某装备液压系统故障检测与诊断技术研究.pdf

2 0 1 3年 1 2月 第 4 1 卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS De c ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 3 ． 0 4 6 某装备液压系统故障检测与诊断技术研究 傅建平 ，宋明明 ，李龙云。 ，冯国飞 1 ．军械工程学院火炮工程 系，河北石家庄 0 5 0 0 0 3 ；2 ． 7 3 0 6 1 部队 ，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 7 7 6 2 7帮 队，西藏拉 萨 8 5 0 0 0 0 摘要分析了某 自行火炮装备液压系统的失效模式与故障机制，建立了该装备的液压系统故障树 ，开发了该液压系统 的故障检测与诊断系统。该系统的应用大大提高了液压故障诊断的有效率和准确程度，提高了装备维修保障能力。 关键词 液压系统 ；故障检测 ；故障诊断；故障树 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 31 6 63 Re s e a r c h o n Fa ul t De t e c t i o n a nd Di a g no s i s o f Equ i pme n t Hy d r a ul i c Sy s t e m F U J i a n p i n g ，S ONG Mi n g mi n g ，L I L o n g y u n ，F E NG Gu o i 1 ． O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 0 3 ，C h i n a ；2 ． 7 3 0 6 1 A r m y ， X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；3 ． 7 7 6 2 7 A r m y ，L h a s a T i b e t 8 5 0 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e i n v a l i d a t i o n p a t t e r n s a n d i n v a l i d a t i o n p r i n c i p l e s o f s e l f - p r o p e l l e d g u n h y d r a u l i c s y s t e m we r e a n a l y z e d， a n d i t s f a u l t t r e e wa s b u i l t ．T h e h y d r a u l i c f a u l t d e t e c t i o n a n d d i a g n o s i s s y s t e m wa s d e v e l o p e d ．T h e a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m c a n l a r g e l y h e i g h t e n t h e v a l i d i t y a n d v e r a c i t y o f t h e h y d r a u l i c f a u l t d e t e c t i o n a n d d i a gn o s i s ，a n d i mp r o v e e q u i p me n t ma i n t e n a n c e a b i l i t y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m ；F a u l t d e t e c t i o n；F a u l t d i a g n o s i s ；F a u l t t r e e 液压系统具有功率大、体积小 、质量轻、响应 快、精度高等优点，因而自行火炮大多利用液压系统 进行供、输弹操作以及为变速、转向机构提供助力 ， 大大提高了装备 自动化程度 ，减轻 了炮手工作强 度。由于液压系统技术先进 、结构复杂 ，使用故障率 很高，是部队技术保障的重点与难点。目前 ，自行火 炮液压故障诊断主要凭专家经验定性分析，依赖性 强，自动化程度低、通用性差 ，领域专家经验对于故 障诊断的重要性和计算机技术的发展，使专家系统技 术在故障诊断领域中得到广泛应用。以某型自行火炮 液压系统为研究对象，分析 了其失效模式与失效机 制，运用故障树与人工智能理论相结合 的分析方法， 开发了该炮液压系统故障诊断系统，以帮助技术人员 科学、正确地进行故障诊断，缩短维修工时，提高装 备战斗力与保障能力。 1 液压系统主要故障 某型自行火炮液压系统主要有两大功能 为火力 系统提供装填动力 ，以提高火炮射速，减轻炮手工作 强度 ；为底盘操纵系统提供转向助力，减轻驾驶员工 作强度。因此 ，根据其使用功能 ，液压系统故障可分 为 1 无法输弹。装填功能完全丧失 ，装填液压 系统不工作 ； 2 输弹不到位。输弹功能下降，装填液压系 统工作但不正常； 3 转向无助力。助力功能完全丧失 ，转 向液 压系统不工作； 4 转 向助力不足。助力功能下降，转 向液压 系统工作但不正常 ； 5 系统油温过高。液压系统短时间工作，油 温剧升，超过标准值。 2 液压系统故障诊断 液压失效模式是液压失效 现象 的一种表 征 ，它从 不同表现形态来描述液压失效。