工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)啟停狀態(tài)監(jiān)控探究

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摘要：隨著大型工程數(shù)量逐漸增多，工程機(jī)械需求也與日俱增。工程機(jī)械作為施工企業(yè)主要生產(chǎn)資料，日常運(yùn)營維護(hù)是一項(xiàng)較大的成本支出。由于工程機(jī)械作業(yè)任務(wù)復(fù)雜性，不同作業(yè)狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)具體情況各不相同；若無法準(zhǔn)確掌握各作業(yè)狀態(tài)作業(yè)時(shí)長，就會(huì)導(dǎo)致工程機(jī)械使用狀態(tài)處于無法測算，不受監(jiān)控狀態(tài)，給企業(yè)日常管理、計(jì)劃核算帶來極大不便。因此，對(duì)于工程機(jī)械的使用調(diào)度情況需要更加準(zhǔn)確的進(jìn)行控制，以確保工程機(jī)械利用率達(dá)到最大；而工程機(jī)械監(jiān)控需要監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，才能得到最準(zhǔn)確的運(yùn)行情況。目前，工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測方法較為稀缺，而傳統(tǒng)的私家車發(fā)動(dòng)機(jī)有成熟的監(jiān)控方法，優(yōu)先嘗試把成熟私家車發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控方法移植到工程車輛上，但是過去傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控技術(shù)并不一定適合工程機(jī)械，因此需要選擇一種合適的監(jiān)控方法。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械啟停監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)

1發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)監(jiān)測方法

常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法通常包括以下六部分內(nèi)容。

1.1發(fā)動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測

發(fā)動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測是通過發(fā)動(dòng)機(jī)溫度變化來監(jiān)測。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，溫度會(huì)顯著升高；在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，溫度理會(huì)逐漸降至周圍溫度。因此，可以用溫度傳感器來監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)啟停狀態(tài)，在設(shè)定好溫度傳感器恰當(dāng)閾值后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度上升，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度突破設(shè)定閾值，將觸發(fā)溫度傳感器，傳感器判斷發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度降低至溫度傳感器設(shè)定閾值下，溫度傳感器判斷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉。因此溫度傳感器的閾值設(shè)置是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)啟停的關(guān)鍵。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部汽油、柴油燃燒產(chǎn)生的溫度大約能達(dá)到2000℃～2500℃，但是燃燒產(chǎn)生的溫度并不會(huì)直接傳到氣缸上，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)作用下發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作溫度在90℃～130℃之間。因而，溫度傳感器的閾值上限應(yīng)不高于90℃；閾值下限需要整體考慮當(dāng)?shù)販囟惹闆r，定出合適的閾值下限。同時(shí)，閾值的具體設(shè)定需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)閾值所需的時(shí)間。

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)油耗監(jiān)測

發(fā)動(dòng)機(jī)油耗監(jiān)測一般是通過在進(jìn)油口處安裝流量計(jì)傳感器來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的油耗信息。油量傳感器一般利用霍爾感應(yīng)原理來進(jìn)行測量，能夠在一定時(shí)間內(nèi)測量出通過進(jìn)油口的油量，再除以設(shè)定時(shí)間，就能實(shí)時(shí)得出發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗信息。

1.3蓄電池電壓監(jiān)測

發(fā)動(dòng)機(jī)蓄電池主要分為鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池和鉛酸電池，蓄電池在車輛內(nèi)的作用如下：第一，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可以產(chǎn)生10A左右的電流協(xié)助發(fā)動(dòng)；第二，在汽車發(fā)電機(jī)發(fā)電功率不足時(shí)，可以給車內(nèi)設(shè)備供電；第三，蓄電池還能作為穩(wěn)壓器，向車內(nèi)設(shè)備提供穩(wěn)定電壓；第四，在發(fā)電機(jī)的電勢能大于蓄電池時(shí)，蓄電池會(huì)儲(chǔ)存多出的電能。因此，在蓄電池端并聯(lián)上電壓傳感器，就能判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停狀態(tài)。

1.4發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測

發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后，會(huì)因?yàn)榛钊\(yùn)動(dòng)帶來周期性振動(dòng)，所以可以通過振動(dòng)傳感器來監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)而判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)；發(fā)動(dòng)機(jī)停止后，也能設(shè)置在一段時(shí)間后判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，傳感器必須要擁有一定耐高溫能力。目前，市面上的高溫振動(dòng)傳感器一般有以下兩種類型。

1.4.1IEPE式高溫振動(dòng)傳感器：

該傳感器內(nèi)部集成了電路元件，由于電路元件無法承受過高溫度，所以傳感器無法承受高于170℃的溫度。但是安裝使用方便，成本較低，選擇合適安裝位置不會(huì)超過其溫度承受上限。

1.4.2電荷式高溫振動(dòng)傳感器

電荷式的傳感器使用的陶瓷材料，最高可以承受不高于482℃的溫度?？墒翘沾稍渥陨碛蟹浅８叩淖杩梗枰趥鞲衅魑膊扛郊右粋€(gè)電荷轉(zhuǎn)換裝置，把振動(dòng)電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

1.5發(fā)動(dòng)機(jī)加速度監(jiān)測

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，一般伴隨著車輛運(yùn)行；發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，車輛會(huì)在阻力作用下逐漸停止，這使得利用加速度傳感器監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)啟停狀態(tài)成為了可能。車輛在啟動(dòng)后，在發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下，加速度突然增加；之后在阻力作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力等于阻力，加速度為零。加速度傳感器可以通過這個(gè)信號(hào)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；在車輛剎車時(shí)，阻力增大，加速度變?yōu)樨?fù)數(shù)，在車輛停下后，加速度變?yōu)榱悖藭r(shí)可以判斷為發(fā)動(dòng)機(jī)停止。加速度傳感器一般分為壓電式、壓阻式、電容式和伺服式，一般使用電容式傳感器，既保證小巧又保證了較低的成本。

