随着电子、计算机与控制等信息技术的不断发展,工程车辆电子监控化已经成为工程车辆技术的主要发展趋势,而且工程车辆电子化程度已经成为衡量其技术水平高低的重要标志。工程车辆是集机、电、液于一体的复杂系统,运行参数多,工作环境恶劣，为了及时发现隐患,避免故障发生或进一步发展,操纵人员必须能随时地检查整机运行状态,了解各种参数的现场情况.
1.监控参数的选择
监控参数是在分析工程车辆工作特点和参考他人工作经验确定的.本文所选参数能够有效地监测整机的工作状态,对车辆工作的安全性、可靠性起着重要作用.
1.1 发动机冷却水温度
柴油机工作热负荷大,必须有良好的散热条件,因此冷却系统工作状态应予以监控.反映冷却系统工作状态的两个主要参数是冷却水温度和冷却水液位,而其中又以冷却水温度为主.冷却水应保持正常的工作温度,避免冷却水沸腾.若水温过高会引起零件热变形,降低其机械强度和刚度,破坏润滑油膜,降低充气效率等[3];若水温过低会引起燃料消耗率增大,机油粘度增高,导致摩擦阻力升高,输出功率减少等。
1.2 发动机机油压力
发动机可靠工作的两个前提条件是:燃料系统供应正常,冷却系统工作正常,对于燃料系统的工作状态,可以通过发动机的机油压力和燃油压力来反映,油压过高、过低都是工作不正常的表现.机油压力过低,摩擦副表面得不到良好的润滑,使零件加速磨损,甚至造成轴瓦烧坏而严重损坏发动机等严重故障;机油压力过高,使机油泵负荷增大,因而加快磨损和增大功率消耗,并使机油在管道中的漏失增加,使 润滑条件非常恶化,曲轴在旋转过程中激溅到缸套内壁的润滑油大大增加,若活塞环在工作时不能将多余的润滑油刮下,会造成润滑油氧化、烧焦,以致胶结活塞环,使活塞环失去弹性,漏气量增加,导致柴油机功率下降.油压过高,也会涨裂油管和机油滤清器等处的密封垫。
1.3 制动器气压
以压缩空气作为原动力代替人的体力驱动的液压驱动机构,是大型工程车辆上普遍采用的气液综合式制动驱动机构.根据制动器的工作原理,当制动器压缩空气压力过低时,将导致制动器故障.
1.4 液压油温度
液压系统工作时,油液的压力损失、容积损失和机械损失等都转化为热能,使得油液温度升高.油液温度过高将会使油液粘度下降,系统漏油量增大,从而使系统的容积效率降低.同时,由于油液粘度的下降,还会使运动副间的油膜被破坏,造成摩擦阻力增大,导致系统发热；油温过高也会使橡胶密封件变形,加速老化失效,造成系统泄漏,而泄漏的产生又将使油液进一步产生温升;油温过高还将使液压元件中热膨胀系数不同的运动副间的间隙变小或发生阻卡现象,引起动作失灵;油温过高,还会加速油液氧化变质[4].所以,在设备工作过程中,对系统的油液温度进行监控,是保证设备正常工作,并具有良好的工作性能的有力举措.
1.5 蓄电池电压
工程车辆的动力源绝大多数为柴油机,而且这种柴油机一般均用蓄电池带动直流电机进行启动,电动机轴上的齿轮与飞轮上的齿轮啮合,当开启电源开关时,蓄电池驱动电动机带动曲轴旋转,这种起动方式极为方便,但是可靠性受蓄电池充电情况的限制,有效起动电压有一个下限值.因此要监控蓄电池电桩电压,以防在下次起动时失灵.这在野外作业时尤其重要.
1.6 燃油量
发动机起动后,车辆开始了工作,燃油油量是否够用,应能得到监控.这个参量可以使操纵人员了解燃油的使用情况和剩余燃油量.除了上述所选参数以外,发动机转速、液压油压力及滤清器堵塞也要予以监控.
2 电子监控系统的组成
运用传感器和电子测量技术对工程车辆的工作状况进行实时监控,可以及时反映机器的运行情况,及时发现故障的隐患,使机器的维护更加简洁、方便.电子监控系统的工作过程是:各通道的监控参数通过相应的传感器变成电信号,经过变换和滤波变成统一的逻辑信号送微处理器[5],用相应的算法判断各参数是否越限,并形成相应的故障特征标志,根据故障特征标志产生相应的输出驱动信号,使显示、报警单元工作,给出三级报警.在工程车辆上采用的电子监控系统。
3 电子监控系统硬件设计
工程车辆电子监控系统由硬件部分和软件部分构成.硬件部分构成了整个系统的实体,软件部分构成了整个系统的核心,两者相互依存,构成稳定、可靠的监控系统.因此,监控系统的设计分成硬件电路设计和软件程序设计两部分.