液压对象不同，其表 现出的失效模式也不尽相同，如液压泵的失效模式主 要有无压力 、压力流量不足 、噪声大 、发热严重等； 而 液压缸 则主要有爬行 、冲击 、泄漏 、推力 不足等失 效模式 。 液压故障机制是指诱发液压系统或液压元件失效 的理化过程、电学和机械学过程。液压失效主要有液 压元件与液压流体失效两类，其中液压元件失效主要 有液压元件材料失效 如材料磨损、腐蚀 、变形与 收稿 日期 2 0 1 21 1 3 0 基金项 目军队科研项目 作者简介傅建平 1 9 6 6 一 ，男，副教授 ，主要从事火炮检测与诊断研究。E m a i l 2 0 0 5 0 8 0 4 b i t ． e d u ． c n 。 第 2 3期 傅建平 等 某装备液压系统故障检测与诊断技术研究 1 6 7 断裂 、密封失效，使元件不能正常发挥作用而发生 故障；液压流体失效主要包括液压介质的化学稳定 性 、热稳定性和污染性破坏 ，油液发生失效 ，导致液 压元件或系统失效。液压故障机制分析应从液压失效 对象、失效诱因与失效模式 3个方面进行研究 。 2 ． 1 液压 系统故障树 故障树分析法具有层次性强、因果关系明确等特 点 ，是对液压设备 进行故 障诊 断主要分 析方法之 一 。假设液压系统各机构连接关系正确，固定确 实 ；只考虑影响安全性、使用性的失效事件 ，不考虑 发生概率极小、无严重后果的事件 ，不计人工操作失 误。根据该炮液压系统使用特点与失效模式、失效机 制分析，建立 了该炮液压系统的故障树，如 图 1 所 示。其中T表示顶事件 ，E表示中间事件，x表示 底事件。事件编码如下T为液压系统故障；T 为无 法输弹，T 为输弹不到位 ， 为转 向无助力，r r 4 为 转向助力不足， 为油温过高；E 为电机泵不工作 ， E 为液压泵不工作，E 为装填压力不足 ，E 为装填 流量不足 ；X 为 电机线路故障，x 为电机泵损坏， x 为泵挂挡机构损坏无法挂接 ，x 为主泵损坏，x 为系统有外漏 ，x 为系统油量不足 ，x ， 为溢流阀调 整不当，X 为蓄压器气压不足 ，x 。 为滤清器堵塞 ， x 。 为泵内泄过大 ，x 为溢流阀内泄过大，x 为主换 向阀内泄过大 ，x 为操纵盘 “ 输弹／ 退链”换向阀内 泄过大，x 为输弹油缸内泄过大 ，x 为泵挂挡机构 损坏无法挂接，x 为主泵损坏 ，x 为系统有外漏 ， x 为系统油量不足，x 。 为调压阀组调整不当或内泄 严重 ，x 。 为助力缸 内泄严重，x 为系统油量过少 ， x ， ， 为滤清器堵塞。 图 1 某 自行火炮液压系统故障树 2 ． 2规 则库 液压故障诊断系统主要由知识库、规则库、推理 机组成 ] 。知识库用于存放有关故障征兆、故障原 因、检修措施等事实，规则库则存放用于故障诊断用 的推理规则集。该系统采用产生式规则表示法来建立 规则库 ，将故障树用一组规则来表示，完整地表达诊 断知识的结构层次和因果关系。其中每个规则的表示 形式 为 I F T H E N 结 论 ， 措 施 WI T H C F ， R C F 规则的条件部分是多个前提的逻辑组合。C F表 示前提的可信度，R C F表示规则强度。采用产生式 规则表示法来建立规则库。如 规则 1 T 如果 装填压力 P 0 ；电机泵无 法装填 则 电机泵不工作 建议 检查电机泵的电机或泵是否损坏 规则 2 E 如果 装填压力 0 P 6 ． 5 M P a ， 系统无外漏 ，油量符合标准，而装填不到位 则 装填压力偏低 建议 调整溢流 阀，使系统压力 P 6 ． 5～7 ． 0 MP a ；无法调整时修理溢流阀 2 ． 3推 理 方法 目前 ，专家系统推理方法主要有正向推理、反向 推理和混合推理 3 种。根据液压系统故障特点以及正 向推理的特点，采用正向推理为控制策略。其推理方 法采用不精确推理 ，采用深度优先搜索为推理规则的 依据。其推理流程图如图2所示 ，搜索顺序如图 3所 示。搜索是按照 1 2 3 45 6 7 8 9 1 0 1 l 1 2 _ 1 3 1 4_ 1 5 1 6 1 7 l 8 1 9 2 0_ 2 1 _ 2 2 - - - * 2 3 _ 2 4 5 - - * 2 6 _ 2 7 一 2 8 -- * 2 9 - - - * 3 0 - -- - * 3 1 _ 3 2的节 点顺序进行的。 厂 按规则的选择策略选出一条规则 Y 扫 描知 识库 规 则与 知识 库 的事 实 匹配 匹 配完 成 吗 ＼ ／ N ＼ 还有 规 则 吗 ＼ ／ N I 规 则库 知 识库 Y- 一 显 故 曼 因 l 或 处 理 措 施 竺墨 图2 正向推理流程图 1 6 8 机床与液压 第 4 1 卷 图3 正向搜索顺序图 2 ． 4液压 故 障检 测 系统 由于液压系统故障现象与故障原因并非一一对应 关系，故障诊断专家系统诊断率并不能达到 1 0 0 ％。 液压系统的最终失效现象可用系统压力 、温度 、流量 与转速 4个基本工况参数来定量表征，与标准工况参 数相比即可进行状态评估与故障诊断。液压系统状 态检测 系统就是 用来采 集液 压 系统 上述 4个 运行 工 况参数信号，配合液压故障诊断系统对液压系统进 行状态评 估与故 障诊 断 ，以提高 液压 故 障诊 断 的准 确性与准确率。该系统 由压力、温度 、流量与转速 4个测试传感器 、信号调理电路键盘及显示输出设 备等组成。 3 液压故障诊断实例 在实际液压故障诊断中，液压故障检测系统与液 压故障诊断系统配合使用，以提高故障诊断准确率与 诊断速度 。某部队多 门白行火炮 出现 “ 输 弹不到位 ” 故障，给部队正常训练带来很多不便。