旋挖鉆機(jī)液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

王 偉，張焰明

（北京中車重工機(jī)械有限公司，北京 102249）

旋挖鉆機(jī)工況惡劣，加上旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，給鉆機(jī)的維護(hù)管理造成了很大困難，如果旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障，直接影響其施工效率。本文通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭的監(jiān)測(cè)，替代在試驗(yàn)室所做的動(dòng)力頭模擬加載試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭及相關(guān)液壓系統(tǒng)的性能改進(jìn)有一定的指導(dǎo)作用。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提供旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的工況監(jiān)測(cè)和設(shè)備健康管理，保證鉆機(jī)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，可以有效提高鉆機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性，將旋挖鉆機(jī)定期維護(hù)提升為按需維護(hù)與預(yù)測(cè)維護(hù)[1、2]。

1 系統(tǒng)方案

我公司TR系列旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用負(fù)流量控制的主控制回路、先導(dǎo)控制回路，副控制系統(tǒng)為負(fù)載敏感系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 液壓系統(tǒng)示意圖

考慮到旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)涉及的工作參數(shù)信號(hào)較多，且流量傳感器和扭矩傳感器的安裝和使用會(huì)對(duì)旋挖鉆機(jī)的原有機(jī)械和液壓系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，本文確定了直接測(cè)量和間接測(cè)量參數(shù)及測(cè)量方案，整個(gè)旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案如圖2所示。

壓力、流量與溫度這3個(gè)參數(shù)是旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)。直接測(cè)量參數(shù)包括主副泵和先導(dǎo)泵的壓力，馬達(dá)進(jìn)出口壓力、轉(zhuǎn)速，加壓油缸有桿腔無(wú)桿腔壓力、流量，還有油箱油溫等28個(gè)參數(shù)。

間接測(cè)量參數(shù)包括動(dòng)力頭輸出扭矩、加壓油缸加壓力和起拔力、各個(gè)馬達(dá)和加壓油缸的流量等12個(gè)參數(shù)，通過(guò)傳感器測(cè)得的直接測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

動(dòng)力頭馬達(dá)的輸出扭矩是最重要的工作參數(shù)之一，動(dòng)力頭馬達(dá)的輸入扭矩ΣT等于輸出扭矩TL和馬達(dá)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩之和。

式中 ΣT—?jiǎng)恿︻^馬達(dá)的輸入扭矩，Nm；

TL—?jiǎng)恿︻^馬達(dá)的輸出扭矩，Nm；

V—?jiǎng)恿︻^馬達(dá)的排量，mL/r；

ΔP— 動(dòng)力頭馬達(dá)的進(jìn)出口壓力差，MPa；

J—?jiǎng)恿︻^馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2；

— 動(dòng)力頭馬達(dá)的角加速度(動(dòng)力頭馬達(dá)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成角速度求導(dǎo)），rad/s2。

加壓油缸的加壓力F1和起拔力F2是通過(guò)加壓油缸的進(jìn)出口壓力和油缸面積計(jì)算求出。

式中P1—加壓油缸無(wú)桿腔壓力，MPa；

P2—加壓油缸有桿腔壓力，MPa;

D—加壓油缸無(wú)桿腔直徑，mm；

d—加壓油缸活塞桿直徑，mm。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)選用北京阿爾泰ARM8019嵌入式PC104主板，數(shù)據(jù)采集卡采用ART2153直接和主板的PC104接口連接，在WinCE操作系統(tǒng)下，使用C++語(yǔ)言編程完成的，具備RS232串口通信及TCP/IP網(wǎng)口通信功能，多通道采集工作參數(shù)，最高總采樣頻率為500K（可調(diào)），存儲(chǔ)介質(zhì)為128G的固態(tài)硬盤。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

監(jiān)測(cè)報(bào)警根據(jù)傳感器的采集信息，采用單參數(shù)閾值報(bào)警和多參數(shù)綜合分析報(bào)警兩種方式進(jìn)行當(dāng)前旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)報(bào)，報(bào)警電路由聲光報(bào)警電路組成，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)的液壓系統(tǒng)工況參數(shù)跟正常工況值差別程度采用三級(jí)報(bào)警，將不同緊急程度的狀況傳遞給旋挖鉆機(jī)操作人員[4～5]。

