工程机械液压伺服控制系统的故障诊断.pdf

建筑 机械 化 2 0 0 2 【 4 】 工 程 机 械 液 压 伺服 控 制 系统 的故 障诊 断 薛晓虎 河南黄河旋风股份有限公司，河南 长葛 4 6 1 5 0 0 [ 摘要]简介传递函数诊断法的基本理论及其在工程机械液压伺服控制系统故障诊断中的应用 ，并对在线 监测 和诊 断 的可 能性作 了积极 的探 讨 。 [ 关键词 ]工程机械 ；液压系统 ；故障诊断 ；传递 函数法 [ 中图分 类 号 ]TU 6 0 7 [ 文 献标 识码 ]C [ 文章 编号 ]1 0 0 1 1 3 6 6 2 0 0 2 0 4 0 0 4 6 0 3 The t r o ub l e s d i a g no s i s f o r t he h y d i a u l i c s e r v o c o nt r o l s ys t e m o f c o ns t r u c t i o n e q ui p me nt U E Xi a o - m 1 概 述 随着机械工业 的发展 ，液压系统 的应用越来 越 广泛 ，尤其 在工程机械行业 ，由于施工要求 的多样 性 ，对其 功能 的要求也越来 越复杂 ，并且 向着高精 度 、大 型化 、现代化 的方 向发展 ，而满足这些要求 只能借助于液压伺服控制系统来实现。液压伺服控 制 系统对工程 机械各种功能 的实现发挥着重要 的作 用 ，提高了生产效率，减轻了劳动强度，但其故障 的发生将会造 成难 以估测 的经济 损失 ，迅速找 到故 障位置 、查 清故障原 因就显得尤 为重要 。因此 ，开 展液压伺服控制 系统 故障诊 断技术 的研究具有重要 的现实意义 。 故障诊断是 7 0年代 国际上迅速发展起来 的一 门 新技术 ，内容非 常丰 富 ，根据 诊断对 象 的不 同其诊 断方法也不 同，对 同一诊 断对 象可选 择不 同的诊 断 方法 ，对于液压伺服 控制 系统采 用传 递 函数诊 断法 更为合适。这种方法在硬件方面投资少 ，软件开发 技术比较成熟 ，在许多发达国家传递函数诊断法已 进入实际应用阶段 ，而我 国 目前 仍处于开发阶段 。 2 传递 函数诊 断法的基本理论 传递函数诊断法就是在系统或环节上施加一个 激振信号 ，通过测 量其响应而得 到其 传递 函数 ，并 将该 函数 与这个 系统 或环节正常 时的传递 函数进行 对比分析 ，从而确定故障的原因和部位。 传递函数是系统或环节数学模型的一种表达形 式 ，它表达 了系统或环节 把输入量转换 成输 出量 的 传递关系，只与系统或环节本身的特性有关 ，而与 4 6 输入 时的变化无关 。 在工程实践 中 ，往往 由于各 种原 因而难 以准确 确定 系统或环节 的许 多参数 ，此 外 由于许多干扰 因 素对其 系统或环节 的作 用过程非 常复杂 ，给准确地 推导 系统或环节 的传 递 函数带来极 大 的困难 ，甚 至 难 以得 到 。在这种情况 下可 以用实验 方法来确定其 传递 函数 ，其表达式 Y ／ X S ／ S 式 中 S 为激励 的 自功率 谱 ，S 为 激励和 响应的互功率谱 。从 此式可 以看 出，对 一个 系统或环节 施加一个 已知的激励 ，测 量其 响应便可 以得到其传递 函数 。 在求传递 函数 的激振试验 中，通 常采用 以下 两 种特殊 的激振信 号作为激励从 而求得传递 函数 。 2 ． 1冲 击 激 振 采用 冲击激 振激励 ，其 冲击信号 的数学 描述为 t； L ∞ IJ J 故 X l X t e - d 1， 得到传递函数 Y 由此 可见 ，当信号 为一 冲击 函数时 ，其频率 响 应 函数 即为系统或环节 的传递 函数 。 2 ． 2白噪 激 振 白噪声 的含义是假 定平 稳 随机过 程 X t 的功 [ 收稿日期]2 0 0 2 0 4 2 4 [ 作者简介]薛晓虎 1 9 6 5 一 ，男 ，河南焦作人 ，高级工程 师， 工学硕士 ，技术中心副主任 ，从事液压 系统故障诊断技术及设 备 可靠 性研 究 ，长葛 市人 民路 2 0 0号 ． 