1.6發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量一般都是通過在車輪安裝霍爾傳感器測量車輪轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。在車輪處安裝相應(yīng)磁性元件，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性元件經(jīng)過霍爾傳感器，此時(shí)傳感器就感應(yīng)到車輪轉(zhuǎn)過了一圈。通過轉(zhuǎn)過圈數(shù)和時(shí)間比值就能得到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2用于工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測方法分析

2.1可行分析

2.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測

環(huán)境溫度25℃，發(fā)動(dòng)機(jī)使用普通水冷系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體處安裝pt100接觸式溫度傳感器，以此傳感器測出發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的溫度—時(shí)間曲線；發(fā)動(dòng)機(jī)停止的溫度—時(shí)間曲線。根據(jù)測試采樣結(jié)果，當(dāng)溫度傳感器閾值設(shè)定在65℃，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后3.47min達(dá)到設(shè)定閾值；發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后關(guān)閉10.28min后，可以在工程機(jī)械上正常使用。

2.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)油耗監(jiān)測

把霍爾傳感器安裝在進(jìn)油口處，當(dāng)進(jìn)油口有油量運(yùn)動(dòng)時(shí)，霍爾傳感器立即能監(jiān)測到數(shù)據(jù)，可以在工程機(jī)械上正常使用。

2.1.3發(fā)動(dòng)機(jī)蓄電池電流監(jiān)測

把電壓傳感器并聯(lián)安裝在蓄電池的輸出端，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，發(fā)動(dòng)機(jī)端的電勢和蓄電池端電勢總會(huì)存在一定電勢差，因此會(huì)形成電壓差。因此，工程機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)與普通發(fā)動(dòng)機(jī)在正常發(fā)動(dòng)時(shí)，在溫度、油耗與蓄電池電流上具有相似性，使用可以用于工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測。

2.2不可行分析

2.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)監(jiān)測

在工程機(jī)械工作工況下，會(huì)存在各種各樣的震動(dòng)環(huán)境，如挖掘機(jī)、鉆機(jī)施工環(huán)境，并且是用于不同工作場景，工況會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，無法實(shí)現(xiàn)有效濾波，無法根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)情況判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況。

2.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)加速度監(jiān)測

加速度傳感器只能監(jiān)控車輛加速度情況，而加速度傳感器缺點(diǎn)在于無法判斷車輛當(dāng)前速度情況，如車輛在較高速度下，剎車把速度降低再勻速行駛，此時(shí)加速度傳感器會(huì)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)停止。鑒于單獨(dú)加速度傳感器缺點(diǎn)，不能在工程車輛上使用加速度傳感器來監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)啟停狀態(tài)。

2.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控確實(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測工程車輛當(dāng)前運(yùn)動(dòng)情況，但是考慮到工程車輛工作特殊性，工程車輛會(huì)有很長一段時(shí)間在一個(gè)地方工作，然后再轉(zhuǎn)移到下一個(gè)地方，因此在工程車輛原地施工時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器會(huì)誤判為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，監(jiān)控的準(zhǔn)確性得不到保障。因此，在工程施工特殊環(huán)境下，工程車輛運(yùn)行情況與私家車存在差異，發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)、加速度及轉(zhuǎn)速監(jiān)測都不能準(zhǔn)確判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停狀態(tài)。

3三種可行的監(jiān)測方式對(duì)比分析

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)測分析

工程機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度監(jiān)測，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼處安裝溫度傳感器，但是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)出的溫度較高，膠水安裝容易失效；并且溫度監(jiān)測容易發(fā)生監(jiān)測滯后，剛啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，溫度達(dá)不到設(shè)定閾值，無法監(jiān)測出發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，而熄火后也需要一定時(shí)間才能使溫度降至設(shè)定值，無法及時(shí)有效判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)油耗監(jiān)測分析

工程機(jī)械油耗監(jiān)測需要在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)油口處安裝流量計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于能夠準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)，但是無法在不破壞進(jìn)油口結(jié)構(gòu)下安裝流量計(jì)，而果破壞進(jìn)油口結(jié)構(gòu)又有可能會(huì)影響密封性。

3.3蓄電池電壓監(jiān)測分析

工程機(jī)械蓄電池電壓狀態(tài)監(jiān)測，該監(jiān)測方式需要在蓄電池的輸入端并聯(lián)一個(gè)電流傳感器，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)監(jiān)測電流變化，從而監(jiān)測出發(fā)電機(jī)狀態(tài)。而且安裝電流傳感器無需破壞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)，不會(huì)影響其密封性，安裝方便且能及時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。因此在一般情況下，可以優(yōu)先選擇工程機(jī)械電流狀態(tài)監(jiān)測方式。

4結(jié)語

在傳統(tǒng)私家車發(fā)動(dòng)機(jī)六種監(jiān)控方法中，只有溫度監(jiān)測、油耗監(jiān)測與蓄電池電壓監(jiān)測能移植到工程機(jī)械上；蓄電池電壓監(jiān)測無需破壞發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛的整體結(jié)構(gòu)，使用的傳感器也更為便宜，可以有效降低成本。在綜合考慮成本、傳感器安裝難易程度以及最終監(jiān)測效果等方面，更傾向于使用蓄電池電壓監(jiān)測來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停狀態(tài)。

作者：林鳳濤 鄧卓鑫 胡偉豪 王松濤 楊世德 單位：華東交通大學(xué)