（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机故障诊断系统的方案设计和推理方法研究.pdf

l 浙江大学蛳t ：o f 究生学位论文摘要 摘要 本论文通过对工程机械领域故障诊断的系统研究，提出了一种基于移动计 算机巡检的在线检测和诊断的系统模型，并采用先进的嵌入式计算机技术进行 了可行性试验探讨。通过深刻分析维修专家进行设备维修时的思路，采用基于 故障树分析法的知识表示和模糊加权的推理机制实现了故障的定位，很大程度 地减少了诊断过程的工作量，提高了诊断的准确性和效率诊断过程具有一定 的柔性自学习功能。太 j 始一章介绍了状态监测与故障诊断技术在国内外的现状、应用及发展趋势， 分析了诊断领域的主要理论及研究内容，提出了本课题的研究内容给出了全 文的结构框架。 第二章分析了挖掘机的功能结构和组成，对整个系统进行了解藕，详细介 绍了多个子系统的典型故障现象的收集和具体的故障知识整理。分析比较了传 统的故障诊断方法，并提出了整个系统的方案。 第三章分析了嵌入式计算机技术在国内外的发展及其应用现状，论证了嵌 入式计算机技术的特点和优势：介绍了嵌入式系统的结构等技术问题和开发环 境；分析了将嵌入式系统引入工程领域的必要性、可行性和优越性。 第四章和第五章详细阐述了基于故障树分析法的故障知识表示方法和模糊 加权处理的推理机制，并以实例进行了说明。第五章中对w i n d o w sc e 的开发 机制和开发实现的几个主要的功能模块进行了详细的介绍。 ( 第六章总结了本课题的创新点和已经完成的工作，对课题接下来的发展方 向和要解决的问题进行了展望，并对后续的工作做了分析，提出了几点建议。0 关键字： 液压挖掘机i故障诊断，嵌入式操作系统j 复合故障 - 浙江凡学颤1 一学位论文a b 砒t a c t a b s t r a c t b a s e do nt h es y s t e m i ca n a l y s i so ft h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh y d r a u l i c e x c a v a t o ra n dt h ew h o l es t u d yo fi t sf a u l td i a g n o s i s ，t h i sp a p e r b d n gf o r w a r d a no n - l i n e3 - l a y e r sf a u l td i a g n o s i sf r a m e w o r kw h i c hi sb a s e do nac i r c u l a r - r e s p e c t i n gs y s t e mr u n n i n g o np a l m - s i z ec o m p u t e r a n da c c o m p l i s h e ds e v e r a l i m p o r t a n tf u n c t i o n sw i t ht h ea d v a n c a d t e c h n o l o g y - e m b e d d e ds y s t e m t h r o u g hd e e pa n a l y s i so ft h ep r o c e d u r e o ft h em a i n t e n a n c em a n ，w ed e c i d e d t h em e t h o dt oe x p r e s st h ef i e l dk n o w l e d g ea n dt h ew a yt or e a s o n ，w h i c hc a n r e d u c et h ew o r ko ft h ep r o c e d u r ea n de n h a n c et h ep r e c i s i o na n tt h ev e r a c i t y 0 ft h er e s u l tt og r e a te x t e n t t h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t os i xc h a p t e r sa s 佑i l o w s , c h a p t e r 1s u m m a r i z e dt h e h i s t o r y a n dt h ef o r e g r o u n do ft h ef a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g yf n 3 mt h em a t e r i a l si n d o m e s t i ca n da b r o a d a tt h el a s t p a r to f t h i sc h a p t e r , i ts h o w st h ef r a m e w o r ko ft h ew h o l e p a p e r i n c h a p t e r2 ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ee x c a v a t o r , w e g a v e t h ec o l l e c t i o na n d o r g a n i z a t i o n o ft h e d i a g n o s i s a n d e x p e r i e n c e k n o w l e d g e a n dt h e t y p i c a lf a i l u r e s 、a n a l y z i n g a n d c o m p a r i n g t h eb a s i c m e t h o d su s e di nt h ef a u l td i a g n o s i sf i e l d n o w a d a y s ，w ep u tf o r e w o r dt h e a r c h i t e c t u r eo ft h ee x c a v a t o rf a u l td i a g n o s i ss y s t e m c h a p t e r 3i n t r o d u c e st h ee m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y i ns e v e r a l a s p e c t s ，s u c ha s t h eh i s t o r y t h ec h a r a c t e r ，t h ef o r e g r o u n da n dt h ea p p l i c a t i o n i nd o m e s t i ca n db r o a dr e l a t i o n a lf i e l d a tt h ee n do ft h i s c h a p t e r , w e d e m o n s t r e t et h ea p p l i c a b l ea n dt h ea d v a n t a g eo fa p p l y i n gt h ee m b e d d e d s y s t e m i n t ot h e e n g i n e e d n g c h a p t e r4c o v e r st h ed e t a i l s o ft h ek n o w l e d g ee x p r e s sa n dt h ef a u l t r e a s o n a n ds e v e r a le x a m p l e sa r eo f f e r e dt os h o wi te x p l i c i t l y c h a p t e r5g a v e s o m ei n t r o d u c t i o no ft h em o d u l e sw h i c hh a v eb e e nc o m p l e t e d c h a p t e r6s u m m a r i z e s t h ew h o l ep a p e ra n dg i v e ss o m ea d v i c et op o i n t o u t t h er e s e a r c hf o c u so ft h i st i t l ea n di t sp o s s i b l ef u t u r e 【k e yw o r d s 】：h y d r a u l i ce x c a v a t o r , f a i l u r ed i a g n o s i s ，e m b e d d e d s y s t e m m u l t i s y m p t o m 浙江人学硕七学位论史第一章绪论 第一章绪论 趣 介绍了状态监测与故障诊断技术在国内外的现状、应用及发展趋势，分析 了诊断领域的主要理论及研究内容，提出了本课题的研究内容，给出了全文的 结构框架。 1 1 课题的提出及意义 故障与故障诊断。所谓故障是指系统或其中的元部件丧失了规定的功能。 所谓故障诊断就是在一定的现场检测或监控的策略指导下实施对诊断对象系 统的自动检测，从而获得诊断对象系统的故障模式，提取出故障特征，在此基 础上，根据预定的推理原则，对故障信息做出综合评估并向系统的操纵者或 r 1 控制者提供重要信息，以保证系统的正常运行”1 。其目的是：优化系统的运行 状态；提高系统的可靠性和安全性：提高系统的效率：便于系统的运行和保养。 故障诊断( f a u l t d i a g n o s i s ) 起始于机械设备的故障诊断技术，其全名是机 械设备状态监测与故障诊断技术( 简称监测与诊断技术) ，它包括两方面的内容： 一是对设备的运行状态进行监测：二是在发现异常情况后对设备进行分析、诊 断提出维修方案。设备故障诊断是伴随着设备管理和设备维修发展起来的，随 着现代科学技术的发展，设备复杂化程度和自动化水平越来越高对系统的投 资也越来越大设备的可靠性和稳定性在整个生产流程中的作用也越来越重要， 因而对系统可靠性的要求也越来越高。组成系统的任何部件( 硬、软件) 出现 故障或失效都可能带来很大的损失，甚至灾难性的后果，从来带来政治上、 经济上的巨大损失。