機械液壓系統(tǒng)智能故障診斷技術(shù)研究
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摘要:機械液壓系統(tǒng)的運作作為一個整體，其故障的產(chǎn)生存在著一定的必然性和偶然性，而故障的分布則存在著分散性的特征。這無疑增加了機械液壓系統(tǒng)故障診斷及維修的難度。隨著工程機械設(shè)備信息化程度的提高，對其故障診斷和維修的精準度和效率要求也相應的提高。為了滿足機械液壓系統(tǒng)故障精準化、高效化的診斷與維修，在工程機械設(shè)計時引入了具有信息檢測作用及智能故障診斷的裝置，以工況監(jiān)測為依據(jù)，通過對工程機械設(shè)備運行信號的監(jiān)測、分析及數(shù)據(jù)處理，來利用信號特征診斷故障。這種方式相對于傳統(tǒng)的人工排查診斷和維修，精準度和效率顯著提高，同時還有效地改善了機械液壓系統(tǒng)元件故障的問題隱患，便于及時處理問題或更換故障元件，從而延長了機械液壓系統(tǒng)運行的生命周期。本文從認識機械液壓系統(tǒng)和智能故障診斷技術(shù)入手，來探討基于信息監(jiān)測裝置的現(xiàn)代化智能故障診斷技術(shù)在機械液壓系統(tǒng)中的應用。第一部分簡單介紹智能故障診斷技術(shù);第二部分分析了液壓系統(tǒng)裝置檢測與故障診斷的常用方法;第三部分探討了現(xiàn)代智能故障診斷技術(shù)在機械液壓系統(tǒng)中的綜合應用;第四部分討論了液壓系統(tǒng)故障診斷的發(fā)展趨勢。旨在為故障診斷技術(shù)在工程機械中故障診斷及維護提供一些參考。
關(guān)鍵詞:機械液壓系統(tǒng);智能故障診斷技術(shù);狀態(tài)監(jiān)測;裝置信息檢測
近些年，隨著國內(nèi)社會經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術(shù)及信息化也獲得了迅猛的發(fā)展，且在社會建設(shè)中發(fā)揮了突出的作用。以工程機械為例，為了便于操作和維護管理，現(xiàn)代工程機械在設(shè)計制造中，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、云計算技術(shù)等，進行了不斷的升級和創(chuàng)新。工程機械的這種轉(zhuǎn)變，是機械設(shè)備在系統(tǒng)運作時的主觀性不斷提升，為綜合管理和故障診斷奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)有的工程機械系統(tǒng)大部分采用了液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)。液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的機械傳統(tǒng)系統(tǒng)，其功率密度更高、結(jié)構(gòu)小巧、配置靈活、組裝方便，運行更加可靠，同時系統(tǒng)的復雜性和精密程度也越高。根據(jù)液壓系統(tǒng)高精密性、高復雜性的特征，研究液壓系統(tǒng)的智能故障診斷技術(shù)對優(yōu)化液壓系統(tǒng)運行生產(chǎn)的效率、穩(wěn)定性及延長使用壽命有著重要的意義。
一、概念界定
(一)機械液壓系統(tǒng)1．液壓系統(tǒng)的構(gòu)成一般的機械液壓系統(tǒng)有能源裝置、執(zhí)行裝置、調(diào)節(jié)控制裝置、輔助裝置、工作介質(zhì)等幾部分構(gòu)成。機械液壓系統(tǒng)是通過運動著的液體為工作介質(zhì)，借助能量轉(zhuǎn)換裝置將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能。液體壓力能通過封閉管道、調(diào)節(jié)控制元件和另一能量裝置將液體壓力再轉(zhuǎn)化為機械能。它的運行包含液壓傳動和液壓控制兩部分。二者構(gòu)成一個系統(tǒng)整體，在系統(tǒng)運行中緊密聯(lián)系。2．液壓系統(tǒng)特點液壓系統(tǒng)在實際應用過程中具有換向頻繁及往復運動的特點。由于不同領(lǐng)域采取液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)的出發(fā)點不同，因而在不同工程機械中的液壓系統(tǒng)的設(shè)計也存在差異。下表1為工程機械中常用的控制系統(tǒng)及元件對比表。從表1可以看出，相對于氣動系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)在實際應用中具有重量輕、體積小、布置靈活、性能好、功率大、系統(tǒng)傳動效率高及等特點。此外，它還具有無極調(diào)速的應用優(yōu)勢。3．液壓元件(1)分類。機械液壓系統(tǒng)液壓元件的品種類型和規(guī)格非常多，可滿足不同用途的系統(tǒng)控制需求。以最常用的液壓閥為例，目前市場上的品種已有幾百個，而規(guī)格也已過千。