清洗系统等部分组成， 其中喷洒系统是整个喷洒车的核心部分，主要由动力系统、输送增压系统、在 线混合系统和均匀布洒机构构成，该系统的技术性能直接影响着压制去污剂的 喷洒效果及膜体的力学性能，因此对作业车喷洒系统的故障检测分析显得十分 必要。其喷洒车系统结构组成如图2 1 所示： 2 1 2 回收车概况 图2 1 喷洒作业车系统组成 2 1 2 1 功能用途 回收车是剥离型大面积压制去污训练中的重要作业机械之一。回收膜体过 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 程中，首先采用喷洒车将压制去污剂喷洒于放射性污染区域，压制去污剂与放 射性颗粒吸附粘结。随着去污剂材料的蒸发和铰链反应，逐渐形成具有一定力 学性能的放射性膜体废物，待粒子成膜稳定后，回收车主要围绕膜体的剥离、 输送、切割、压缩、卸载动作进行剥离回收，从而达到压制放射性颗粒进行去 污的目的。 2 1 2 2 系统构成 回收车组成系统包括：液压系统、回收系统、气动系统、照明系统、警示 系统、视频与控制系统。其中回收系统是整个回收车的核心，主要包括：纵向 切割机构，膜体剥离机构、膜体输送机构、横切机构、压缩机构、自动打包机 构及侧卸机构。其回收车系统组成如图2 2 所示： 回收车 l 士 0士 l 液压系统气动系统回收系统照明系统 视频与控制系统 l liiiill 纵 膜膜自 向体体横 压 动侧 切剥输切缩打卸 割离送机机包机 机机机构 构机构 构构构构 图2 2 回收车系统结构 2 2 作业车常见故障类型分析 2 2 1 喷洒车故障类型分析 在剥离型大面积压制去污作业中，喷洒车由控制系统、动力系统、循环供 料系统和混合布洒系统等组成，这些系统模块相辅相成，共同实现喷洒车的作 业功能，任一系统模块出现故障，均可导致喷洒车的报警或停止工作。其常见 故障类型分析如表2 1 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 喷洒车故障类型分析表 故障部位 故障现象故障原因故障排除 检测仪连接无数据控制系统主机板损坏或通讯端口 更换损坏零件 传输 损坏 接线接触不良或脱落检查连接导线 流量计上电无显示 流量计电路损坏返场修理或更换 流量计示值异常流量计内不测量单元清理流量计内部 压力传感器无示值接触不良或损坏 检测连接或更换 液位传感器无信号接触不良或损坏 检查连接或更换 液位传感器长期示 液位传感器浮球被卡住或粘住清理浮球和滑杆表面污物 值不变 控制系统 接触不良或脱落检查连接线 温度传感器电路损坏返修或更换 温度传感器上电无 旋转整流器烧坏 示值 转自线路断线 维修或更换 发动机线路烧坏 主绕组，励磁机绕组线圈烧坏厂家 电源缺相，负荷不平衡 检测线路，平衡负载 有负载时，电压降低 电源电压不对或过低 使电压正常 很多 过热保护器动作降温。手动方法检查阀门 电机进相电容损坏或马达损坏 更换电容或本体 加热棒或循环泵电缆断开连接固定电缆连接 导热油温较低，加热 加热棒损坏更换器件 温度不变 循环泵损坏 更换器件 循环供科 球阀不转动或转动球阀电动机连线脱落 连接线路接头 系统 不到位报警球阀内部粘附污物球阀拆卸后粘附清理污物 高空喷射或地面喷 管路部分区域有残余固化剂 拆卸后清理污物 洒量少 混合布洒高空喷射距离近高压喷枪内部堵塞 拆卸混合器，清理内部 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统残留物 混合气栅栏堵塞 布洒量小，不能满足 均匀布洒器堵塞 作业要求 管路部分区域有沉积拆卸后清理污物 布洒不均匀个别喷头堵塞 拆卸喷头，清理内部残留物 2 2 1 回收车故障类型分析 回收车是集成于液压系统、动力系统、控制系统及回收系统等多个控制系 统于一体的作业机械，其回收系统是整个回收车的核心系统，主要包括纵向切 割机构，膜体剥离机构、传送机构、横切机构、压缩机构、自动打包机构及侧 卸机构，由于回收系统机械结构繁多，控制系统复杂，产生回收车随机故障的 概率较大，同时回收系统的工作状态也决定着膜体废物的回收效果。因此，回 收车故障诊断的主要研究对象是回收系统的故障检测分析。