因系统的低可靠性或零部件故障排除延迟而导致的机毁人 亡事故举不胜举，如：在核工程反应堆放射性物质外流发生重大的泄漏事故 ( 1 9 7 9 3 2 9 美国，1 9 8 6 4 2 7 苏联) ，发电站发生炸裂毁坏性事件( 1 9 8 6 1 0 1 9 8 8 2 中国) ，航空航天工程发生悲惨的空难事故( 1 9 8 7 日本，1 9 8 6 1 2 8 美国) 等等。诊断技术的发展丸疑为提高系统的可靠性提供了一条新的途径，成为了 行业发展的必需。 二十多年来，故障诊断技术得到了迅速发展在航空航天、核技术、发电 设备、交通运输、机器人及其他工业自动化领域与医学领域得到了广泛的应用 带来了巨大的经济效益和社会效益。 1 浙江上学顺1 ：学位论文第一章绪论 以现代大工业生产为对象，涉及到各种工程领域的机械与设备，今天的状 态监测与故障诊断技术已经形成了一个既有理论，又有分析方法。既有试验， 又有好的形式，再辅之以先进的计算机技术和良好的工程应用性和技术背景， 可见，状态监测与故障诊断已经发展成了与高新技术发展密切相关的一门综合学 科。 作为一门现代化设备管理的新兴学科，伴随着计算机技术在工程领域中的 应用越来越广泛，状态监测与故障诊断技术在机械设备中的应用也如鱼得水， 它服务于机械设备的终身性管理，包括设备运行、故障诊断、趋势预测以及决 策维修。 液压挖掘机是非常复杂的机、电、液一体化的系统设计的专业知识面广 结构也复杂，给维修和维护带来很多的麻烦，因现场无法正确定位故障造成的 错诊、误修事件频频出现，造成设备停产浪费人力物力，造成不必要的经济 损失，因此，迫切希望找到一种能够有效进行挖掘机故障预警和事后诊断定位及 排除的方法。实现不用对挖掘机进行解体就能够进行故障诊断定位，并可以大 大缩短挖掘机的故障停机时间。提高挖掘机的经济效益。如果使用这样的故障 诊断系统能够替代故障诊断专家或故障维修人员的一部分或全部工作，在维修 水平较低或者缺乏熟练故障维修人员的场合，尤其对于工作环境相对比较特殊 r 1 的挖掘机来说，具有很好的现实意义。1 1 2 设备状态监测与故障诊断综述【3 】 图1 一l 故障诊断相关系统图 在线故障诊断与实时监控是相关但有着本质区别的两个系统。在线的实时 监控国内外都已经有了比较成熟的系统，浙江大学研究开发的挖掘机监控系统， 2 浙江大学碗七学位论立第一章绪论 通过1 3 路参数实现对挖掘机的蛆拧，取得很好成果。故障渗断建立在在线监控 和故障捡测的基础上通过综合利刖在线监控和检测中得来的信息傲出判断、 经分析处理得出结论。然后通过监控系统或控制系统做出相应的反馈，反馈的结 果一方面可以作为最终结论提供给维修系统，实现对设备的维护：另一方面， 还可以作为进一步进行战障诊断的驰功信息( 圈1 1 所示) 。冈此，在线故障 诊断应该是与在线监控并行的，丰交融的两个系统。两者的相同之处都是一 个包括硬件、软件在内的完整的系统区别之处主要是工作的时段不同。使 用的目的不同。此外，故障诊断对外界信息质量的要求更高它必须具有更强 的信息驾驭能力和处理能力，它的1 作过程不是孤立的必须满足自身系统或 其他系统的要求，受外界的彬1 嘲生! 大些。 1 2 1 检测和故障诊断的发展史【4 】 纵观挖掘机检测和故障诊断技术近3 0 午的发展过程可以把它分为三个阶 段，第+ ：参数检测与报警阶段：第：设备监视阶段：第三：智能监控阶段： 早期的故障显示渗断) 系统山传感器直接配接个电流r u 址表，或更简单， 仪串接一只l e d 或灯泡组成，人们就是通过这样个简单的检测系统提供的感 观信息作为故障判断的依掘进 j ：故障诊断。这样的简单系统在h i i 国内外的液 压挖掘机上虽己不是上流，但仍仃应用实例：倒如，国广二的w y 6 0 a 型挖掘机上 所采用的机油温度报警，充电指示灯报警，机油压力指示表，转向信号灯等这 样一些比较简单的监测功能，以：殳为了方便操作肯掌握机器的运转情况，还安 装这样的一些仪表：机油瓜力袁、机油温艘表、液爪油温度表等。十早期的 电子庀件特别是传感器的可靠性较兰使得信号误差比较大，报警信号经常 误动作或失效。到了七f 。年代术m t 八1 年代仞朗随着传感器的可靠性问题 得到了一定程度的解决以及电j 二汁肄机技术的不断发展运用了高性能传感器 现存设备上使用的参数检测和报警系统的检j ! i | 参数也越柬越多，并且已经具有 了很高的町靠性和准确性。 f i f 两个阶段主要提供故障m 报提醒操作人员及时采取相应的措施。为了 能够快速定位故障减少维修j 【作量，出现了新一代的智能式监控与故障诊断 系统。这类系统往往由机上和桃卜两部分组成，安装丁挖掘机上的部分进行工 况监测和数据记录诊断计算机安装r 地向。当需要对挖掘机上的部分进行检 查时捕入手持式终端，读墩现场采集的伞部t 况数据井存储。然后取下手持 式终端，在办公室中将数据输入判渗断计算机中，就可以渗断液压系统动力 3 浙江j 学唢十学位论文第一章绪论 系统，机构和装置系统附属系统等各部分故障，同时也能诊断自身的故障。 采用这种方式可以让多台挖掘机共享一套诊断计算机终端，节省费用，也便于 进于亍维修和备件管理，打印和报表等。 