根據(jù)用途可分為方向控制閥、流量控制閥、壓力控制閥等。根據(jù)連接方式可分為管式連接、法蘭式連接、板式連接等。此外，還有插裝式連接閥、疊加式連接閥。其他伺服元件還包括單一閥、組合閥等。液壓元件類型和規(guī)格的多樣性無疑給系統(tǒng)的故障診斷提出了更高的要求。(2)作用及參數(shù)性能。機械液壓系統(tǒng)的工作能力取決于液壓元件的參數(shù)。不同類型、不同規(guī)格的液壓元件雖然各有差異，但其基本性能參數(shù)也存在共性。影響機械液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)的主要共性參數(shù)為公稱壓力與公稱流量。一般的液壓元件公稱壓力、公稱流量都記錄于銘牌上。機械液壓系統(tǒng)運行時，要求其壓力與流量必須控制在公稱壓力與公稱流量范圍之內(nèi)。超出公稱壓力、公稱流量范圍就容易造成系統(tǒng)運行故障。
(二)智能故障診斷技術(shù)智能故障診斷技術(shù)是一種基于機械系統(tǒng)運行防護的設(shè)備管理方式。機械液壓系統(tǒng)中常用到的智能故障診斷技術(shù)有狀態(tài)預測與信息處理、識別分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字建模等技術(shù)。通過應用智能分析技術(shù)，保證機械液壓系統(tǒng)在運行生產(chǎn)過程中設(shè)備的各項參數(shù)能夠保持最佳狀態(tài)。同時，系統(tǒng)的故障位置及故障原因也可以通過信息檢測及智能監(jiān)測來分析和識別，并為故障處理提供真實可靠的依據(jù)。這種方式實質(zhì)是通過對綜合信息的分析與處理，為機械液壓系統(tǒng)的故障診斷及處理自動出具信息完整的報告。報告內(nèi)容部包含零件配合關(guān)系、超出設(shè)備負荷的情況及設(shè)備損耗情況等。
二、液壓系統(tǒng)裝置檢測與故障診斷的常用方法
(一)動態(tài)信號在線檢測與故障診斷動態(tài)信號在線檢測是機械液壓系統(tǒng)最常用的智能故障診斷技術(shù)之一。通過液壓系統(tǒng)液壓元件及一些重要的元件各個部位安裝的智能傳感器對液壓元件噪聲、振動、運動速度、溫度、流量、壓力等進行在線信號監(jiān)測。監(jiān)測到的信號通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸給綜合管理中心。管理中心實時獲取系統(tǒng)元件運行的各項參數(shù)，通過對信號的信息及處理來識別和診斷液壓系統(tǒng)運行的故障。智能傳感器的主要目的是獲取信號、濾波等，綜合系統(tǒng)則通過A/D轉(zhuǎn)換及條例來調(diào)整和處理故障。動態(tài)信號在線監(jiān)測的優(yōu)勢在于能有效地確保液壓系統(tǒng)故障診斷的真實性、精準性，為故障識別和處理提供可靠決策依據(jù)。
(二)工作狀態(tài)在線識別與故障診斷雖然動態(tài)信號在線監(jiān)測能夠為技術(shù)人員管理識別和處理故障提供真實精準的信號依據(jù)，但液壓元件的運行狀態(tài)信號具有顯著的非線性特征。在分析信號小波、時域、頻率等參數(shù)時，其運行狀態(tài)信號的非線性特征導致部分故障無法直接識別。如液壓閥的飽和、滯環(huán)、死區(qū)等，其流量壓力的非線性特征使以上故障難以精準識別。這種非線性特征阻礙著人工對機械液壓系統(tǒng)故障的診斷。運行工作狀態(tài)的非線性特征可以借助模糊診斷、專家系統(tǒng)診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡診斷、計算機輔助診斷的功能來實現(xiàn)，從而確保液壓元件非線性特征的工作狀態(tài)能夠得到更加精準的解釋，促進液壓系統(tǒng)故障高效、精準的識別。1．模糊診斷機械液壓系統(tǒng)的運行處于一個不確定的狀態(tài)下，因此其動態(tài)信號也存在不確定性和模糊性。要實現(xiàn)對同一機械液壓系統(tǒng)同一元件不同工況下運行狀態(tài)的精準識別，就需要借助模糊分類和模糊推理，在模糊邏輯和模糊診斷的基礎(chǔ)上來描述系統(tǒng)非線性特征的故障問題。如液壓元件磨損狀態(tài)、壓力高低、偏心問題、振動強弱問題等。2．專家系統(tǒng)診斷專家系統(tǒng)是一種基于人類專家符號推理的邏輯來識別和處理系統(tǒng)元件故障的方式。根據(jù)機械液壓系統(tǒng)中的液壓元件存的基本性能存在一定的共性的特征，可以對液壓系統(tǒng)進行專家推理和解釋。為系統(tǒng)設(shè)定IF＜條件A＞、THEN＜動作B＞，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中載入的專家知識，來解釋液壓系統(tǒng)元件不同伺服閥結(jié)構(gòu)的故障，從而實現(xiàn)對相似故障更加精準化的識別和診斷。3．