智能化挖掘機在線監測與故障診斷研究現狀

王志明 王雷振

摘要：本文分別從在線監測、故障診斷兩個方面對智能化挖掘機的研究現狀進行了綜述。作者根據自己的從業經驗對智能化挖掘機在線監測與故障診斷技術的發展所面臨的問題進行了分析，并對其未來的發展進行了展望。

關鍵詞：在線監測 ?故障診斷 ?智能化挖掘機 ?綜述 ?展望

中圖分類號：TG712 ?文獻標識碼：A

1引言

挖掘機作為一種常用的大型工程機械裝備，廣泛的應用于民用、軍用等領域，應用范圍十分廣泛。在日常生活中的各個方面都有所應用。傳統挖掘機主要依靠駕駛員完成相關的工況任務，該作業方式仍然是當下挖掘機的主要作業方式。但該種作業方式存在著下面幾個缺點和不足：1、存在著挖掘機消耗的功耗大，耗油量多的問題;2、駕駛員操作困難，針對某些特殊的工況場合對駕駛員的高的操作技術無疑是一種考驗;3、駕駛員的工作環境惡劣，挖掘機常常需要在施工現場進行施工，復雜和極端的工作環境也是傳統作業方式的一大弊端;4、勞動強度大，駕駛員在挖掘機中的平均作業時間往往超過10小時。

隨著近些年來，自動化控制技術、信息技術、傳感技術以及液壓動力技術的迅速發展，為解決以上傳統挖掘機作業模式出現的問題[1]提供了解決的辦法和便利。智能化、自主化已成為眼下挖掘機的主要發展趨勢，即智能化挖掘機技術。智能化挖掘機從定義上來看指的是不需人工進行作業、可以通過視覺識別、傳感技術、工況環境進行在線判斷從而挖掘機系統自動發出操作指令的一種智能施工技術。而智能挖掘機智能化的實現必須依賴于對復雜工況具備判斷能力以及自我故障問題的診斷。因此，在線監測與故障診斷技術是智能挖掘機中的關鍵技術，它的發展決定了未來智能挖掘機的發展情況和發展趨勢[2-3]。

本文分別從在線監測、故障診斷兩個方面對智能化挖掘機的研究現狀進行了綜述，分析其當前發展存在的問題，并對其未來發展趨勢進行展望。為智能挖掘機今后的發展提高技術支持。

2 在線監測技術

2.1 國外在線監測技術發展

在線監測技術是挖掘機上常用的關鍵技術之一，近年來各方面對其發展均作出自己的努力。早些年，德國O&K公司就針對挖掘機的在線監測技術進行了一些列的研究，該公司經過不斷的努力最終開發出了挖掘機監控系統。該監控系統為挖掘機在線監測的早期原型。該系統可以很好的協助駕駛員在進行操作時對于復雜施工環境的判斷，可以幫助操作人員應對各種復雜工況并對挖掘機自身的整體工作性能有所掌握。這就在很大程度上提高了挖掘機的健康指數，可以有效的避免故障的發生，提高了持續工作的時間。日本的小松公司研發的康查士管理系統對挖掘機的在線監測發展又更加的推動了一步，該在線監測系統可以很輕松的完成對挖掘機在工作時的各方面性能指標的檢測，如：油耗量、設備油壓、油腔內的顆粒污染指數以及電控系統的工作情況等。該系統更加的智能化可以將挖掘機的整體運行狀況上傳到公司的整體監控服務器，駕駛員可以和挖掘機的正常工況參數進行比對，從而對挖掘機的整體運行狀態做出自己的判斷，這樣就在很大的程度上避免了故障的發生幾率。韓國機械材料研究所LEE等[4]提出了一種可以通過分析液壓油污染程度來檢測大型挖掘機齒輪傳動箱的磨損程度的方法。該辦法的提出，對挖掘機的在線監測提供了新的研判渠道。

2.2 國內在線監測技術發展

在國內，針對于挖掘機的在線監測技術，許多專家學者也做出了努力。如：河北天遠集團組織研發的“工程機械遠程監控系統”，該系統可以實現對在線的大型工程裝備的遠程在線監測，實時的將該設備的整體工作情況通過信號發生端口傳輸到中央監控系統中，從而實現對設備的健康狀況以及各方面性能參數的檢測，幫助駕駛員或者操作人員排除故障。石家莊鐵道大學馮蕭等[5]研究了油液在線監測技術，該工作主要是從業挖掘機的油液情況來實現對挖掘機的在線監測工作。當挖掘機的油液中的顆粒雜質超過一定的指標參數時，即可以認為挖掘機的工作性能受到了影響。該團隊的研究成果為挖掘機在線監測提供了新的方法，也為后來挖掘機的故障診斷提供了依據。三一重工集團對挖掘機在線監測技術也開展了大量的研究，經過努力，研發出一款可以實現對挖掘機進行在線檢測、數據處理、整體運行狀態調整的綜合在線檢測系統。近年來，挖掘機在線監測技術雖然在國內發展迅速，但與國外相比還是有很大的差距，在今后的技術研發上仍然要做出更多的努力。