维普资讯 2 0 0 2 4 建 筑机 械化 率谱 S ∞ 常数 一。 。∞ ∞ ， 则称 X t 为白噪声 。当系统为一 白噪声激励时， 其传递函数 日 ∞ C S ∞ 式中 c为 常数 。上式 说 明 ，此 时 系统 的传递 函数 即为激励 和响应 的互功率谱乘 一个 常数 。 3液压伺服控 制系统的故障诊断 液压 伺服控制系统 在工 程机械 中应用较 多 ，全 自动压桩机 伺服控制系统是一个 非常典 型的液压伺 服控制 系统 ，见图 i 。 用传递函数方法进行液压伺服控制系 统故障诊 断的基 本思路是 ，在伺 服系统 的 控制信 号上 施 加 一个 微 弱 的 白噪 声 信 号 即采用 白噪声激励 ，测定控制 系统 的整 体或机械部分或 电气 部分 的传递 函数 ，把 测得的传递函数与系统正常时测得的传递 函数进行对 比分析 ，进而进行故 障程度和 故障部位 的诊断 。传递 函数诊断 一般采用 管 用养 修 下面两种方法 。 3． 1离线诊 断 离线诊断避免了检测信号与控制信号的相互干 扰 ，在技术上更 为简便 。当系统发生故 障时 ，其整 体 特性和发生故 障部分 的特性 将发生变化 ，而没有 发生 故障 的部分其 特性不会变化 。在 图 1 所示 的液 压伺 服控制 系统 中，有 目的地选 择适 当的检 则点如 ① ～⑤可 以测得相 应部分 的频率 特性 ，根据其 频率 特性 的变化就可 以判 断 系统 中故 障 的原 因和 部位 。 具体诊 断 内容见 表 1 。 位 置传感 器 图 1 全 自动压 桩机 伺 服控 制 系统 方框 图 表 1 根 据 频率 变化 进 行故 障诊 断 检测 点 故障性质 检测类 别 正常情 况 下的 电气 机械 机械 频 率特性 输 入输 出 伺服 放大 器 伺 服 阀 液压 缸 密 封件 损 坏 、缸 内混 增益 异 常 泄露 太大 入空气 、位 置反 馈增 益太 小 整体特 性 l 4 d B 。[ E i F -, ,二 电器 系统 1 3 d B 。 机械 系统 3 4 整 体 特 性 产 生 共 振 点 ， 整体 特 性频宽 增大 ，机 整体 特性 频宽 下 降 ，机 械系 讨论和分析 电气 系统 特性 增益 提高 械系统 特性 增益 提高 统 特性 增益 下降 3． 2 在线监测和诊 断 用传递 函数方 法对 液压伺 服控 制 系统进行 在线 的监测 和诊 断有 两个 主要难点 ①激振 检 测 信 号与控 制 信 号 的相 互 干扰 可 能影 响 系统 的正 常 工 作 ，从而影 响诊 断质量 ；②检 测数据 与 原始数 据 的 对 比分析要 由计算机来 完成 ，大大增 加 了软件 开发 的工 作量和难度 。 适 当选择激励方式 及水平 ，对液 压伺服 系统进 行在线 监测和故 障诊 断是 十分 必要 的 。进行 在线 监 测 和故障诊断工作 还 i 把 表 1中的有 关 图表 曲线 数 字化 ，并存人计 算机 和相 应 的存储 器 ，而 整个监 测 和诊 断工作 由计 算机 自动进行 ，是上 面提 到 的第 二个难 点 。 进行 上述诊 断工作 需要具 备硬件 和 软件 两个方 面条件。硬件方面必须拥有测定传递 函数 的专 门仪 器 ，如 F F T分析仪；而软件方面则需要建立一个 标准数 据库 包 括 图表 ，用 于诊 断 过程 中 的对 比 分析 。显然 建立正确 、方便 、 直观 的标准数据 库是 47 维普资讯 S S型施 工 升 降 机 安全 装 置 调 整 建筑机械化 2 0 0 2 4 徐 东 ，张芳 1 ． 洛阳工学院附属工厂，河南 洛阳 4 7 1 0 3 9 ；2 ．中建二局洛 阳建筑工程机械厂 河南 洛阳 4 7 1 0 0 1 [ 中图 分类 号 ]TH 2 1 1 ． 