基于小波分析的液压系统故障特征提取研究.pdf

2 0 1 1年7月 第 3 9卷 第 l 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 4 3 基于小波分析的液压系统故障特征提取研究 何德虎 ， 第二炮兵工程 学院， 谢建 陕 西西安 7 1 0 0 2 5 摘要针对液压系统故障原因复杂、现象多样、故障信号中噪声干扰大的特点，综合利用压力、流量和液压缸运动速 度进行液压系统故障诊断，克服了单一特征量在故障诊断中容易产生误判的缺点。将小波去噪方法应用到故障信号中，提 高了故障诊断精度。通过对 F e s t o 液压实验系统故障信号进行处理，证明该方法是有效的。 关键词液压系统； 小波；故障特征；故障诊断 中图分类号T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 31 4 53 S t ud y o f t he Fa ul t Fe a t u r e Ex t r a c t i O n f l0 r Hy d r a u l i c Sy s t e m Ba s e d o n W a v e l e t An a l y s i s HE De h u，XI E J i a n T h e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e c h a r a c t e r s o f c o mp l e x f a u l t c a u s a t i o n ，v a r i o u s f a u l t p h e n o me n o n ，mu c h n o i s e i n t e r f e r e n c e e x i s t e d i n f a u l t s i g n a l ，t h e h y d r a u l i c s y s t e m f a u l t s w e r e d i a g n o s e d b y u s i n g p r e s s u r e ， fl u x a n d v e l o c i t y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r i n i n t e g r a t i o n ，o v e r c o ru i n g t h e d i s a d v a n t a g e o f t h e s i n g l e n e s s f e a t u r e e a s i l y p r o d u c i n g mi s c a r r i a g e o f j u s t i c e i n t h e f a u l t d i a gno s i s ．T h e d e n o i s i n g a l g o ri t h m b a s e d o n w a v e l e t wa s a p p l i e d i n t h e f a u l t s i g n a l ，a d v anc i n g t h e p r e c i s i o n o f f a u l t d i a g n o s i s ．Th e d i s p o s a l r e s u l t s o f f a u l t s i gna l o f F e s t o h y d r a u l i c e x p e ri me n t s y s t e m p r o v e s t h a t t h e me t h o d i s e ff i c i e n t ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m ；W a v e l e t ；F a u l t f e a t u r e；F a u l t d i a gn o s i s 由于液压系统具有功率大、响应快、精度高等特 点，被广泛应用于冶金、国防、建筑等领域，但其故 障又具有隐蔽性、多样性、不确定性和因果关系复杂 等特点，故障出现后不易查找原因。一旦液压系统出 现故障，不仅导致设备受损 ，产品质量下降，生产线 停工，还可能造成环境污染，带来 巨大 的经济损失。 现在针对液压系统的故障诊断方法主要有主观诊断 法、基于数学模型与信息处理的诊断法、智能诊断 法⋯。主观诊断法受操作人员经验的限制较大，具有 较大的局限性。基于数学模型的方法首先需要建立液 压元件数学模型，但是数学模型的建立是一个复杂的 过程 ，尤其是建立准确的数学模型是比较困难的。