圖2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制方案框圖

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框圖

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件采用VC++語(yǔ)言編制，在WinCE操作系統(tǒng)下運(yùn)行，并且本系統(tǒng)無(wú)人操作，系統(tǒng)軟件能夠在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，劃分為數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用來(lái)采集旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工況參數(shù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊基于SQLite關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建[6]，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)由配置數(shù)據(jù)、旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)性能參數(shù)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警異常數(shù)據(jù)組成；數(shù)據(jù)通信模塊用來(lái)連接旋挖鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)ET控制單元，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，完成發(fā)動(dòng)機(jī)ET系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正確通信；數(shù)據(jù)傳輸模塊是將施工現(xiàn)場(chǎng)采集到的旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工作參數(shù)數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)ET系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸給其他設(shè)備，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)USB接口利用“Microsoft ActiveSync”（基于Windows Mobile的設(shè)備的最新同步軟件）傳輸?shù)狡渌?jì)算機(jī)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整個(gè)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)軟件流程圖

3 采集數(shù)據(jù)處理

采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理包括以下3個(gè)部分。

1）數(shù)據(jù)采集前的低通濾波和4～20mA電流轉(zhuǎn)換成1～5V電壓，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)。

2）數(shù)據(jù)采集后的參數(shù)值到實(shí)際值的轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)參數(shù)值計(jì)算出各執(zhí)行元件的參數(shù)通過(guò)采集卡的編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)AD原碼LSB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的電壓值進(jìn)行滑動(dòng)平均濾波，然后將傳感器的電壓值轉(zhuǎn)換成實(shí)際的測(cè)試量，計(jì)算出旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)工作參數(shù)的數(shù)值。

3）數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)的數(shù)據(jù)處理通過(guò)程序編程和SQLite關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)一起實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為車載式系統(tǒng)，在長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)過(guò)程中會(huì)采集海量的數(shù)據(jù)，本文進(jìn)行了海量采集數(shù)據(jù)的壓縮處理。

旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)在正常工作時(shí)，各個(gè)液壓回路不是同時(shí)進(jìn)行，即有單獨(dú)工作、復(fù)合工作又有協(xié)調(diào)工作，并且各個(gè)回路在整個(gè)旋挖鉆機(jī)工作過(guò)程中所用工作時(shí)間不同。為了便于采集數(shù)據(jù)的壓縮處理，首先在監(jiān)測(cè)過(guò)程中判定旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)液壓工作回路。

海量采集數(shù)據(jù)的壓縮處理：①無(wú)報(bào)警時(shí)的采集數(shù)據(jù)，將1s內(nèi)的各通道采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理外，在判定其工作液壓回路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步壓縮。對(duì)于沒(méi)有工作的液壓回路，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本上無(wú)變化，在進(jìn)行存儲(chǔ)的時(shí)候，存儲(chǔ)不變的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和其持續(xù)的時(shí)間；②有報(bào)警時(shí)的采集數(shù)據(jù)，在判定其工作液壓回路的基礎(chǔ)上，有故障回路的采集數(shù)據(jù)只進(jìn)行信號(hào)調(diào)理然后存儲(chǔ)，回路沒(méi)有異常的通道采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值處理外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)變化時(shí)，存儲(chǔ)不變的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和其持續(xù)的時(shí)間。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出

對(duì)北京中車重工某型號(hào)旋挖鉆機(jī)做測(cè)試，得出結(jié)果如下：動(dòng)力頭在6檔打土加壓的工作情況下壓力、流量、功率曲線如圖5所示。

圖5 旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭測(cè)試

主卷在鉆機(jī)6檔(1600rpm)提升鉆桿（含鉆斗）深井，有水。總長(zhǎng)第二節(jié)鉆桿出（23m）的工作情況下壓力、流量、功率曲線如圖6所示。

圖6 旋挖鉆機(jī)主卷測(cè)試

5 結(jié) 論

1）分析了旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的工作性能參數(shù)及其相互關(guān)系，確定了直接監(jiān)測(cè)參數(shù)和間接測(cè)量參數(shù)及測(cè)量方案，完成了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

2）完成了旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，不改變旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，不需要人工操作。

3）本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)旋挖鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，預(yù)期可以替代實(shí)驗(yàn)室動(dòng)力頭加載試驗(yàn)。

4）設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)算法，采集的液壓系統(tǒng)工作性能參數(shù)進(jìn)行處理后，大幅度減小了數(shù)據(jù)量，所占內(nèi)存減小，并且不失真的反映了各個(gè)液壓回路的運(yùn)行狀況。

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