液压系统故障通用检测平台研究.pdf

2 0 1 0年 l O月 第 3 8卷 第 l 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI C S Oc t ． 2 Ol O Vo 1 ． 3 8 No ． 1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 9 ． 0 4 2 液压系统故障通用检测平台研究 杨 小强，高亚明 ，陈明宏 ，韩 军，朱保 国 解放军理工大学，江苏南京 2 1 0 0 0 7 摘要针对目前工程机械液压系统种类繁多、故障检测参数复杂的特点，研究构建工程机械液压系统故障通用检测平 台，以满足部队液压系统维修保障的需求。系统地介绍液压系统故障通用检测平台的总体功能与结构组成，讨论其硬件平 台的构建方法和液压试验台的工作原理，并开发其软件系统。开发的系统已经在某单位进行了试验，结果表明，该平台具 有很好的推广应用价值 。 关键 词 工程机械 ；故 障检测 ；通用平 台；液压系统 ；自动测试 中图分类号 U 4 1 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1～ 3 8 8 1 2 0 1 0 l 91 4 4 3 S t ud y o n Un i v e r s a l Te s t i n g Pl a t f o r m o f Eng i n e e r i n g M a c h i n e r y YA NG Xi a o q i a n g ， G AO Ya rni n g，C HE N Mi n g h o n g ， H AN J u n，Z HU B a o g u o E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f S c i ．T e c h ．U n i v o f P L A，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 7 ，C h i n a Ab s t r a c t B e c a u s e o f t h e mu l t i p l e t y p e s a n d c o mp l e x f a u l t d i a g n o s i s p a r a me t e r s ， t h e g e n e r a l p u r p o s e t e s t i n g p l a t f o r m o f e n g i n e e r i n g ma c h i ne r y hy dr a u l i c s y s t em wa s i mp l e me n t e d t o a c c o mo d a t e t h e ne e d o f ma i n t e na nc e a n d s u pp o fl o f mi l i t a r y e qu i p me nt ． Th e g e n e r a l f u n c t i o n s a n d s t r u c t u r e o f t h e t e s t i n g p l a t f o rm we r e i n t r o d u c e d ． T h e b u i l d u p o f t h e h a r d w a r e ， t h e o ry o f h y d r a u l i c o p e r a t i o n a s we l l a s t h e s o f t wa r e de v e l o p me n t we r e d i s c u s s e d t o o． Th e g e n e r a l p urpo s e t e s t i n g s t a n d h a s b e e n us e d i n t h e mi l i t a r y u n i t ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t i t ha s a g o o d v a l u e ． Ke y wo r d s En g i n e e r i n g ma c h i n e ry ； F a u l t d i a g n o s i s ；Ge n e r a l p u rpo s e t e s t i n g s t a n d； Hy d r a u l i c s y s t e m ；Au t o ma t i c t e s t i n g 随着工程装备液压系统、控制系统 、操纵和传动 系统的技术复杂程度不断增强 ，电子设备或机 电一体 化装置大量应用到工程装备液压系统中 ，自动化程度 高 、可靠性好 、具有较强 的通用性 和可扩展性已成 为 液压系统性能的主要指标。依靠传统分立、非系统级 的液压系统测试维修设备很难适应部队快速形成保障 力和战斗力的要求。 当前工程装备液压系统检测设备多是以专用、分 立的设备为主 ，仅用于保障某一 型号或某类装备 。没 有综合通用型的液压检测设备，检测设备的研制也没 有统一的技术标准和规范 ，缺乏统一的设计 。工程装 备 自动测 试 A T S虽 然 已经 开始 采 用 模 块 化 设 计 及 V X I 、P X I 、P C I 和 G P I B等总线技术，但系统结构体 系设计仍 比较 随意 ，不 能实现标准化 、通 用化 ，T P S 仍是专用的，不能实现 T P S的可移植性及软件系统 的可重 构 、可扩 充／ 裁剪 。这些 因素 都 使得 液 压 系 统 的保 障设备 ，尤其是 液压 检测设 备结 构多样 ，技 术应用参差不齐，给部队装备保障人员增加很大的 负担。 