随 着计算机技术的发展，智能诊断技术成为当前液压系 统故障诊断方法发展的趋势，其本质是模拟人脑机 能，又能比人脑更有效地获取、传递、处理、再生和 利用故障信息，成功识别和预测诊断对象的状态。而 智能诊断技术的关键环节是提取出能代表故障的特征 量，但 目前针对液压系统故障特征量的研究较少。液 压系统中的状态信号多为非平稳信号，传统的基于傅 里叶变换的信号分析方法在应用上受到很大限制。综 合上述分析 ，作者将小波分析方法应用到信号处理 中，综合利用压力、流量、液压缸运动速度作为故障 特征量 ，结果证明该方法有效。 1 小波去噪原理 假定有观测数据 Y i Y i i i i 1 ，2 ，⋯ ，n 1 式中 ， i 为原始信号 ，Y i 为含噪信号， 为高 斯 白噪声序列。设 占为表示噪声大小 的已知参数 ， i 1 ，2 ，⋯，I “t 表示对 i i 1 ，2 ，⋯， n 的估计 ，估计的准则是极小化均方误差，即极小 化风险函数 R ，h 为 R h E lI 一 l l ／ n 2 设 I n 1 ，2 ，⋯ ，n ，S ∈ ，定义 3 式中 W 为选择估计器，且有 R h - x n E 一 lI 。 m i n ∑ ∑ 4 利用选择估计器 ，保留 『 X i l 大于方差 对应的 W 作为 的估计，去掉 J I 小于噪声方差 对应的 W ， 认为此处噪声占统治地位 ，对 的估计为零。 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 9 作者简介何德虎，硕士研究生 ，主要从事发射系统仿真与 自动检测技术等方面的研究。电话1 5 8 2 9 6 5 0 7 5 7 ，1 ,2 一m a i l 36 2 36 61 2 0 qq ． c o n。 1 4 6 机床与液压 第 3 9卷 2 液压 系统特征量分析 液压系统出现故障时，系统中的状态量会产生相 应的变化，鉴于此，许多研究者通过采集故障信号， 提 取故 障特征量 ，以此作为故障诊断 的依据 ，取得 了 良好的效 果 。已有液压系统故 障特征研 究中的不 足是 特征量多为某一状态量，故障为某一特定故 障，诊断对象多为液压泵，针对液压系统其他部件的 研究较少。液压系统是一个有机联系的整体，不同的 故障会产生相同的结果，仅仅依靠一种状态量进行判 断，容易产生误判。例如在液压缸出现内泄和外泄两 种情况时，产生的现象都是液压缸运动速度变慢，压 力变小，如果仅以压力信号作为判断的依据，是不能 准确对液压缸故障进行判断的。诊断对象只针对某一 液压元件 ，而不是针对液压系统 ，利用提取 的特征量 不一定能准确判断液压元件故障。例如当液压缸不能 运动时 ，原因可能是液压缸泄漏过大或者是系统压力 不够，而采集的液压缸压力信号都表现为压力值过 低 ，但是产生故障的元件却不是同一个。鉴于此 ，综 合利用液压系统中的压力 、流量、温度等状态量，采 集在不同故障状态下的故 障信号 ，对其进行分析处 理 ，提取代表故障的特征量，并以此作为故障诊断的 依据 ，是提高故障诊断精度切实可行的方法。 3 液压 系统故障特征提取 3 ． 1 实验数 据 的获取 利用 F e s t o 液压试验系统，搭建如图 1 所示的液 压系统 。 移传 嚣 图 1 液压系统图 节点 1 、5安装压力传感器，节点2 、4安装刚性 开关，节点 3 安装单向可调节流阀，节点6安装流量 计 ，节点 7安装位移传感器。由于针对液压泵的研究 较多，文中研究对象主要是液压阀和液压缸。通过控 制刚性开关 2 、4的开口大小实现液压缸的内泄漏和 外泄漏 ；通过对电磁换向阀的阀芯进行处理，实现电 磁换向阀未完全打开故障；通过对液压缸缸杆进行处 理，实现液压缸不能运动故障。泄漏分为轻微和严重 两种情况 ，内泄漏和外泄漏在轻微和严重两种情况下 的泄漏量不同。信号采样过程为液压缸克服重物上升 过程，相同故障设置条件下 ，每类故障采集 2组数 据 ，系统压力设定为 4 M P a ，选用 P X I - 6 2 8 9 M型数据 采集卡对信号进行采集，通过 L a b V I E W 保存采集数 据 ，采样点数为 1 5 0 0 ，采样频率为 1 k H z 。 3 ． 2 信 号去噪 处理 采用 软阈值小波去 噪方法，选 用小波 函数 为 d b l 0 ，分解层数为 5层，阈值由 t h e s e l e c t 函数产生， 选用的阈值规则为 S t e i n无偏似然估计。对电磁换 向 阀节点 5正 常和 未全 开情 况下 的压 力信 号做 去 噪处 理 ，结果 如图 2 、3 所示 。 