3 故障診斷技術

故障診斷技術作為智能挖掘機發展的關鍵技術之一，隨著傳感器技術、信息技術的不斷進步，近年來也迎來了快速發展。

3.1 國外故障診斷技術

在國外，美國的特彼勒公司通過組織相關的技術人員對挖掘機的故障診斷分析技術進行了研發，最終該公式研發出了一款可以實現對挖掘機在進行作業時，實時的搜集挖掘機作業關鍵參數的系統。當搜集到相關關鍵信息后，系統內部可以通過相應的運算程序對挖掘機的故障指標進行判斷，從而提出檢查故障以及排除故障的建議。該系統的實現可以幫助駕駛員在操作時，實時的對挖掘機的運行狀態進行調整，有助于排除挖掘機的工作故障。美國捷爾杰公司研發的的Clear Sky系統，是一款可以幫助維修人員快速找到設備故障點位置的系統，一旦挖掘機的運行發生了異常，該系統可以準確的在線提供故障點位置，幫助設備維修人員進行故障查找及排除，能夠有效的縮短設備維修時間和成本。

3.2 國內故障診斷技術

在國內，徐工研發的物聯網系統可以在很大限度上實現對搜集到的挖掘機運行參數進行數據分析，對分析后的數據進行實時監測，從而可以實現對挖掘機設備的遠程監控與故障診斷。幫助操作人員對挖掘機的整體工況和性能提出有效的故障排除。隨著機器學習在故障診斷領域的應用，極大的促進了挖掘機故障診斷技術的發展。石家莊鐵道大學LI等[6]基于雙譜熵和深度置信網絡（Deep belief networks，DBN）技術，將二者進行相結合，二者技術的相互融合可以有效的實現對液壓泵故障進行預測，從而解決挖掘機上關鍵部件的故障排除工作。中南大學的HE[7]采用偏最小二乘回歸、模糊聚類和主成分分析的方法實現了對挖掘機的液壓系統進行故障診斷。該方法的有效性對排除挖掘機故障起到的極大的作用。此外，HE等基于動態主成分分析方法，對智能挖掘機的液壓系統開展了進一步的研究工作，促進了對液壓系統進行檢測的發展。綜上所述，大部分診斷方法只研究了單個故障，對多故障聯合發生的情況研究較少國內工程機械在故障診斷領域雖然發展迅猛，但國內設備主要針對單機現場監控，在遠程狀態實時監測與故障診斷方面與國外差距較大，監控核心裝備大部分依賴進口。

4 現狀分析

通過以上分析可以看出，挖掘機在線監測和故障診斷還存在以下問題：在線監測系統主要針對挖掘機液壓系統，對其他系統研究較少;在線監測參數類型單一，大多數在線監測只是針對于某一類型，缺少對多參數的共同檢測;國內遠程故障診斷智能化程度低，雖然企業與客戶實現了遠距離故障診斷對接，但仍需工程師判斷故障并進行維修，智能化程度有待進一步提高。

5 結論

智能挖掘機系統構成極為復雜，它由多個子系統組成，短時間內存在多個源故障并發的可能，導致多個子系統功能異常。因此，繼續推動挖掘機的在線監測技術和故障診斷技術的發展對推動智能挖掘機的進一步發展至關重要。

參考文獻

[1]肖清，王慶豐，張彥廷，等. 液壓挖掘機混合動力系統建模及控制策略研究[J]. 浙江大學學報（工學版），2007，041（003）：480-483，528.

[2]華正鋒、吳炳帥、張廣昌、李峻峰、仇珣. LY18微型挖掘機[J]. 機械設計，2020，v.37（S2）：332-332.

[3]張園成. 挖掘機觸覺感知挖掘的研究[D]. 蘭州理工大學，2011.

[4]Lee Y B. A study of the life test of hydraulic pump driving gear box for the large excavator[J]. Journal of the Korean Society of Marine Engineering，2015，39（3）：211-216.

[5]馮蕭. 基于WiFi和虛擬儀器的工程機械參數監測及故障診斷系統研究與開發[D]. 石家莊：石家莊鐵道大學，2018.

[6]Li H，Tian Z，Yu H，et al. Fault prognosis of hydraulic pump based on bispectrum entropy and deep belief network[J]. Measurement Science Review，2019，19（5）：195-203.

[7]He X Y，He Q H，Xie X H，et al. Fault diagnosis of excavator hydraulic system based on partial least squares regression[J]. Journal of Central South University，2007，38（6）：1152-1156.