另一种常见方案是随机安装的系统采用彩色液晶显示器，能动态反映主机 系统的参数变化，部分关键参数用曲线实时跟踪指示；还能利用经验知识，对 此实时数据综合利用，进行故障的推理，从而寻找出故障点：有的还可以进行 作业量统计，这类系统通常具有黑匣子的功能，即记录故障过去的发展状况， 便于区别是机器本身的故障，还是操作人员违反操作引起的损坏，并对不合理 的操作予以提示。 实际上，上述的两种形式是目前大多数复杂系统所采用的，但国内成功的 应用实例仍然很少。在线诊断的实现受制于被诊断系统构造、运行方式和工作 场所等多方面因素，因此目前市场上所使用的故障诊断系统大多采用离线装置 或离线采集，存在实时性能差，信息数量有限等问题。 1 2 2 现代故障诊断的主要内容 故障诊断的实质是在诊断对象出现故障的假设下，通过来自外界或系统本 身的信息输入，经过智能处理，判断故障种类定位故障部位( 元部件) ，进而 估计出故障的可能时间、严重程度、故障原因等，甚至还可以提供评价、决策 以及进行维修的建议。一个诊断系统的性能主要表现在以下几方面： 一敏感性； 一鲁棒性能： 一准确性( 误报率、漏报率、确诊率) ： 一全面性： 综上所述，可以得出现代故障诊断的内容主要包括实时检测技术，故障分 析( 诊断) 技术和故障修复方法三个部分归纳为一句话，就是故障的检测、 分析和修复( f d i a ) 。这三部分内容贯串了设备故障诊断的全过程，从信息的 获取到故障的定位，再到故障的排除，作为单独的技术领域发展的同时，又作 为故障诊断的整体技术共同协调发展。下一小节将介绍在这些领域的主要理论 及方法。 从查阅的资料分析目前在挖掘机故障诊断领域的研究内容存在以下的“三 多三少”现象： 对单个系统、某个零部件或者某个具体的故障现象的研究比较多，如液压 4 - 浙江凡学坝 一学位论文 第一章绪论 系统【2 6 3 6 】、控制系统、柴油机 3 9 1 、泵系统 3 7 】等而对整机或涉及多个系统 的综合故障的研究比较少。由于挖掘机是一个集机、电、液一体的多系统设备， 系统与系统之间的相互关连和影响是不可避免的，并且不可能像其他设备那样 依靠单纯的检测数据就可进行故障检测，其中很多重要的非线性信息和不确定 感官信息是不可缺少的。 对系统可测得的定量信息利用的问题研究比较多，对定性( 不确定) 信息 利用的研究比较少：信息的综合利用技术，特别是混合信息的利用问题“”“。的 研究也较少。 依靠单一智能技术的诊断系统多，混合智能技术( h y b r i di n t e l l i g e n t ) 的研 究应用少。目前应用最成功的就是采用专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 与其它智能 技术( 如：a n n 、f a u l tt r e e 等等) 相结合的诊断系统【1 5 - i 8 1 。这样既弥补了各 种传统方法自身的不足又充分发挥了各自的优势。因此混合智能技术是挖掘 机故障诊断的一个发展重点： 从上面的分析可见，挖掘机故障诊断技术研究的主要趋势如下： 针对不完整信息和不精确信息的处理利用更强调信息融合策略和处理 技术，知识的表示方法： 针对设备复杂化、集成化、自动化程度的提高以及可持续工作能力和可 靠性要求的提高，更强调多智能技术的融合，系统级诊断处理技术，混合智能 诊断技术的研究； 针对专家系统知识获取的瓶颈问题，更强调自适应能力和自学习能力的 研究，i r d 技术、在线诊断技术【1 9 2 4 4 7 】和多传感器技术【2 0 2 2 】的研究。 s 浙江人学顺卜学位论支第一章绪论 1 2 3 现代故障诊断的主要理论与方法 图1 2 故障诊断方法分类示意图1 如上图所示。机械故障诊断技术发展至今，已经提出了大量的方法和理论。 分类的方法也很多，根据德国的p m f r a n k 教授的观点，所有的故障诊断方法可 以划分成基于知识的方法、基于解析模型的方法、基于信号处理的方法三种。 也有人根据诊断过程是否有专业模型把诊断理论和技术分为两类： 基于非模型的故障诊断理论和方法：如信号空间特征：基于知识推理、人 工智能和专家系统的诊断方法：基于模式识别和神经网络的诊断方法。 基于系统数学模型和现代控制理论、方法的故障诊断理论和方法：如参数 估计法，等价空间法等等。 在第二章中将对几种常用的理论和方法进行详细的介绍。 6 - 浙江 学颤l ：学位论空 第一章绪论 1 2 4 故障诊断技术的发展趋势1 5 】 ( 一) 、从故障诊断理论和技术方面来看，现代故障诊断的发展方向是与容 错控制、冗余控制、监控控制和余度管理等可靠性系统设计相结合。现代余度 管理正在从硬件余度向综合余度管理和解析余度管理发展，动态系统的容错设 计一般是基于硬件余度而实现的。但硬件余度管理遇到的一个主要问题就是重 量太大、体积太大、费用高、与设备的组装难。为了使整个系统可靠安全且提 高容错系统可利用性，有必要研究新的方法来消除或减少硬件余度，利用先进 的计算机技术实现软硬件真正意义上在线诊断，无疑是解决这一问题的一个重 要方向。 故障诊断的鲁棒性是所有故障诊断理论、方法和系统所面临的重要问题， r 1 也是诊断领域的热门理论问题之一1 。鲁棒故障诊断( r f d ) 概念首次在基于 模型的故障诊断方法中提出。