下面主要对作业车 回收系统的故障类型加以分析和整理，其故障类型分析表如2 2 所示： 表2 2 回收车故障类型分析表 故障对象故障现象故障原因检测方法 传感器故障点触传感器观察反映 传感器各传感器无反馈信号 数据线故障检测线路连接和导通 下切压力过小 检测气泵至气缸间气路密 纵切机构 下切不到位或无动作 气路或气缸漏气 闭性或检测气缸密闭性 收起不到位或无动作 剥离回收同步性差张紧弹簧脱落 剥离回收 膜体张紧角度不灵敏传感器位置不正或被遮盖目测且进行调整或更换 机构 辊组转速过低或不转液压马达故障 二级传送机构无动作、不到位 传送机构液压马达故障拆卸检修 机构无法传送 横切机构无法运动电机故障或丝杠卡滞目测 横切机构 横向切刀不运转电池亏损或卡膜检测电路或调整 弹包或弹包复位无动作液压马达故障拆卸检修 弹包机构 弹包或弹包复位不到位位置限定机构卡损目测 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 气路漏气检测气泵至气缸间气密性 布包机构布包或布包复位无动作气缸漏气检测气缸密闭性 位置限定机构卡笋 目测 压缩或压缩复位无动作液压马达故障拆卸检修 压缩机构 压缩或压缩复位不到位位置限定机构卡损目测 封包或封包复位无动作气路漏气检测气泵至气缸间气密性 封包机构 封包或封包复位不到位气缸漏气检测气缸密闭性 挡板打开或挡板复位无动作气路漏气、气缸漏气或位置 侧卸挡板检修气密性及拆卸检修 挡板打开或挡板复位不到位限定机构损坏 侧门打开或侧门复位无动作 侧卸门液压马达故障拆卸检修 或不到位 侧卸机构侧卸无动作或不到位液压马达故障拆卸检修 2 3 作业车诊断仪设计要求 基于国内外故障诊断技术以及各种故障诊断仪器的先进理念，本诊断仪系 统采用了先进的计算机技术、触摸屏技术、串口通信技术及故障诊断技术，开 发出了一款便携式核应急救援作业车故障诊断仪，它可以实现作业车的故障检 测及故障排除，大大提高了作业车的使用寿命及日常维护管理水平。为了使诊 断仪更好的服务于国家核应急救援部门的建设，设计时需考虑以下几点： 2 3 1 功能性要求 诊断仪可对喷洒车和回收车分别实现快速故障检测，故障诊断系统考虑到两 种作业车的系统特点，均采用以太网接口通信技术，实现诊断仪与作业车的车 载控制面板的数据通信，达到两种作业车的快速故障检测与分析。就作业车诊 断仪的功能而言，除了完成基本的故障检测外，其余的一些扩展功能对诊断仪 的故障检测效率和精度也有很大影响。 ( 1 ) 快速故障检测。操作员通过操作喷洒车和回收车的车载控制面板，作业 车将完成一系列测试动作。由于诊断系统采用以太网通信方式，诊断仪能够快 速实时地显示作业车的故障信息。 ( 2 ) 可扩展特点。诊断仪除了实现对喷洒车和回收车的故障检测外，还可对 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 其它核应急救援作业装备进行故障检测，只需要在故障诊断仪中加入相应的人 机界面和诊断程序即可。 ( 3 ) 建立个性化人界面，使操作人员可直观的通过故障诊断仪界面，快速确 定作业车的故障部位及排除方法。 2 3 2 软件设计要求 1 智能人机界面设计 人机界面是系统和用户进行交互或信息交换的媒介，科学合理的界面设计 将大大方便操作人员的操作。本诊断仪系统人机界面包括诊断仪初始界面设计， 诊断装备选择界面，诊断结果输出界面及数据存档和报表功能。 2 故障诊断程序 故障诊断程序采用模块化设计，主要包括系统主控模块、参数处理模块、 信息通信模块等，程序功能模块如下： ( 1 ) 系统主控模块。主要完成数据采集处理和专断结果输出，其中，包括装 备选型程序设计，可以根据不同信号的设备选择相应的诊断程序。 ( 2 ) 参数模块。根据采集参数完成装备运行状态的分析预测。本系统采用逻 辑判断与周期采样的形式处理采集数据。 ( 3 ) 信息通信模块。主要完成通信协议管理、数据通信控制。 3 喷洒车数据采集系统设计 喷洒车数据采集系统设计时，需要考虑喷洒车传感器的合理布线和数据采 集系统平台的可靠性设计。设计完成后期，还需多次实装诊断试验，测试获取 传感器信号参数的稳定性和采集系统的可靠性。 2 4 作业车诊断仪总体设计 2 4 1 系统方案分析 本论文依托现有装备，并借鉴了大量的国内外相关诊断仪文献，最终确立 了两种设计方案。该诊断仪具有数据采集、数据分析、数据库、故障评定和输 出显示界面等功能，可实现喷洒车和回收车的快速故障故障检测，提高应急救 援装备的日常维护管理水平。下面将对初拟的两种方案进行分析，确定诊断仪 的最终设计方案。 武汉理工大学硕士学位论文 1 分立式喷洒车、回收车故障诊断仪 该方案将喷洒车、回收车故障诊断仪分别独立设计，即设计两种故障诊断 仪，分别用于喷洒车和回收车的故障检测分析。 对于回收车来说，车载控制系统较为完善，主控板包含了绝大多数传感器 采集信号，可以充分利用车载主控制器的通信功能，完成装备检测参数提取， 剩余工作就是故障诊断仪系统自身的软硬件设计。具体来说包括：通信接口设 计、微处理器选择、控制电路设计、故障评定软件编写以及输出显示界面设计。 最后，将所需元器件组合封装，完成产品加工。回收车故障诊断系统如图2 3 所 示。 膜 体 回 收 车 故 障 诊 断 仪 图2 3 回收车故障诊断系统 对于喷洒车来说，相对比较复杂，由于部分检测参数没有传送到车载控制系 统，所以直接从主控板发送检测参数的方式不可行。经过查找相关资料，确定 两种方案解决该问题。第一，将未接入系统的传感器信号重新布线接入主控板； 第二，不改变原系统硬件连接，单独对传感器输出信号布线，将所有