智能化挖掘机在线监测与故障诊断研究现状

王志明 王雷振

摘要：本文分别从在线监测、故障诊断两个方面对智能化挖掘机的研究现状进行了综述。作者根据自己的从业经验对智能化挖掘机在线监测与故障诊断技术的发展所面临的问题进行了分析，并对其未来的发展进行了展望。

关键词：在线监测  故障诊断  智能化挖掘机  综述  展望

中图分类号：TG712  文献标识码：A

1引言

挖掘机作为一种常用的大型工程机械装备，广泛的应用于民用、军用等领域，应用范围十分广泛。在日常生活中的各个方面都有所应用。传统挖掘机主要依靠驾驶员完成相关的工况任务，该作业方式仍然是当下挖掘机的主要作业方式。但该种作业方式存在着下面几个缺点和不足：1、存在着挖掘机消耗的功耗大，耗油量多的问题;2、驾驶员操作困难，针对某些特殊的工况场合对驾驶员的高的操作技术无疑是一种考验;3、驾驶员的工作环境恶劣，挖掘机常常需要在施工现场进行施工，复杂和极端的工作环境也是传统作业方式的一大弊端;4、劳动强度大，驾驶员在挖掘机中的平均作业时间往往超过10小时。

随着近些年来，自动化控制技术、信息技术、传感技术以及液压动力技术的迅速发展，为解决以上传统挖掘机作业模式出现的问题[1]提供了解决的办法和便利。智能化、自主化已成为眼下挖掘机的主要发展趋势，即智能化挖掘机技术。智能化挖掘机从定义上来看指的是不需人工进行作业、可以通过视觉识别、传感技术、工况环境进行在线判断从而挖掘机系统自动发出操作指令的一种智能施工技术。而智能挖掘机智能化的实现必须依赖于对复杂工况具备判断能力以及自我故障问题的诊断。因此，在线监测与故障诊断技术是智能挖掘机中的关键技术，它的发展决定了未来智能挖掘机的发展情况和发展趋势[2-3]。

本文分别从在线监测、故障诊断两个方面对智能化挖掘机的研究现状进行了综述，分析其当前发展存在的问题，并对其未来发展趋势进行展望。为智能挖掘机今后的发展提高技术支持。

2 在线监测技术

2.1 国外在线监测技术发展

在线监测技术是挖掘机上常用的关键技术之一，近年来各方面对其发展均作出自己的努力。早些年，德国O&K公司就针对挖掘机的在线监测技术进行了一些列的研究，该公司经过不断的努力最终开发出了挖掘机监控系统。该监控系统为挖掘机在线监测的早期原型。该系统可以很好的协助驾驶员在进行操作时对于复杂施工环境的判断，可以帮助操作人员应对各种复杂工况并对挖掘机自身的整体工作性能有所掌握。这就在很大程度上提高了挖掘机的健康指数，可以有效的避免故障的发生，提高了持续工作的时间。日本的小松公司研发的康查士管理系统对挖掘机的在线监测发展又更加的推动了一步，该在线监测系统可以很轻松的完成对挖掘机在工作时的各方面性能指标的检测，如：油耗量、设备油压、油腔内的颗粒污染指数以及电控系统的工作情况等。该系统更加的智能化可以将挖掘机的整体运行状况上传到公司的整体监控服务器，驾驶员可以和挖掘机的正常工况参数进行比对，从而对挖掘机的整体运行状态做出自己的判断，这样就在很大的程度上避免了故障的发生几率。韩国机械材料研究所LEE等[4]提出了一种可以通过分析液压油污染程度来检测大型挖掘机齿轮传动箱的磨损程度的方法。该办法的提出，对挖掘机的在线监测提供了新的研判渠道。

2.2 国内在线监测技术发展

在國内，针对于挖掘机的在线监测技术，许多专家学者也做出了努力。如：河北天远集团组织研发的“工程机械远程监控系统”，该系统可以实现对在线的大型工程装备的远程在线监测，实时的将该设备的整体工作情况通过信号发生端口传输到中央监控系统中，从而实现对设备的健康状况以及各方面性能参数的检测，帮助驾驶员或者操作人员排除故障。石家庄铁道大学冯萧等[5]研究了油液在线监测技术，该工作主要是从业挖掘机的油液情况来实现对挖掘机的在线监测工作。当挖掘机的油液中的颗粒杂质超过一定的指标参数时，即可以认为挖掘机的工作性能受到了影响。该团队的研究成果为挖掘机在线监测提供了新的方法，也为后来挖掘机的故障诊断提供了依据。三一重工集团对挖掘机在线监测技术也开展了大量的研究，经过努力，研发出一款可以实现对挖掘机进行在线检测、数据处理、整体运行状态调整的综合在线检测系统。近年来，挖掘机在线监测技术虽然在国内发展迅速，但与国外相比还是有很大的差距，在今后的技术研发上仍然要做出更多的努力。

