模糊理论在液压系统故障诊断中的应用.pdf

2 0 1 0年 9月 第 3 5卷 第 9期 润滑与密封 LUBRI CAT 1 0N ENGI NE ERI NG S e p． 2 01 0 V0 1 ． 3 5 No ． 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 01 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． 0 3 0 模糊理论在液压 系统故 障诊 断中的应用 李轲 烟 台工程职业技术学院山东烟 台 2 6 4 0 0 6 摘要利用模糊数学在描述油液污染与机器磨损的模糊关系中的特点，建立模糊故幛诊断的数学模型。通过故障 征兆空间的压缩和重构，使构造的液压系统污染度模糊故障诊断数学模型减少计算量，大大提高液压系统模糊故障诊断 的效率 。 关键词 污染度 ； 液压 系统 ；颗粒计数器；故障诊断 ；模糊理论 中图分类号 T H1 6 5 ． 3 文献标识码 B文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 0 91 2 7 3 Ap p l i c a t i o n o f Fu z z y The o r y f o r Fa u l t Di a g n o s i s i n Hy dr a u l i c S y s t e m L i Ke Y a n t a i P r o j e c t P r o f e s s i o n a l T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， Ya n t a i S h a n d o n g 2 640 0 6， C h i n a Ab s t r a c t F u z z y ma t h e ma t i c s h a s a g o o d a d v a n t a g e i n d e s c r i b i n g t h e f u z z y r e l a t i o n o f o i l c o n t a mi n a t i o n a n d me c h a n i c al we a r ．T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l b a s e d o n f u z z y t h e o r y wa s f o u n d e d u s i n g F u z z y ma t h e ma t i c e ．T h r o u g h t h e c o mp r e s s i o n a n d r e c o n s t r u c t i o n o f f a u l t s y mp t o m s p a c e，t h e c o mp u t a t i o n a l c o mp l e x i t y o f t h e c o n t s r u c t e d ma t h e ma t i c al mo d e l wa s d e c r e a s e d， t h e e ffi c i e n c y o f h y d r a u l i c s y s t e m f a u l t d i a g n o s i s wa s i mp r o v e d． Ke y wo r d s c o n t a mi n a t i o n l e v e l ；h y d r a u l i c s y s t e m；p a r t i c l e c o u n t e r ；f a u l t d i a g n o s i s ；f u z z y t h e o ry 液压系统作 为一 种传动技术 ，以其 能产生很 大的 力 、容易控制 、在很宽 范 围内无 级调速 、安全 性高 、 安装方便 、控制简单并可实现远程控制等优点被广泛 应用于各行各业⋯。液压系统一旦出现故障将会导致 系统无 法工作 ，可见液压 系统 的可靠性关 系到整个 系 统能否 正常运行 。据统计 ，由固体颗粒污染物长期超 标所 引起 的液 压 系 统 故 障 占总 污 染 故 障 的 6 0 ％ ～ 7 0 ％ 。开展液压系统在线颗粒污染度监测故障诊断 研究是提高液压设备 的可靠性和液压元件使用寿命 的 重要措施 。 模糊理论 作为描述与处理广泛存在的不精确、 模糊 的事件和概念提供相应 的理论工具 ，因为善 于处 理不确定、不准确的知识，符合人的自然推理过程， 适用于测量值较少且无法获得精确模型的系统 ，现 已 成为解决复杂系统的故障诊断问题 的重要 的理论方法 和实现工具 ，有着 巨大的应用前景 。