6 [ 文 献标 识 码 ]D [ 文章 编 号 ]1 0 0 1 1 3 6 6 2 0 0 2 0 4 0 048 ． 0 2 施 工升降机作 为一种 垂直运输机 械 ，因其具有 结构 简单 、造价低廉 、操作容易 、工作效率高 、使 用成本低 、维修保养 简便 等特点而在建 筑施 工 中得 到广泛 的应 用 ，但 不 能正 确 使 用 则 会 产生 安 全 隐 患 。s s型施工 升 降机 采 用渐 进 式楔 形安 全 装 置 和 转臂式停层 安全装置 ，现简介如下 。 1 渐进式楔形安全装置 渐进式 楔形安全装置 如图 1 所示 ，设置 在 吊笼 提升臂 中部 ，其导轨夹在 两套 楔形滑块之 间。当提 升 吊笼 的钢 丝绳 1 断裂 时 ，绳 连接板 2失去 向上拉 力而被 弹簧 2拉动 ，使拉绳 5绕 支点移动 ，通 过连 接螺钉 6拉 动两套 楔形滑块 7 ，在 导槽 8内 向上 运 动 ，将导 轨抱死 ，把坠落 的 吊笼制停在导轨架 上 。 图 1 渐进 式 楔形 安全 装 置 1 一钢 丝绳 ；2一弹簧 ；3一绳连 接板 ；4一锁绳 装置 ；5一拉绳 ； 6一连接螺 钉 ；7一楔 形滑 块 ；8一导 槽 ；9一导 柱 故障排 除后点动卷扬机将 吊笼少量 提升 ，从而松 开 楔块 的制 动装置 。 S S型施工 升 降机 一 般使 用 半 年后 ，其 渐 进式 楔 形安全装 置需 要进行保养 和重新调 整才能获得 良 好 动作 。根 据经验 ，一些 同志仍使用 产品出厂前在 车间 内的调 整方法 ，即把钢 丝绳松一 点 ，使绳连接 板在 弹簧 的拉动 下 与竖直 方 向成 约 3 0 。 的夹 角 ，把 楔形 滑块上 推至抱死 的极 限位置 ，调 整拉 绳使其绷 直 即可 。笔者对 洛 阳地 区近 3 0台 S S型施 工升降机 的维修 中发现 ，此 方法对使用 半年 以上 的升降机一 般 不能获得 良好 效果 。由于升降机在使用 中一些施 工单 位操作不规 范 ，常常使 吊笼产生变形 ，如前倾 和后仰 ，使 吊笼 由原来 的矩形 变为平行 四边形 ，如 前后 楔形滑块 与导柱的 间隙不 均匀 ，按上述 方法调 整后 往往是断绳后 间隙小 的楔形 滑块动作 了 ，而间 隙大 的楔形滑块却未 动作 ，从 而产生安全 隐患 。 笔者在维修 中发现采用如下 方法可获得 良好 效 果 。吊起 吊笼使其少许 离地 ，此 时 吊笼上 的滚 轮应 与标准节 上的导柱接触 较好 ，若发 现滚轮有较 大磨 损应立 即更换 ，把楔形 滑块推至抱 死 的极 限位 置后 调整拉绳使其 松 紧适 当 ，留 出楔形 滑块动作之位 移 [ 收稿日期]2 0 0 2 一 O 1 1 0 [ 作者简介]徐东 1 9 7 3一 ，； o5南驻马店人 ，助理 工程师， 从 事材 料 加工 工程 ，河南 洛 阳涧西 区 ． 传递 函数 诊断法进入实 际应用的重要 前提。 从上 面讨论 可 以看 出 ，传递 函数 的诊 断法是一 种 实验方法 ，它具 有直观 、方便 的特点 ，完全具 有 开发推广 的实际意义 。但应该 指出 ，由于传递 函数 的概念 只适用 于线性定常 系统或元 件 ，因此在 诊断 过程 中应该注意非 线性 因素 的影 响 。此外在提 高诊 断精度 的措施 中 ，提高信 噪比往 往是 比较常用 而又 有效 的方法 。 48 [ 参考文献] [ 1 ]葛思华 ．液压系统故障诊断 [ M] ．西安 西安交通 大 学出版社 ，1 9 9 2 ． [ 2 ]刘永健 ．液压故障诊断分析 [ M] ．北京 人民交通 出 版社 ，1 9 9 8 ． [ 3 ]丁玉兰．机械设备故障诊断技术[ M] ．上海 上海科 技文献出版社 ，1 9 9 4． [ 4 ]温熙森 ．机械系统动态分 析理论与应用[ M] ．长沙 国防科技大学 出版社 ，1 9 9 8 ． 口 维普资讯