b 去噪信号 图2 正常情况下节点 5压力信号 采样点{ l[ ， 个 a 原始信号 采 样点 数， 个 b 去噪 信号 图3 故障情况下节点 5压力信号 对比图2 、3中正常和故 障情况下的原始信号 ， 可以看出运动过程中，故障情况下的压力大于正常 情况下的压力值 ，运动过程所需时间长于正常情况下 所需时间。这说明，用运动过程的压力平均值和运动 时间可以作为判断液压缸是否发生内泄漏的依据，但 是受噪声的影响，差别不是特别明显。经过小波去噪 的正常和故障情况下的压力信号，噪声得到明显去 除，压力曲线更加光滑。对 比去噪后的压力曲线 ，上 述差别更加明显。 3 ． 3 特征量提取及分析 对采集的第 1 组信号做小波去噪处理，求压力和 液压缸运动速度的平均值 ，对流量求和，计算结果如 表 1 所示 。 第 l 3期 何德虎 等基于小波分析的液压系统故障特征提取研究 1 4 7 表 1 第 1组信号的计算结果 对比正常情况和故障情况时各点计算结果可知， 当系统发生故障时，系统中的压力、流量、液压缸的 运动速度产生相应 的变化。液压缸 出现 内泄漏时 ，节 点 1 、5的压力均值减小，呈现出泄漏量增大压力减 小的规律，原 因是出现泄漏时，压力下降，采集的压 力值低于正常情况下的压力值 ；整个运动过程所需液 压油增多的原因是 相对于正常情况，内泄漏时一部 分液压油进入无杆腔，从而使得整个运动过程所需液 压油增多；节点7的液压缸平均速度低于正常情况下 的平均速度。液压缸发生外泄漏时，节点 1 、5 、6呈 现出与内泄漏相同的变化情况，不同的是节点 7的平 均速度与正常情况时基本相同，原因是液压缸发生外 泄漏 时对进入 有杆腔 的液压油 的流量影 响不大 。电磁 换向阀未全部打开时，节点 1 、5的压力值大于正常 情况时的压力值 ，原因是电磁阀阀芯开口小于正常情 况时 阀芯开 口，导致 电磁 阀进 口与 出口压差增大 ；由 于液压系统未出现泄漏，整个过程所需的液压油与正 常情况相同；节点7的平均速度小于正常情况 ，原因 是电磁换向阀阀芯未全部打开，导致单位时间进入系 统的液压油减少 ，液压缸运动速度减慢。液压缸出现 不能运动故障时，节点 1 、5的压力值大于正常情况 下的值 ，原因是故障情况相当于负载增大，从而导致 系统压力上升；同时由于液压缸阻力过大，液压油不 能克服阻力推动液压缸运动，所以进入系统的液压油 和液压缸运动速度接近于0 。比较各故障情况下的计 算结果，可以看出，即使某一个状态量在不同的故障 时呈现相同的变化规律 ，但是在其他状态量上会存在 较大的差异 ，所以通过综合利用液压系统中各种状态 量 ，可以克服单一状态量在故障诊断时精度不高的缺 点 ，提高故障诊断精度 。对采集的第 2 组数据做相同 处理，计算结果如表 2 所示。 表 2 第 2组信号的计算结果 对 比表 1和2的计算结果 ，出现故障时，计算结 果呈现相同的变化规律，说明实验具有良好的可重复 性 。 4 总结 作者将小波去噪方法应用到液压系统故障信号的 处理中，结果证明小波去噪方法在处理液压系统故障 信号中有很好的效果。综合利用去噪后的压力均值、 运动过程所需液压油、液压缸平均运动速度作为液压 系统故障判断的依据，克服了单一特征量在故障诊断 时容易产生误判的缺点，提高了故障诊断精度。通过 对F e s t o 液压实验系统故障信号的分析处理，证明该 方法切实有效。 参考文献 【 1 】范土娟， 杨超． 液压系统故障诊断方法综述[ J ] ． 机床与 液压， 2 0 0 9 ， 3 7 5 1 8 81 9 1 ． 【 2 】王少萍， 苑中魁 ， 杨光琴． 基于小波消噪的液压泵故障诊 断[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 4 7 1 1 6 01 1 6 2 ． 【 3 】胡昌华， 李国华 ， 周涛． 基于 M A T L A B 7 ． X的系统分析与 设计 小波分析 [ M] ． 3版． 西安 西安电子科 技大学出 版社 ， 2 0 0 8 ． 【 4 】 杜文正． 基于小波多尺度边缘检测的液压缸内泄漏故障 诊断[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 3 3 5 2 5 3 ． 【 5 】 赵玉 明， 冯子明， 赵卫华． 往复泵泵 阀故 障诊 断方法 [ J ] ． 流体机械， 2 0 0 5 1 4 2 4 4 ． 【 6 】 毋文峰 ， 王汉功， 陈小虎． 液压泵故障诊断的小波 一 神经 网络方法[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 5 2 3 0 2 3 2 ．