目前能查到的鲁棒诊断研究是基于控制系统数学 模型的，始于8 0 年代初。r f d 是解决故障诊断实际应用的有效途径，是提高故 障诊断系统性能指标的有效方式，有待于深入研究。 r 1 口1 基于人工神经网络的故障诊断在国内外已有很多研究v ”1 ，虽然- 心n 在网 络拓扑结构上具有一定的鲁棒性，但目前还没有见到有效的鲁棒算法。 r o1 1 1 ( 二) 基于因特网的设备故障远程协作诊断( i r d 技术) ”“o 是将设备诊 断技术与计算机网络技术相结合用若干台中心计算机作为服务器，在企业的 重要关键设备上建立状态检测点，采集设备状态数据，而在技术力量较强的科 研院所建立分析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。当然，它可以提 供检测数据、诊断知识和诊断软件的共享等，为丰富诊断知识库提供了广阔的 途径。它还消除了离线诊断的缺陷，为实现“异地诊断”提供了可能，为设备， 特别是工作环境相对恶劣的设备的检测和故障诊断提供了新的思路。 一项技术的成熟不可避免的有很多的障碍，同样，m d 技术必须解决网络 环境下运行的信号采集和分析问题，必须解决基于w e b 数据库的开放式诊断专 家系统设计，要实现诊断知识、理论和技术的共享必须有一套通用的标准， 包括测试数据标准、诊断分析方法标准和共享软件设计标准。随着网络技术的 发展，l r d 技术将成为故障诊断领域的又一杰作。 ( 三) 与大量的故障诊断方法和技术相比，故障诊断技术的实际应用成果 显得非常不足，尤其是诊断系统在工业装置上实际长期运行的还不多。诊断对 象的复杂性和大规模性造成其建模的极大困难。因此，那些需要精确数学模型 ， 浙江夫学碗一i ：学位论j 2 =第一章绪论 的故障诊断技术就很难在这类诊断对象上应用，而基于知识的方法和基于信号 处理的方法由于不需要准确的对象数学模型，因此更适合于的复杂设备的故障 诊断。我们应该在后一类方法中求得更大的实际应用方面的突破。 此外，机械故障诊断工程中可用的机器信息种类繁多，层次不一。如何对 大量信息进行处理和综合利用是今后机械故障诊断技术需要重点研究的问题。 nj 1 多源信息融合技术”1 就是因此而产生的热门技术，在人工智能、医学诊断等领 域已有广泛的应用，但在机械故障诊断领域还处于起步状态。 1 2 5 国内外的发展状况【3 2 1 2 4 1 作为监测和故障诊断技术的发源领域，机械设备的故障诊断经过近3 0 多年 的发展，已经形成一套比较成熟的理论和方法。首先，美国于1 9 6 7 年在宇航局 的倡导下，成立了机械故障预防小组，其研究的内容涉及故障的定义、轴承故 障、现场监测、油料光谱分析、故障预报系统、飞机燃气轮机的故障、故障预 防设计等多个方面，美国诊断技术在航空、航天、军事、核能等尖端部门处于 世界领先水平。欧洲在6 0 年代末，英国国际机器保健和状态监测协会首先开始 了故障诊断方面的研究，1 9 8 2 年创立了沃福森工业维修公司开展有关的研究 和咨询工作。欧洲其他国家在设备诊断技术方面也有很大发展，如芬兰开发出 新型自动磨粒监测和诊断系统并已经在船用柴油机的液压系统中使用。 日本机械故障诊断技术在某些民用工业，如钢铁、化工、铁路等部门发展 很快。日立公司推出了核反应堆诊断管理系统，三菱公司研制了铁路机车诊断 系统。 我国在故障诊断技术方面起步比较晚，8 0 年代初期时，我国的故障诊断技 术主要应用于石化、冶金和电力行业进入9 0 年代后，这一技术迅速渗透到国 民经济的各个主要领域，目前仅在电力系统装备的国产监测与诊断系统就已达 百套。故障诊断技术经过3 0 多年的研究与发展，己应用于飞机自动驾驶、人造 卫星、航天飞机、核反应堆、矿山机械、石油化工过程与设备、工程机械等很 多领域。 国内最近几年已经进入了智能模型的研究与应用，即通过仪器仪表在现场 采集数据，以松耦合的形式将数据作为一个文件移植到桌面p c 机上进行处理， 这类系统很大的一个缺陷就是没有实现真正意义上的人机交互，无法解决需要 在某些操作的协助下才能测得的非线性数据或者无法获得某数据量在一段时间 内变化趋势等类似的信息。如下一条知识： 8 浙江凡学坝 ：学位论史第一章绪论 请将动力制式选择开关置为p 制式并将操纵杆行程到底，看油压是否变化? 这条信息涉及到一个必须人工参与的实际操作并且要检测的参数是“油 压”在上述工作模式( p 制式，操纵杆行程到底) 下的变化趋势。对于这样的一个 中间信息，在离线诊断模式采用数据文件松耦合的方式显然是没法解决的。 它要求实现从离线向在线的转变包括组织形式、诊断算法、软硬件的实现等 多方面的改变。这一问题的解决也是国内在故障诊断领域最近几年的一个发展 热点和重点。作者在分析研究故障诊断发展状况的基础上，结合工程实际，确 定了一个工程机械检测和故障诊断的方案，并通过调研选择了合适的软件平台 和硬件平台，探索性地进行了几个主要模块的开发。 1 3 本课题的主要工作及论文的安排 1 3 1 课题主要工作 设备检测和故障诊断技术发展至今，在生产现场的成功应用已不少见，但 象液压挖掘机这样的综合系统进行整机故障诊断的例子还没有发现。对液压挖 掘机进行不解体的故障诊断在浙江大学机械设计研究所已经有了比较深入的 研究。樊博浩硕士开发的基于实例的专家推理系统，对于解决模糊知识问题有 了较大的进步。