基于Tee法的某型实验挖掘机模型的常见液压故障检测及其可视化平台设计

姜鑫

(陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300)

0 前言

挖掘机是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，现已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。文中介绍了一种实验用液压挖掘机模型 (如图1所示)，该模型能够直观、方便和有效地反映挖掘机的具体工作过程，但是在使用过程中也出现了其液压系统的故障多样化和复杂化的特点，如何快速有效地找到故障发生的部位，就成为了保证其正常工作的前提。

图1 实验用液压挖掘机模型

1 挖掘机故障分析

该工作机构具体结构如图2所示。

图2 挖掘机挖掘机构总成

在实验室操作使用过程中，经常出现铲斗油缸3和斗缸油缸5挖掘无力的现象，而且还伴随着举升缓慢，慢速时爬行卡壳，两侧马达转速不同的现象。针对上述现象，可以确定在挖掘机的液压系统中可能出现了故障，但是故障点在哪里，需要做进一步的分析，首先液压系统的故障可以通过系统的工作压力、温度、流量等参数反映出来，通俗地说，就是液压系统工作过程中出现的任何问题都直接或间接地与这几个参数有关。系统工作正常时则参数都工作在预设值附近。若这些参数偏离了预设值，则系统就会出故障或有可能出现故障。

通过检测系统的压力、流量、温度和功率等几个特定的参数值，就可以进一步断定液压回路中的哪个位置参数已偏离了预定值，在此基础之上，现场分析数据，即可快速准确地找出故障之所在。由此可见。进行液压系统状态监测和故障诊断，最关键的就是准确地获取参数。利用参数测量法不仅可以诊断系统故障，而且还能预报可能发生的故障 (即液压系统状态的监测)，并且这种预报和诊断都是定量的，大大提高了诊断的速度与准确性。

2 用Tee参数测量法检测液压系统故障

Tee参数测量法就是液压系统中泵的出口处接入T型接头，接头的另两个接口中一个与测试仪相连，另一个则与工作回路进油口相连，对测量参数的结果进行比对分析，判断系统某个回路中液压元件的性能，这样就可以在不拆卸液压设备的前提下，迅速而简便地检测各类液压系统技术状况及故障所在，常见的检测仪由测试系统与数据处理系统组成。

测试系统包括膜片式安全阀、模拟加载的嵌入式加载阀、硅应变式压力传感器、涡轮转子流量传感器、热电阻温度传感器等集成在一起的集成传感器。该集成传感器是在涡轮流量变送器上嵌入了温度、压力传感器和内置式加载阀，实现温度、压力和流量的同步测量，流量精度满量程误差±1%，流量读数为线性度及零漂移±1位，压力测量范围为0～41.4 MPa，测温范围－20～150℃。系统的结构原理如图3所示。

图3 液压系统检测的结构原理框图

数据处理系统包括接口电路、前置放大器、多通道信号传输电路 (多路开关)、A/D转换电路、AT89C52单片机、液晶显示、触摸开关、蓄电池等。信号获取的过程是:当检测仪接入油路后，压力油分别作用到涡轮流量变送器、压力传感器和温度传感器上。涡轮流量变送器产生的计数脉冲信号经高精度频率电压转换装置 (F/V Converter)转换成与流量成比例的电压信号，压力和温度传感器则直接输出电压信号，这些流量、压力、温度信号通过前置信号处理器调理后进入A/D转换器，由AT89C52单片机处理并计算其相应的功率参数及泄漏量，并进行数据的显示，也可通过打印机打印出来或通过专用接口输出到计算机中去。

3 测试数据分析

通过上述方法［1］，将Tee测量仪接入两泵出口处，测试结果见表1。

表1 测试结果

将表1数据的主泵流量实测值与标准值/限度值比较后，可以看出前后泵的输出流量都偏小，而且前后泵的流量差很大，这是造成动作慢、慢速卡壳的故障原因。继续分析马达转速不同的原因，两侧的马达代表行走系统，而行走系统分别由两个液压泵供油。这两个液压泵还分别担负向铲斗油路和其同向动臂缸和斗缸供油的任务。而马达转速不同只能说明而该机只是行走系统有故障，所以两个液压泵性能正常，下面仍然运用同样的方法检测故障，将挖掘机的铲斗落到地面顶住枕木后同时操纵左右行走操纵杆，观察与记录压力表读数，分别进行前进和后退时的测量，测得数据如表2所示。

表2 压力测量记录表

由表2数据可知，高、低压油由于密封失效，造成高、低压油路渗透。形成在前进时左马达的进油箱和右马达的回油道之间发生渗漏，后退时右马达的进油道和左马达的回油道之间发生渗漏，这样就形成左右压力不等及供油不足、行走较慢的现象。

4 可视化平台设计

通过上面的分析可以明确地得出挖掘机液压故障的原因及产生部位，但是对于动作过程的描述不够直观，为了更加清晰直观的仿真挖掘机的工作过程，各液压缸支承下的工作顺序，利用SOLIDWORKS2012作为设计平台，进行可视化界面设计，设计结果如图4 所示［2］。

图4 挖掘机总装配图界面

在SOLIDWORKS2012装配界面，选择约束和动作，分别对3个液压缸及连接部件编写运动代码，如图5—7所示。

动臂油缸运动代码:STEP(TIME，4，STEP(TIME，1，0，2，200)，5，－100)

斗缸油缸运动代码:STEP(TIME，5，STEP(TIME，2，0，3，－300)，6，50)

铲斗油缸运动代码:STEP(TIME，6，STEP(TIME， 3， STEP(TIME， 0， 0， 1， 130)， 4，－130)，7，100)

图5 动臂油缸运动代码

图6 斗缸油缸运动代码

图7 铲斗油缸运动代码

分别编写好运动代码后，点击“应用”按钮，便将已经编写好的运动代码植入到挖掘机总装配图的相应运动部位，点击“执行”按钮，挖掘机便可以按照指定的要求和速度进行动作，动作过程如图8—10所示，图8为铲斗向下挖掘的动作，图9为铲斗完成挖掘的动作，图10为动臂提升到顶部位置的动作。

通过这样一个利用SOLIDWORKS2012设计的软件平台，非常简单方便地模拟出挖掘机在正常工作时的动作顺序，如果想表现出挖掘机在出现故障时的表现动作时，只需要改写图5或图6、图7中的运动代码即可，学生可以根据视觉表现而明确故障产生的特点及动作次序。

图8 铲斗向下挖掘的动作

图9 铲斗完成挖掘的动作

图10 动臂提升到顶部位置的动作

5 结束语

采用一种实验用挖掘机平台来分析其液压故障，利用Tee法检测其故障的流量和压力参数，经过综合的分析，可以明确故障的发生位置和故障的产生原因，简单、方便、实用，省去了液压维修过程中很多不必要的拆卸、检查、装配和调试环节。同时，为了将故障的特点更加直观地表达出来，利用SOLIDWORKS2012绘制出挖掘机的总装图，编写好运动代码后执行运动，可以清晰地观测出无故障时挖掘机运动过程，同样的原理，只需要修改其运动代码，就可以仿真模拟出挖掘机有故障时的运动过程。这对相应的从业人员具有一定的应用及推广价值。

［1］姜鑫.机电设备故障诊断与维修［M］.咸阳:西北农林科技大学出版社，2014.

［2］詹迪维.SolidWorks2012机械设计教程［M］.北京:机械工业出版社，2012.