在液压 系统 油液 污染度模糊故 障诊 断中 ，元件 的磨损是油 液固体 污染 颗粒 的一个重要来源 ，磨损越严重 油液污染状态越严 重，而油液的污染又会加速元件的磨损 ，它们之间是 一 种相互作用的复杂模糊关系，如何来表征这种关 系 ，基 于模糊数学 的模式识别在描述这种关 系上 面具 收 稿 日期 2 0 1 0 0 41 9 作者简介李轲 1 9 7 3 一 ，男 ，硕士，讲师，研究方向机械 制造．E m a i l l y l i k e 7 3 1 6 3 ． c o m． 有其特有的优势。本文作者将模糊理论引入液压系统 故障诊断中，构建模糊故障诊断的数学模型 ，以大大 提高液压 系统的故障诊 断效率 。 l 模糊故障诊 断方法 当设备状态监测故 障诊断 中各个环节所遇到 的各 种模糊信息时，可借助模糊数学中的隶属函数来描述 和处理 ，这就是模糊故障诊断方法 。模糊故障诊断方 法就是利用其模糊集合论中的隶属函数来描述故障与 征兆间的模糊关系，通过研究其模糊关系，实现故障 诊 断 ，进 而达 到及 时消除和预防故障的 目的。其 中正 确地确定隶属函数是解决各种设备状态监测和故障诊 断的一个重要 问题 ，其次就是根据最大隶属原则实现 模式的识别 ，最终实现故障的预测和确定最可能发生 的故 障。 1 ． 1 隶属 函数 的定义【 隶属函数的定义为将模糊数学中的0 ，1两个 值逻辑推广到可取[ 0 ，1 ] 区间中任意值 的连续逻辑， 这个时候的特征 函数称为隶属 函数 ，其 中0 2 8 } 9 式 中 为污染度等级代码 。 液压 系统元件磨损与油液污染之间是一种 因果关 系，在此把油液污染度等级看成故障征兆，把元件磨 损看作引发油液污染的故障原因。系统油液的污染程 度 和液压元件 的磨损都分成 4个状态 ，其一一对应关 系如 图 1 所示 。 污 染度 等 级 液压 元件 磨损 I 清洁 正常磨损 I I ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． I ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． _ J r ]r ] l 轻 度污染 卜 I 异常 磨损 I r ]r ] l中度污染 卜 I 严重磨损 l 【 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 【 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． _j l 重 度 污 染卜 很 严 重 磨 损 I 图 1 液压系统污染度等级与液压元件磨损状态的关系 F i g 1 Re l a t i o n s h i p b e t we e n p o l l ut i o n g r a d e o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d we a r c o n d i t i o n o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s 这样故障集合就包括4个元素 正常磨损、异常 磨损 、严重磨损和很严重磨损，用集合表示为 Y { y ， I j 正常磨损， 异常磨损， 严重磨损， 很严 重磨损 } 1 0 根据 I S 0 4 4 0 61 9 9 9污染度控制标准要求，颗粒 计数器必须最少提供 3个尺寸通道的颗粒读数 即 4 岬 ， 6 I． L m， 1 4 来表 示系统油液 的污 染度。 2 0 1 0年第 9期 李轲模糊理论在液压系统故障诊断中的应用 1 2 9 液压系统污染度故障诊断采用选用的在线颗粒计数器， 可提 供 4个 采样 通 道 ，分 别 为 4 Ix m， 6 Ix m， 1 4 m和 2 1 m。利用上面提到的模糊故障诊断方 法 ，对每个通道进行模糊故 障诊断 ，之后综合 4个通 道的诊断结论得 出最后 的诊断结果。由于每个通道都 要构造一个 3 O个元素 的征兆集与典型故 障集进行距离 运算 ，这样使得 不能一步得 出诊断结果且 在线诊断 的 时间和资源的消耗多，对于实时性要求高的诊断系统 这种方法显得不够理想。为解决这个问题 ，把这 3 0 个 等级代码进行分 区，并用相应 的故 障代码来 表示这些 分区。故 障代码 的约定见表 1 。 表 1 故障代码产生原则 Ta b l e 1 F o r mi n g p r i n c i p l e o f f a u l t c o d e 污染度分区 故障代码 清洁 轻度污染 中度污染 严重污 染 这样颗粒计数 器 4个 通 道就 会 产生 4个故 障 代 码，然后把这些故障代码组合成一个新 的故障征兆 集，这样就把由等级代码组成的故障征兆集对故障集 的映射变为先通过到污染度分区的变换得到新的故障 征兆集然后再来进行模糊故障诊断 。 