3 故障诊断技术

故障诊断技术作为智能挖掘机发展的关键技术之一，随着传感器技术、信息技术的不断进步，近年来也迎来了快速发展。

3.1 国外故障诊断技术

在国外，美国的特彼勒公司通过组织相关的技术人员对挖掘机的故障诊断分析技术进行了研发，最终该公式研发出了一款可以实现对挖掘机在进行作业时，实时的搜集挖掘机作业关键参数的系统。当搜集到相关关键信息后，系统内部可以通过相应的运算程序对挖掘机的故障指标进行判断，从而提出检查故障以及排除故障的建议。该系统的实现可以帮助驾驶员在操作时，实时的对挖掘机的运行状态进行调整，有助于排除挖掘机的工作故障。美国捷尔杰公司研发的的Clear Sky系统，是一款可以帮助维修人员快速找到设备故障点位置的系统，一旦挖掘机的运行发生了异常，该系统可以准确的在线提供故障点位置，帮助设备维修人员进行故障查找及排除，能够有效的缩短设备维修时间和成本。

3.2 国内故障诊断技术

在国内，徐工研发的物联网系统可以在很大限度上实现对搜集到的挖掘机运行参数进行数据分析，对分析后的数据进行实时监测，从而可以实现对挖掘机设备的远程监控与故障诊断。帮助操作人员对挖掘机的整体工况和性能提出有效的故障排除。随着机器学习在故障诊断领域的应用，极大的促进了挖掘机故障诊断技术的发展。石家庄铁道大学LI等[6]基于双谱熵和深度置信网络（Deep belief networks，DBN）技术，将二者进行相结合，二者技术的相互融合可以有效的实现对液压泵故障进行预测，从而解决挖掘机上关键部件的故障排除工作。中南大学的HE[7]采用偏最小二乘回归、模糊聚类和主成分分析的方法实现了对挖掘机的液压系统进行故障诊断。该方法的有效性对排除挖掘机故障起到的极大的作用。此外，HE等基于动态主成分分析方法，对智能挖掘机的液压系统开展了进一步的研究工作，促进了对液压系统进行检测的发展。综上所述，大部分诊断方法只研究了单个故障，对多故障联合发生的情况研究较少国内工程机械在故障诊断领域虽然发展迅猛，但国内设备主要针对单机现场监控，在远程状态实时监测与故障诊断方面与国外差距较大，监控核心装备大部分依赖进口。

4 现状分析

通过以上分析可以看出，挖掘机在线监测和故障诊断还存在以下问题：在线监测系统主要针对挖掘机液压系统，对其他系统研究较少;在线监测参数类型单一，大多数在线监测只是针对于某一类型，缺少对多参数的共同检测;国内远程故障诊断智能化程度低，虽然企业与客户实现了远距离故障诊断对接，但仍需工程师判断故障并进行维修，智能化程度有待进一步提高。

5 结论

智能挖掘机系统构成极为复杂，它由多个子系统组成，短时间内存在多个源故障并发的可能，导致多个子系统功能异常。因此，继续推动挖掘机的在线监测技术和故障诊断技术的发展对推动智能挖掘机的进一步发展至关重要。

参考文献

[1]肖清，王庆丰，张彦廷，等. 液压挖掘机混合动力系统建模及控制策略研究[J]. 浙江大学学报（工学版），2007，041（003）：480-483，528.

[2]华正锋、吴炳帅、张广昌、李峻峰、仇珣. LY18微型挖掘机[J]. 机械设计，2020，v.37（S2）：332-332.

[3]张园成. 挖掘机触觉感知挖掘的研究[D]. 兰州理工大学，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]馮萧. 基于WiFi和虚拟仪器的工程机械参数监测及故障诊断系统研究与开发[D]. 石家庄：石家庄铁道大学，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.