但工程机械的故障诊断对实时性要求比较高，要求与实际工作 状态有密切关系，系统的正常运行需要大量有效的经验知识，工况的复杂性要 求推理过程的柔性化也要考虑。在上述问题的引导下，本文对整个系统的方案 进行设计包括软硬件平台的选择及核心部分的推理都进行了改善。作者结合 故障诊断技术的发展趋势利用较为前沿的嵌入式计算机技术，提出了个行 之有效的基于移动计算机巡检系统的挖掘机在线检测和故障诊断方案，使整个 系统更贴近实际工程。课题主要工作如下： 1 专家知识的整理：通过解藕挖掘机的各个子系统，收集和整理与液压挖掘 机故障现象相关的经验知识，对各种故障的故障信息源也进行分类汇总。 2 方案的确定：详细分析对挖掘机故障诊断的技术问爵比较各种传统的故 障诊断理论和方法，在此基础上结合我们的实际提出实现方案。 3 知识的表示和推理的研究：目前在挖掘机故障诊断领域，对于单个子系 统( 如液压系统) 的研究已经有了很大的成果，但对于整个系统还没有提出一 种有效的不解体事后故障诊断方案，特别是多个故障同时出现时的复台故障诊 9 - 浙江凡学何! l 学位论文第一章绪论 断问题。对此，本文提出解决这一问题的方案，以有效地提高诊断精度和效率， 保证推理过程的柔性化和合理性。 l - 3 2 论文的结构安排及主要内容 全文共分六章，其结构安排如图1 3 所示： 图l 一3 论文结构框图 第一章介绍了状态监测与故障诊断技术在国内外的现状、应用及发展趋势， 分析了诊断领域的主要理论及研究内容，提出了本课题的研究内容，给出了全 文的结构框架。 第二章分析了挖掘机的功能结构和组成，对整个系统进行了解藕，详细介 绍了多个子系统的典型故障现象的收集和具体的故障知识整理。分析比较了传 统的故障诊断方法，并给出了整个系统的方案。 第三章对方案中用到的嵌入式计算机技术进行详细介绍，结合嵌入式计算 机技术的特点，阐述了把嵌入式技术引入诊断领域的必要性、可行性和优越性。 第四章通过挖掘机故障诊断领域知识尤其是复合故障诊断知识的特点分 析，给出了故障诊断的知识表示和处理方法提出了利用信息的模糊加权处理 - 1 0 浙江太学硕上学位论文第一章绪论 进行推理的机制。 第五章对上述方案的软件实现部分进行试验。本章主要内容包括w i n d o w s c e 软件开发的特点分析，故障诊断专家系统的功能介绍和系统实现的一些技术 问题。 第六章总结了本课题的创新点和已经完成的工作，对课题接下来的发展和 要解决的问题进行了展望，并对后续的工作做了分析，提出了几点建议。 1 l - 浙江太学碳l 学位论文第二章知识整理和方案确定 第二章液压挖掘机故障诊断的知识总结 和方案确定 趣 分析了挖掘机的功能结构和组成对整个系统进行了解藕，详细介绍了多 个子系统的典型故障现象的收集和具体的故障知识整理。分柝比较了传统的故 障诊断方法并给出了整个系统的方案。 2 1 液压挖掘机概述 对挖掘机这一多系统机械设备从总体上按某种原则进行分解，通过对各 个子功能间的祸合关系进行分析和总结，从多系统角度了解挖掘机。也方便进 行故障诊断和编写诊断知识库。同时，可以按照各个子系统或一类故障进行挖 掘机故障诊断专家经验的收集，进行方便地组织和管理。 2 1 1 液压挖掘机的总体结构 液压挖掘机的主要功能是完成土石方的挖掘，还可以通过换装不同的工作装 置，来完成吊装，抓取，清沟，修坡，破碎，拆卸钻孔等多种工程作业。液 压挖掘机的总体结构可以分为两个基本组成部分，即机体( 或称主机) 和可换 工作装置。机体是能够完成挖掘机基本动作，并作为驱动和操纵挖掘机进行工 作的基础。机体由动力装置，操纵机构，回转机构，行走机构及其它辅助设备 组成。机体可以是工业履带牵引车辆或工业轮式牵引车辆。其中动力装置操 纵机构，回转机构和辅助设备均在可回转的平台上，总称上车部分，它的行走 机构( 又称下车部分) 用回转支承连接，平台可以围绕中央回转轴作3 6 0 度的 全回转。 ( 一) 下车部分 液压挖掘机的行走装置是整个机器的支撑部分，承受机器的全部重量和工作 装置的反力，同时能使挖掘机作短途的行驶。本文以履带式的挖掘机作为实例 进行解说。履带式行走装置由履带，支重轮，托链轮，张紧轮( 导向轮) ，张紧 装置，行走架，油马达，减速机等组成。液压挖掘机的行走装置采用液压驱动， 液压驱动装置主要包括油马达，减速机和驱动轮。每条履带均有各自的油马达 1 2 浙江夫学顺j 学位论文第二章知识整理和方案确定 和减速机。两台油马达可以独立操纵因而可以方便地实现对挖掘机运动方向 的控制。行走装置还包括张紧装置，张紧装置可以使履带保持适合的松紧度。 张紧装置由导向轮，张紧弹簧和黄油缸组成。行走装置的支重轮可以在履带的 轨面上自由地滚动，起着将机器重量传递给履带的作用，并限制履带横向脱轨。 托链轮用来托住履带的上部，防止履带严重下垂，并对履带上部的运动起导向 作用。履带由轨链节，履带板销轴，销套，螺栓和螺母等零件组成。 ( 二) 上车部分 液压挖掘机的回转机构包括回转驱动装置和回转支承。我们往往从系统的角 度出发对其进行分类。分为机械系统、液压系统、动力系统、电气系统、控制 系统等。 液压系统的功能是把发动机的机械能以油液为介质利用油泵变为液压能， 传送给油缸油马达等变为机械能，再驱动各执行机构，实现各种运动。