按照上面的方法 ，污染程 度与磨 损程度 的对应 关 系 ，按以下方式 进行分 区 清洁对应 的 I S O代码 取 值 范 围 c 1为 0～ 1 8 ， C 2为 0～ l 6 ，C 3为 0～1 4 ，C 4为 0～ 1 2 ； 轻度 污染对 应 的 I S O代 码 取值 范 围 c l为 1 9～ 2 l， c 2为 1 7～1 9 ，C 3为 1 5～1 7 ，C 4为 1 3～ 1 5 ； 中度 污染对 应 的 I S O代 码 取值 范 围 c 1为 2 2～ 2 4 ，C 2为 2 0～ 2 2 ，C 3为 l 8～ 2 0 ，C 4为 1 6～ 1 8 ； 重度污染对 应 的 I S O代 码 取值 范 围 c l为 2 5 ～ 2 8， C 2为 2 3～ 2 8 ，C 3为 2 l～ 2 8 ，C 4为 1 9～ 2 8。 这样新的故障征兆集合 X I i 4 m通道的故障代码，6 m通 道的故障代码，1 4 m通道的故障代码，2 1 Ix m 通道的故障代码 } 1 1 考察 新故 障征兆集 合 ， 按 以下规则取值 ，1 清洁分区的故障代码 l 2 轻度污染分区的故障代码 。 1 3 中度污染分区的故障代码 【 4 严重污染分区的故障代码 这样最后 的故 障征兆 空间就成 为一 个由 4个通道 的故障代码组成的4维向量空间。经过这样的变换后 使得征兆空 间的维数很小 ，达到 了向量空 间压缩 的效 果，致使4个通道的监测判断结果组合在一个新的征 兆集 中。所 以这样构造 出的新 的征兆集来进行故 障诊 断 ，解决 了分步诊断 的问题 ，且大大减少 了计算量 。 3 实例验证 采用选用 的在线颗粒计数器在对液 压系统 污染控 制监测 中监测到 的 4个通道的一组数据见表 2 。 表 2 油样颗粒计数器监测实例 Ta b l e 2 Mo n i t o r i n g e a s e o f p a r t i c l e c o u n t e r f o r o i l 按照上面的方法和建立污染度标准值与上面监测 到的数据进行比较可以得出该系统的通道污染状态及 最终 污染程 度见表 3 。 表 3 污染度评判结果 T a b l e 3 E v a l u a t i o n r e s u l t o f p o l l u t i o n g r a d e 通道污染状态 4 tx m 6 tx m 1 4 Ix m 2 1 m 最终评价 注 打 “ 、 ／ ”表示 “ 是” ，打 “ ”表示 “ 否” 。 则待识别对象 Y 0 3 2 2 2 利用上面构建的液压系统污染度控制模糊诊断数 学模 型 ，得到诊 断结果 见表 4 。 表 4 污染度故障诊断结果 T a b l e 4 Di a g n o s i s r e s u l t o f p o l l u t i o n gra d e 典型故障 y 1 Y Y 3 Y 4 Y 0 ，y J 2 ． 6 4 6 1 ． 7 3 2 1 ． 4 1 4 3 ． 1 6 2 ／． t h 0 ．1 6 3 0 ． 4 5 2 0． 5 5 3 0 依据 最大 隶 属度 规 则 ，Y 。时 ， 。 最 大 ，故 液 压系统发生 中度 污染 故 障 的原 因是 系统 处 于严重 磨 损 。 4结论 1 将 模糊理论 引入 液压 系统 污染度 控制 故 障 诊 断 中可 以很好 地描述 液压 系统故 下转第 1 3 2页 1 3 2 润滑与密封 第 3 5卷 且 只设 了一个分配器给上下两个分配器供油 ，一旦 出 现故障，即使及时发现故障信息 ，但排查加处理问题 仍需要几个小时 ，在这种情况下 ，自润滑泵吸不到油 而难 以向铜滑块输 出润滑 油 ，导致铜 滑块 润滑不 良。 为保证足够润滑 ，后增设 了一 台干油泵 ，并增加 了一 个干油分配器 ，这样报警现象发现后 ，可 以及时切换 备用泵 ，始终保证润滑 回路正常 ，因而保证铜滑块的 正常润滑 。 3 ． 5改进 油槽 ，提 高干油存 留时间 图 4 铜滑块及其润滑通路 F i g 4 Co p p e r s l i p p e r a nd i t s l u b r i c a n t p a s s a g e wa y 针对铜 滑块 于油保持时 间不长 ，铜滑块磨损较快 的情况 ，在铜滑块内壁加深干油槽，并改进油槽方 向，使干油尽量滞留于铜滑块中。另外，原来铜滑块 背面虽有油槽 见图 4 ，但其 润滑 方式 是将 润滑 油 从一个孔打入后通过中心沟再向四周辐射，但根据受 力分析及实践证 明，往往因边 缘地 区磨损严 重 ，润滑 油未到中心沟时已从边缘磨损缝隙处泄漏出去，致使 其他油槽 不能得 到润滑油而加剧了铜 滑块的磨损。通 过疏通边缘 区域 中心沟并对油槽进行 加深 ，使其他 油 槽能及时补充到润滑油从而使铜滑块得到充分润滑。 3 ． 