首先由故障树 可得其 原 因为 “ 装 填 压 力 不 足 ” 或 “ 装 填 流量 不 足” ；经液压故障检测系统测得系统装填压力正常， 而装填流量不足，因此该故障是由 “ 装填流量不足” 造成的；通过咨询炮手 ，该炮使用不多，保养及时， 由诊断系统可进一步确诊其故障原因为 “ 蓄压器气 压不足” ，后经检测系统测得该炮 蓄压器气压为 0 ， 与诊断结果相符 ，经更换蓄压器密封垫排除 了蓄压器 漏气故障。 4结论 分析了某 自行火炮液压系统失效模式与失效机 制，应用故障树分析法与人工智能理论，开发了液压 故障诊断系统，包括液压故障诊断专家系统与液压故 障检测系统，大大提高了液压故障诊断自动化水平和 诊断正确率，已实际应用于该型 自行火炮液压系统故 障诊断 。 参考文献 【 1 】 张培林 ， 李国章， 傅建平． 自行火炮火力系统[ M] ． 北京 兵器工业出版社， 2 0 0 2 ． 【 2 】 李笑 ， 吴冉泉． 液压与气压传动[ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 2 0 0 6 ． 【 3 】 陆望． 实用液压机械故障排除与修理大全[ M] ． 长沙 湖 南科技出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】王永昌， 赵静一， 张齐生． 基于故障树分析的橡胶压块机 液压系统故 障诊断及搜索策略[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 2 ， 1 3 1 8 1 5 5 51 5 5 7 ． 【 5 】黄春江． 齿轮泵常见故障及其维修[ J ] ． 工程机械与维 修 ， 2 0 0 5 1 1 ． 【 6 】 武波 ， 马玉祥． 专家系统 [ M] ． 北京 北京理工大学出版 社 2 0 0 0 6 3 6 9 ． 上接第 1 6 5页 振动有着密切的关联。数控机床伺服系统在运行过程 中出现的各种故障之间并不是孤立的，一般都是电气 系统故障和机械故障共同作用的结果。 参考文献 【 1 】 李世班 ， 房玉胜． 数控机床伺服系统故障诊断分析[ J ] ． 机械研究与应用 ， 2 0 0 5 ， 1 8 5 5 0 5 2 ． 【 2 】 杨早娥 ， 石品德． 基于数控机床进给伺服系统的研究综 述[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 5 6 5 9 ． 【 3 】Z H A N G Y i n g z h i ， J I A Y a z h o u ， S H E N G u i x i a n g ， e t a 1 ． G r a y C o r r e l a t i v e An a l y s i s o f F a i l u r e Di s t r i b u t i o n o f C NC Ma c h i n e T o o l [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y o f A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y ， 2 0 0 4 6 1 9 9 2 0 1 ． 【 4 】李冬． 数控机床进给伺服系统的故障及维修[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 3 1 1 61 1 9 ． 【 5 】万书亭， 佟海侠 ， 董炳辉． 基于最小二乘支持向量机的滚 动轴承故障诊断 [ J ] ． 振动 、 测试与诊断， 2 0 1 0 ， 3 0 2 1 4 91 5 2． 【 6 】赵万军． 数控机床滚珠丝杠副计算机选型设计系统研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 4 2 83 2 ． 【 7 】N I U G a n g ， H A N T i a n ， Y A N G B o - S u k ， e t a 1 ． M u l t i a g e n t D e c i s i o n F u s i o n f o r Mo t o r F a u l t D i a g n o s i s [ J ] ． Me c h a n i c a l S y s t e m s a n d S i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 0 7 ， 2 1 3 1 2 8 51 2 9 9 ． 【 8 】 F A N G H u a j i n g ， Y E H a o ， Z H O N G M a i y i n g ． F a u l t D i a g n o s i s o f N e t w o r k C o n t r o l S y s t e ms [ J ] ． A n n u a l R e v i e w s i n C o n t r o l ， 2 0 0 7 ， 3 1 1 5 5 6 8 ． 【 9 】彭志科， 何永勇 ， 卢青， 等． 小波多重分形及其在振动信 号分析中应用的研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 ， 3 8 8 5 9 6 3 ． 【 1 0 】王春， 彭东林 ， 朱革． 小波变换在轴承故障诊断中的应 用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 9 2 2 5 2 2 8 ．