3.1 微处理器[6]
美国CYGNAL集成产品公司最近推出了功能强大的混合信号系统级高速芯片(SoC)C8051Fxxx系列单片机.共有4个子系列:C8051F0xx系列、C8051F02x系列、C8051F2xx系列和C8051F3xx系列.
本文采用的是C8051F02x系列的C8051F022单片机.
C80http://www.51lunwen.com/clgongcheng/2011/0820/lw201108201247541938.html51F02x系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机..芯片上有64位数字I/O口(C8051F020/2)或32位数字I/O口(C8051F021/3).主要特性如下:
1) 25MIPS高速流水线式8051兼容的微控制器内核.
2)全速、非侵入式的在系统调试接口.
3)真正12位(C8051F020/1)或10位(C8051F022/3)、100ks/s的8通道ADC(ADC0),带1个可编程增益放大器和模拟多路开关.
4) 8路8位ADC(ADC1)(输入与P1口复用),采样速率500ks/s.
5)两个12位DAC.
6) 64K字节可在系统编程的FLASH存储器.
7) 4352(4096+256)字节的片内RAM.
8)可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口.
9)硬件实现SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口.
10) 5个通用的16位定时器
11)具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列
12)片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器
具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统.每个MCU都可在工业温度范围(-45~+85)内用2.7~3.6V的电压工作.端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压.
3.2 显示报警单元
报警单元包括:1个主灯、8个故障项发光二极管和1个蜂鸣器;显示部分采用精电蓬远公司的字符型MDL(S)—20268液晶显示器.
4 电子监控系统的软件设计
软件程序由监控程序、中断服务子程序和显示子程序等组成.监控软件的任务是:完成水温、机油压力、发动机转速、制动器气压、燃油量及蓄电池电压等参数的采集、计算并显示各参数值;判断各参数是否越限,若越限则根据其相应的故障特征给予三级报警等.因此,监控程序主要包括以下几个模块:测试模块、显示报警模块及故障诊断模块等.
三级报警故障诊断监控系统的高可靠性传感器,直接获取各运行部分的工况参数,如发动机冷却水温度、发动机机油压力、制动器气压、液压油温度、液压油压力、蓄电池电压、燃油量、滤清器状态等,时刻监控收集工作状况参数的变化,并加以综合[7].根据监控出的故障性质,把程度不同的紧急状况传递给操纵人员,实现一种三级报警:
第一级报警:系统装置面板上相应的发光二极管闪烁,它不要求操纵人员立即采取紧急措施,但可在方便的时候进行检修.例如:蓄电池电压,燃油量.
第二级报警:主灯报警灯闪光以及相应发光二极管闪烁,要求操纵人员立即注视故障,但不需要立即关闭发动机.对于高温问题,司机可采取停机、挂上停车制动器,并且检查冷却液漏损和传动系统等.属于二级报警的参数有:液压油温度、滤清器堵塞、液压油压力.
第三级报警:主灯报警灯闪光,报警蜂鸣器发出声响以及相应发光二极管闪烁.属于三级报警的参数有:发动机冷却水温度、发动机机油压力和制动器气压.采取的措施是先停车,后关闭发动机,检查并修理.采取这套系统的好处,一是使恶性故障得到及时发现与控制,防止隐患酿成事故.二是能够对故障的轻重缓急,区别对待,提高了使用中的可靠性.故障分级输出的程序框图。
5.结束语
本系统运用C8051F系列单片机的强大功能,实现了对工程车辆多个运行参数的同步监控,使操纵人员能实时掌握车辆的运行情况,提高了工程车辆工作的安全性、稳定性和可靠性.
参考文献:
[1]张金兴.对工程机械发展的思考[J].工程机械,2001,32 (12):26-28.
[2]龙水根.机电液一体化技术在工程机械的应用与发展[J].工程机械与维修,2001,(4):38-39.
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[4]刘大生.工程机械工况参数监测及故障报警系统的研究与开发[D].大连:大连理工大学,2000.
[5]王振友,陈 平, 李业德.机动车辆性能测试中的单片机应用[J].山东工程学院学报,1996,10(1):11-14.
[6]李 刚,林 凌.与8051兼容的高性能、高速单片机———C8051Fxxx[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[7]田少民.工程机械的状态监测与故障诊断技术[J].工程机械,2001,32(1):26-30.