6 增设 冷却 水 ，降低 工作环境 温度 在辊端扁头处增设冷却水，有效隔断钢板传递过 来的热量并将摩擦副产生的热量不断带走，而使滑块 处 于接近常温的状态 。根据铜基 材料摩 擦因数 特性 曲 线 ，其在室温时摩擦因数最低，铜滑块磨损最小 ，同 时 ，润滑油脂也 因为温度 降低 而使其 黏附性加 大 ，锥 入度 降低 ，润滑条 件得 以较好保 持 ，而使铜滑块处 于 较好 的润滑状态 。 3 ． 7 建 立铜 滑块 定期检测机制 为了防止滑块疲 劳带来 的影 响 ，建立滑块定期疲 劳 、磨损检 测 机制 ，根 据 检测 结果 调 整合 理 润滑 周 期 ，减少磨损及疲劳变形带来的影响，并对严重疲劳 的滑块及时更换保证接轴叉头本体的良好状态 ，也避 免发生滑块断裂事件 。 4结束语 通过分析辊侧铜滑块磨损 的原 因，并采取改进供 油方式、改进铜滑块的润滑结构和加强故障的控制等 措施 ，滑块式万向接轴的润滑状况得以改善 ，滑块 寿 命从原来的 3 个 月更换 一次 提高到 现在 的 1 8个月 更 换 一次 ，有效 改善 了传 动轴的运行状态 ，并 大大降低 了备件费用。 参考文献 【 1 】刘建秀， 郭炎强， 韩长生， 等． 不同温度下铜基粉末冶金摩擦材 料往复滑动磨损规律[ J ] ． 机械强度， 2 O O 4 ， 2 6 2 2 0 7 2 1 2 ． 【 2 】孙桓， 傅则绍． 机械原理 [ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 8 9 ． 【 3 】邱宣怀． 机械设计[ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 1 ． 【 4 】汪德涛． 润滑技术手册[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 5 】胡邦喜． 设备润滑基础[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 0 2 ． 上接 第 1 2 9页障 中不精确 、模糊 的事 件 ，符 合人 的 自然推理过程 ，是一种解决液压系统 的模糊故 障诊 断问题 的有效理论方法 和实现工具 。 2 液压系统 的污染度 模糊 故 障诊 断只 能大 致 诊断出系统的故障原因，而对于具体的故障部位的诊 断还必须借助其他诊断方法和手段 来解决 ，例如与铁 谱诊断和压力 、流量 等热力 参数诊 断联合 应用用 于液 压系统的故障诊断。 参考文献 【 1 】王裕清， 韩成石． 液压传动与控制技术[ M] ． 北京 北京出版 社 ， 1 9 9 7 ． 【 2 】徐泰富． 基于油液分析的柴油机可靠性试验中的磨损评价 研究[ D] ． 武汉 武汉理工大学 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】蒋泽军 ， 王丽芳 ， 高宏宾． 模糊数学教程[ M] ． 北京 国防工 业出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 4 】张臣刚， 宴富恒 ， 程立峰． 工程机械模糊故障诊断研究[ J ] ． 工程机械文摘， 2 0 0 7 3 7 1 7 3 ． 【 5 】J o e n t g e n A ， M i k e n i n a L ， We b e r R， e t a 1 ． A u t o m a t i c f a u l t d e t e c t i o n i n g e a r b o x e s b y d y n a m i c f u z z y d a t a a n a l y s i s [ J ] ． F u z z y S e t s a n d S y s t e ms ， 1 9 9 9， 1 0 5 1 2 31 3 2． 【 6 】郭军武， 陈宝忠， 王士局． 模糊故障诊断在船舶柴油机换气系 统中的应用 [ J ] ． 上海海事大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 1 6一 l 9 ． GU O J u n w u， CH E N B a o z h o n g ， WA NG S h i j u ． Ap p l i c a t i o n o f f u z z y f a u l t d i a g n 0 s i s i n g a s e x c h a n gin g s y s t e m o f ma r i n e d i e s e l e n g i n e [ J ] ． J o u r n al o f S h a n g h a i M a r i t i m e U n i v e 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