神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)診斷神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)是基于人的大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)建立的一種非線性動力學結(jié)構(gòu)。它有簡單的非線性單元關(guān)聯(lián)而成，可適用于處理復雜的、大規(guī)模的、較差的信號類型。在管理系統(tǒng)中輸入被診斷對象的特征值，系統(tǒng)就會自動輸出可能發(fā)生的故障。由于神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)不具備駕駛功能，在液壓系統(tǒng)故障診斷中可以與專家系統(tǒng)相結(jié)合，來提高對復雜故障、交叉故障原因表達的精準性。4．計算機輔助系統(tǒng)診斷計算機輔助系統(tǒng)是一種基于計算機自動化診斷系統(tǒng)的診斷技術(shù)。通過為機械液壓系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)視與故障診斷系統(tǒng)，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行動態(tài)化監(jiān)視與診斷。監(jiān)視診斷系統(tǒng)由PC端、IPC及監(jiān)視網(wǎng)絡構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)果采用多層次設(shè)計，將多層振動信號有機聯(lián)系起來，再采用PC總線將各路通信網(wǎng)絡與工業(yè)控制總計算機相連?？倷C就可以對多臺液壓系統(tǒng)進行集中管理，并通過實時監(jiān)測機傳來的信號對計算機液壓系統(tǒng)故障進行聯(lián)機診斷。同時，計算機輔助系統(tǒng)還有自動記錄連鎖信號的功能，以便于系統(tǒng)發(fā)生異?；蚬收蠒r自動發(fā)出報警。計算機輔助系統(tǒng)的智能診斷具有信號自動獲取、信號自動處理及工況狀態(tài)識別、數(shù)據(jù)管理和屏幕顯示、向上位機傳送各種信號時域數(shù)據(jù)和特征數(shù)據(jù)的功能。后臺數(shù)據(jù)每10分鐘自動刷新一次，并具有自動保留停機前10分鐘原始數(shù)據(jù)的功能。通過對信號的綜合分析與處理，可以有效地對系統(tǒng)故障自動診斷。
三、現(xiàn)代智能故障診斷技術(shù)在機械液壓系統(tǒng)中的綜合應用
油液信息是判斷液壓系統(tǒng)故障的另一重要要素。通過對油液顆粒污染程度及理化性質(zhì)的分析，結(jié)合液壓元件參數(shù)及數(shù)據(jù)庫中專家系統(tǒng)診斷機制，可以預測和判斷機械液壓系統(tǒng)中存在或潛在的故障。其中油液理化性質(zhì)的劣化可以通過黏度、酸堿度、氧化程度等參數(shù)進行判斷。
(一)在油液顆粒污染檢測中的應用油液顆粒污染常用實驗室取樣分析技術(shù)、便攜式檢測儀檢測技術(shù)、在線快速檢測技術(shù)等進行檢測。其檢測依據(jù)是根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已建立的專家知識，結(jié)合檢測元件的狀態(tài)參數(shù)分析油液污染程度。其中實驗室取樣分析技術(shù)最常用的方法為稱重法、鐵譜分析法、顯微鏡法。1．實驗室取樣分析技術(shù)(1)稱重法。稱重法用于檢測液壓系統(tǒng)油液污染物的總量。(2)鐵譜分析法。鐵譜分析法是指借助鐵譜儀、旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀等鐵磁性污染物專用分析儀器，對鐵磁性污磨粒污染物進行測定的方法。(3)顯微鏡法。顯微鏡法治借助光學顯微鏡分析和測定油液中分布的顆粒及尺寸大小，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對油液污染濃度的測定。2．便攜式檢測儀檢測技術(shù)便攜式檢測儀檢測技術(shù)指借助專用的顆粒技術(shù)分析儀對油液顆粒進行現(xiàn)場測定的方式。機械液壓系統(tǒng)的油液受到污染后，其透光性就會發(fā)生變化。利用污染油液顆粒濃度增高后的透光變差、遮光變強及散射等原理，分析液壓油是否發(fā)生污染，并據(jù)此來分析液壓系統(tǒng)的故障。3．在線快速檢測技術(shù)在液壓系統(tǒng)油液正常情況下，油液中的顆粒分布符合對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律。借助超聲波、電、光在油液中的傳到性能，也可以實現(xiàn)對油液顆粒污染物的程度的分析與識別。在機械液壓系統(tǒng)油箱或油管內(nèi)設(shè)置超聲波接受與發(fā)射的傳感器，利用傳感器來在線監(jiān)測液壓系統(tǒng)濾器兩端是否存在壓力變化。當超聲波接收端與發(fā)射端的傳播時間及強度發(fā)生變化，微機處理器自動檢測到濾器兩端存在壓力變化時，則說明液壓系統(tǒng)油液發(fā)生了顆粒污染問題。