液压 系统参与完成主要运动包括整机行走、转台回转、动臂升降、斗杆收放、铲斗 转动等。 液压挖掘机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件( 液压缸、 液压马达) 等进行控制的系统。按照控制对象的不同可以将其分为发动机控制 系统、液压泵控制系统、液压阀控制系统、执行元件控制系统和挖掘机整机控 制系统等。 挖掘机特殊的工作环境下，灰尘污染严重，负荷变化大，经常倾斜工作，维 护条件差。因此，液压挖掘机原动力一般由柴油机提供，柴油机具有工作可靠 等优点，符合挖掘机工作条件恶劣负载多变的要求。它一般包括曲柄连杆机 构与机体、配气机构、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统和启动系统六部分 组成。 液压挖掘机的电气系统包括起动线路，发电线路及照明仪表，传感器等 辅助线路。起动线路一般包括起动电动机，蓄电池( 电源) ，起动开关等。发电 线路包括交流发电机，电压调节器，充电指示灯及起动开关等。其他的辅助线 路主要是用于对挖掘机运行工况的监控，比方说温度报警，充电指示灯等具体 的辅助线路。 液压挖掘机的机械系统是完成挖掘机各项基本动作的直接执行者，它包括 行走装置、回转机构、工作装置等。 液压挖掘机上还有气压系统，其主要功能是用于回转制动，整机制动以及对 预压油箱和滚盘加黄油。气压系统主要由空压机，储气罐以及各种气阀与气压 执行元件组成。 1 3 浙江夫学姐i 学位论立= 第二章知识整理和方素确定 2 1 2 液压挖掘机的工作原理 下面以反铲工作装置挖掘作业为例来说明挖掘机的工作原理。 首先起动线路开通，起动电动机得电后旋转，带动曲轴按所需的起动转速旋 转，使柴油机运行柴油机起动后带动控制油泵和主工作油泵工作。这样挖掘 机就处于待机状态。 液压挖掘机的回转，行走和工作装置的动作都由液压传动系统来实现发动 机一般为柴油机，驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀，通过 司机的操纵，将压力油单独或同时送往液压执行元件( 液压马达或液压缸) 驱 动执行机构进行工作。 挖掘机司机操纵手柄，使行走马达控制阀接通，通过控制两组行走马达的转 速和方向，让挖掘机运行到指定的工作地点。接着扳动操纵手柄，使回转马达 控制阀接通，于是回转马达转动并带动上部平台回转，使工作装置转向挖掘地 点，同时操纵动臂换向阀使动臂油缸上腔进油，动臂下降至铲斗接触地面： 然后操纵斗杆油缸和铲斗油缸的换向阀，使二者大腔进油，配合动作，进行挖 掘和装载；铲斗装满后将斗杆油缸和铲斗油缸的操纵手柄扳回中位：然后，操 纵动臂油缸换向阀使该缸的下腔进油动臂提升，举起装满土的铲斗离开作 业面，随即扳动平台回转阀手柄，使铲斗转至运输车辆的上方适当高度；然后， 操纵斗杆使铲斗高度稍降低一些，操纵铲斗油缸使铲斗卸土，土卸完后，使平 台反转并降臂至作业点上面，以便进入下一个工作循环。 2 2 液压挖掘机故障诊断经验知识总结 2 2 1 故障诊断知识的特点 诊断系统的知识主要来源于对诊断对象结构、功能的分析研究、故障机理 的分析和故障特征的提取。对于有经验的维修人员，这些诊断知识的使用往往 根据自己的经验有先后次序的进行，因此拧掘机整机不解体故障诊断的知识具 有如下三大特点： 挖掘机故障诊断经验知识大多是维修专家在长期维修实践中的经验总结， 知识之间有很强的内在联系但这些知识导致相关故障发生的轻重程度是 不一样的。 1 4 浙江人学顺i 学位论立第二章知识整理和方案确定 自然语言描述的知识居多，这些信息无法精确量化和进行有效地计算； 信息参数的获得受检测手段的限制，很多检测量的获得需要大量现场的辅 助操作才能进行。 2 2 2 液压挖掘机故障诊断的知识整理 知识是支撑一个专家系统正常运行的基础。如果没有正确和足够的知识专 家系统就很难运行起来，也就很难得出正确的结论。对此在课题的进行中特 别重视挖掘机故障诊断的知识整理工作。 按照常规的系统分类方法，将整个挖掘机分为液压系统、控制系统、机械 系统等几大系统，本研究所以前的工作已经对每个系统中常见的故障做了一些 总结。但是，深入分析液压挖掘机的常见故障，不难发现组成挖掘机的各个子 系统( 如：液压系统，电气系统等) ，以及组成这些子系统的许多零部件( 如： 泵，先导阀等) ，它们之间往往存在着关联，甚至是有机的一体。对于每一个故 障现象，导致其发生的原因是多源的。同样一个零部件的损坏所表现出来的故 障现象也不是单一的，如此形成了症状与故障原因的网状结构。 在实际工程中，经常会发生同时出现多个故障的情形，我们称之为复合故 障( m u l t i - - s y m p t o m ) ，这些同时发生的故障之间可能是孤立的也可能是相互 关联的在很多情况下，这多个故障现象可能是跨越多个子系统的。同样出现 了症状和病因之间的网状结构这时如果继续逐个故障进行处理，除了效率低 外，也会带来大量不必要的工作无谓地增加工作量很可能会把本来就是一 体的故障支解，造成漏诊、误诊现象。基于上述考虑本文对知识的整理从整 机角度出发做了如图2 1 所示的划分： 1 s 浙江人学顺l 。学位论立第二章知识整理和方案确定 图2 一l 故障知识整理划分 上述分类中动作部分是指动臂、斗杆和铲斗部分。由于液压系统是故障多 发系统，要作为单独的一个系统进行考虑。 ( 一) 整机故障的知识总结 所示： 根据上面分类，通过查阅文献，总结了1 5 条整机故障经验知识如表2 1 表2 1 整机故障现象总结表 故障编号所属子系统常见故障现象描述 l 行走部分挖掘机跑偏 2 两侧行走慢 3 行走速度不能改变 4 单侧行走马达不转 5 行走动力小 6 双侧行走马达均不能转动 7 回转部分回转缺少力量速度低 8 当操纵杆回到中位时，回转漂移超量 9 当回转停止时，感到很大的冲击 1 0在斜坡上漂移 l l 上部结构不回转 浙江人学坝j j 学位论文第二章知识整理和方案确定 1 2 动作部分某个油缸动作慢或不运动 1 3 酊部工作装置短暂下降 1 4 前部工作装置明显下降 1 5 油缸速度慢马达速度正常 1 6 突发增力不起作用 考虑到后面推理时对知识的应用，在整机故障的整理过程中充分考虑了 维修人员的维修思路，比方说，维修人员进行挖掘机维修总是要先碰上故障 现象，然后再通过自己的经验和各种必要的测试发现存在的故障原因，以此 逐步进行的。对于整机的故障现象，以表2 2 所示的形式进行了总结。 以“左右行走马达有一侧马达不转”为例收集的故障经验知识如表2 2 所示。 表2 2 故障诊断经验知识举例 现象故障相关的中间信息 信息性质 ( o ) 检查先导油压是否超过1 0 k g f c m 2 自动检测量 ( 1 ) 更换中心接头处的左右马达油管，看是否同样手工操作量 问题发生 左 ( 2 ) 清洗加热油路单向阀手工操作量 右 ( 3 ) 把有问题的- - n 的行走滑闷拆开并清洗手工操作量 马( 4 ) 行走马达故障结论 达 ( 5 ) 控制阎那加热油路的单向阀故障结论 有 ( 6 ) 清洗梭阀( t )手工操作量 ( 7 ) 控制阀内的行走滑阀故障结论 个 不 ( 8 ) 清洗有问题一侧的行走的可变压力补偿阀手工操作量 转 ( 1 3 ) 梭阀故障结论 ( 1 4 ) 先导阀故障结论 ( 1 7 ) 行走的可变压力补偿阀故障结论 ( 1 8 ) 滑阀控制阀故障结论 在上面的表格中，最左边的一栏是故障现象描述，一般来说，在挖掘机故 障诊断中，把可以披人直接感受到的故障称为故障现象。第二栏表示的是跟 - 1 7 - 浙江 = 学硕l 学位论文第二章 知识整理和方案确定 故障现象相关的故障信息共有1 2 条每条信息前的序号i 用来表达信息之间 的关系。信息性质一栏表示信息来源主要分为传感器等检测系统检测的自动 检测量、工作人员参与操作的手工操作量和结论量三类。 ( 二) 子部件故障知识整理 上述的六个子系统中，液压泵、液压缸以及液压系统的知识总结已经比较 成熟【5 6 1 ，其它的几个系统故障总结如下： 1 阍类部件 阀类部件主要包括电液控制阀、减压阀、流量控制阀、先导式溢流阀、液 控单向阀等部件。以电液控制阀为例总结故障如表2 3 所示： 表2 3 电液控制阀故障现象总结表 故障编号常见故障描述 l主阀芯不运动 2 阀芯换向后通过的流量不足 3压力降过大 4 液控换向阀阀芯换向速度不易调节 5 电磁铁过热或线圈烧坏 2 动力机组 动力机组由柴油机、发动机组成，也是故障的多发系统。通过查阅文献总 结了如下的常见故障现象。如表2 4 所示。 表2 4 发动机组常见故障总结 故障编号常见故障描述 发 1 启动马达不转 动2寒冷天气时不易启动 机3在启动l o 秒后，发动机失速 组 4 转速不稳定 5在有负荷时发动机很易失速 7 马达转动但发动机不能启动 1 0 浙江上学埘il ：学位论史第二章知识整理和方案确定 故障编号常见故障描述 8 发动机怠速过高或过低 9发动机转速不改变 l起动困难或无法起动 2转速不稳定 柴3工作时突然停转 油4 柴油机温度过高 机 5机油压力过低 组 6机油压力过高 7 不能承受重载荷 8运转时有敲击声 下面就举一个“柴油机转速不稳定”的经验知识收集的例子，如表2 5 所示。 表2 5 柴油机转速不稳定故障知识表 故障现象故障部件描述 柴 油 机 转 速 不 稳 定 ( o ) 调速器失效 ( 1 ) 燃油不足 ( 2 ) 燃油系统中有空气 ( 4 ) 燃油中有水 ( 5 ) 燃油系统被堵塞 ( 6 ) 机油牌号错了 ( 7 ) 喷油泵各缸喷油量不一致 ( 8 ) 喷油泵柱塞弹簧卡死 ( 9 ) 喷油泵柱塞弹簧折断 ( 1 0 ) 喷油器喷油不正常 ( 1 1 ) 油门操作不灵活 ( - - ) 线路故障和其他子部件故障知识整理 挖掘机如此复杂的多系统设备中间存在着很多错综复杂的线路，所以把 线路部分的故障单独进行总结。其它子部件的故障主要指的是一些附带部件。 如指示灯、雨刮器、各种仪器仪表和机械构件的损伤等。 表2 6 给出了所收集的线路方面的7 个常见故障现象。 1 9 i；。，。，。l 浙江凡学硕士学位论：第二章知识整理和方案确定 表2 6 线路故障现象。 故障编号故障现象描述 l 未发动柴油机时，合上充电开关，充电指示灯不亮。 充电不稳定( 发电机转速超过1 0 0 0 r m i n 时充电指示灯时亮时灭 2 电流表指针摆动的幅度较大。 3发电机的转速超过1 0 0 0 r m i n ，但不发电。 4 起动后小齿轮