(二)在油液理化性質(zhì)檢測中的應用機械液壓系統(tǒng)不同類型液壓元件的相對運動部分采用的金屬材料和非金屬材料不同。材料的金屬元素變化表示相同液壓元件發(fā)生了磨損，非金屬元素含量的變化表示液壓系統(tǒng)磨損情況和密封狀態(tài)的變化。對于油液而言，金屬材料與非金屬材料元素含量的變化，還代表液壓油段監(jiān)督、黏度等理化指標的變化。為機械液壓系統(tǒng)根據(jù)專家經(jīng)驗建立專家推理機制，使其與液壓系統(tǒng)液壓元件狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。利用專家推理機制，系統(tǒng)就可以根據(jù)液壓元件狀態(tài)參數(shù)的變化來分析和判定油液是否發(fā)生磨損、系統(tǒng)溫度過高等故障。當專家系統(tǒng)自動診斷到金屬元素含量增加，可以判定為液壓元件發(fā)生磨損。其油液中金屬元素含量濃度越高，表明液壓元件磨損程度越深。當專家系統(tǒng)自動診斷到油液黏度的變化，表明油液可能存在水分侵入，或油液系統(tǒng)溫度過高的問題。診斷出油液異常，可以為機械液壓系統(tǒng)故障的精準診斷提供更加全面的、可靠的識別依據(jù)。
四、液壓系統(tǒng)故障診斷的發(fā)展趨勢
隨著人工智能、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在機械液壓系統(tǒng)中的應用，未來機械液壓系統(tǒng)智能故障診斷技術(shù)將面向虛擬化、交叉化、網(wǎng)絡化、狀態(tài)化、智能化、高精度化方向發(fā)展。機械液壓系統(tǒng)智能故障診斷技術(shù)是建立在智能傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)及工況參數(shù)的在線監(jiān)測基礎(chǔ)上的。相對于傳統(tǒng)的故障診斷，智能故障診斷是通過分析和處理實時數(shù)據(jù)來判別系統(tǒng)故障的。隨著機械液壓系統(tǒng)自動化程度不斷提升，系統(tǒng)運行及管理中軟件和硬件的配合使用將成為一種主流發(fā)展趨勢。軟件可以作為虛擬系統(tǒng)診斷的儀器，網(wǎng)絡化、智能化為系統(tǒng)狀態(tài)化檢測提供技術(shù)支持。狀態(tài)化的故障診斷是在系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測和檢測，并建立在系統(tǒng)運行狀態(tài)技術(shù)上進行針對性的維修。合理利用系統(tǒng)狀態(tài)化，可以高效地解決系統(tǒng)信息交叉化故障的分析與處理，確保系統(tǒng)故障智能診斷的高精度化。在液壓系統(tǒng)軟件開發(fā)和PC端自動監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)之上，再通過構(gòu)建虛擬儀器面板實現(xiàn)對檢測儀器的控制，實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)采集、分析及顯示。這種虛擬儀器面板可以與多臺計算機硬件、軟件及附屬件相關(guān)聯(lián)，靈活的組合和定義被控制的設(shè)備，進而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合化的管理與分析。
五、結(jié)語
機械液壓系統(tǒng)液壓元件類型及規(guī)格較多，這也決定了機械液壓系統(tǒng)的運行中往往故障類型較多。隨著工程機械信息化程度的加深，機械液壓系統(tǒng)的故障識別和分析中的信息類型也越來越多。為了更加精準地分析和處理數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)代化的智能故障診斷技術(shù)就可以實現(xiàn)對工程機械運行狀態(tài)的在線監(jiān)測和系統(tǒng)裝置的信息檢測。在狀態(tài)預測與信息處理、識別分析、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字建模等技術(shù)支持下，將所有監(jiān)測及檢測的信息的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為參數(shù)模型。管理人員通過分析參數(shù)模型就可以快速地對機械液壓系統(tǒng)的故障進行分析和識別，高效精準的鎖定故障，并利用信息綜合處理的報告來處理和解決系統(tǒng)故障，確保機械液壓系統(tǒng)在運行期間始終能夠保持最佳的運行狀態(tài)。
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作者：史俊強 單位：北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司