计算机总线 技术 与软 硬件 技术 飞速 发展 ，推动 A ／ D、D ／ A转换技术、嵌入式数据采集系统、抗混叠 滤波技术和信号处理技术 的不断改进 ，各种总线形式 板卡技术的不断成熟为液压 系统通用测试技术提供了 有力 的技术支撑 。作者研究能够适用于工程装备液压 系统检测需求 的通用检测平 台及其开发技术 ，为工程 装备液压系统通用检测平台的开发提供参考。 1 液压系统故障通用检测平台总体功能及构成 液压系统故障通用检测平台的研制是根据 “ 专 业综合、结构优化、功能通用”的原则要求 ，按照 “ 划类分组 、一 体通 用 对象 、模 式 、功 能 、功 能 分层”的设计思想进行的。硬件设计充分采用嵌入 式技术、总线技术和模块化仪器构成通用检测平台， 以完成工程装备液压、气动系统的平时巡检、临检、 应急维修支援保障任务，结合故障检测与诊断软件实 现工程装备液气系统状态检测与评估、故障诊断、部 元件试验和信息管理的功能。 1 ． 1 总体 功能 检测平台的总体功能包括状态检测、故障诊断、 部 元件试验和信息管理，其检测与试验对象为 目前常见的工程装备 的液压系统 ，如 G J T 1 1 2推土机 、 G J z 1 1 2装载机、G J W1 1 1 挖掘机、P Y 1 6 0平路机等多 种建筑、工程机械的液压系统。 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 2 4 作者简介 杨小强 1 9 6 7 一 ，博士后 ，副教授 ，目前主要从事工程机械故障检测与诊 断方 面的教学 、试验与科研工作 。电 话 1 3 8 1 3 8 8 5 4 8 1 ，Em a i l y a n g l a b 1 2 6 ． C O rn。 第 l 9期 杨小 强 等 液压 系统故障通用检测平 台研究 1 4 5 1 ． 1 ． 1 状态检测与评估功能 能够原位采集和存储工程机械液压系统的技术状 况参数 转速 、振动 、噪声、温度、流量、压力 、油 液污染 度等见 表 1 。 表 1 检测部件及参数 平时采取定期检测或 随机抽检 ，采集工程机械液 压系统的技术状况参数 ，建立工程机械液压系统的技 术状况档案 ，实现液压系统技术状况的跟踪检测 和状 态变化趋势的分级评估，及时掌握工程机械液压系统 的技术状况。战前配合使用分队进行临检 ，检查装备 的技术状况是否能够满足作战需要，确保参战装备具 有完好的技术状况。 液压系 统 的技 术 状 况 评 估 结 果 分 为 “ 良好 ” 、 “ 堪用”和 “ 禁用”3个等级；液压系统的技术状况 评估结果分为 “ 正常”和 “ 异常”2个等级。 状态检测与评估功能面向的部 元 件对象包 括 液压动力元件 、执行元件及控制元件等典型元 器 件 ，扩展的机械部件涉及传动、操作和转向装置等。 检测方式 空载 、原位 、不解体 。 1 ． 1 ． 2 故 障诊断功能 液压系统故障诊断应用故障树逻辑推理的方法， 通过建立具有人机交互功能的故障诊断专家系统 ，实 现液压系统故障元件定位。 1 ． 1 ． 3元器件试验功能 液压 系统 检测 平 台能 够按 照修 理级 别 和试 验 规 范，完成工程机械液压系统元器件的修后试验。通过 采集元器件试验过程 中的转速 、温度 、压力 、流量 和 泄漏量等参数，结合目测观察，检验修理质量。综合 平台能够对元器件试验的条件和过程进行控制，采集 和显示试验过程参数，并对异常状况进行报警 ，还可 对试验过程的常见故障进行分 析提示 ，给出故障排 除 措施 ，生成试验报告 。 试验对象包括 液力换 档变速箱 变速器 、传 动箱 、变 矩 器 、分 动 箱 分 动 器 、转 向 机 、液 压 泵 、马达、液压控制阀、液压缸等 见表 1 。 1 ． 2总体 构成 通用检测平台由硬件和软件两部分构成。硬件部 分主要包括 N I 测试系统硬件、地面固定平台、便携 式检测单元和液压元件试验台等；软件部分主要包括 状 态 数 据 管 理 系 统 、检 测与故障诊断软件系统。 检测 平 台总 体 构 成 框 图 见 图 1 ，其 主要 模块 如 下 1 检 测 与诊 断 系 统由数据 采集模块、信 号分 析 处 理 模 块 、技 术 状况评估模 块、故 障诊 断模块 、试验条件控 制 模块 、数据库访 问模 块 、 帮助模块等构成。 液压 系 统故 障通 用 检测 平 台 平台软件构成 l I平台硬件构成 茎f j委fJ霎jI羹 地 面 固 定 m 台 图 1 液压系统故障通用 检测平台总体构成 系统配置与 自检模块 、系统 2 状态 数据 库管 理 系统主 要负 责工 程机 械液 压系统主要元器件和系统在各种 工况下 的标准数据库 的管理，如 G J W1 1 1 型高速挖掘机的各个测点在标准 测量工况下的温度 、压力或流量等标准阈值。故障检 测与诊断系统根据这些阈值进行故障的判断与诊断。 3 测试系统硬件模块由 P X I 总线控制器 计 算机 、数据采集模块 含信 号调理模块 、传感器组 及卡具模块 、电源模 块 、输入输 出模块 、通 讯模块 等构成 。 4 液压元件试验 台由试验 台架、液压 系统、 被试元件接头等构成。 5 便携式检测单元的核心仍为 P X I 数据采集 系统，它通过标准外接总线与 P X I 硬件平台连接，当 需要在工程机械现场进行抢修时，可将其从总平台上 取下，辅以传感器连接电缆、传感器、接头和移动电 源等装置，即可进行现场检测或战场抢修检测。 6 地面 固定 台面 由液压动力 源 、电机控制 柜 、 液压控制箱 、台面固定支架等构成。 2 检测平台硬件设计 2 ． 1 设 计思 想 根据液压元件试验系统的功能定位 ，参照国家规 定的液压元件试验规范，在统计分析通用装备液压元 件种 类 、接 口形 式及 试 验 条件 压 力 、流 量 范 围 的基础上，基于 “ 功能综合 、自动高效 ”的设计思 想，采用 P L C控制技术和高精度的电液比例液压泵， 解决 了液 压元件试验 时压力 、流量 的大范 围连续可调 的问题 ，完成 了我军 目前装备 的工程机械液压元件 的 基本性能检测与鉴定试验 。 2 ． 2液压 测试 系统硬 件 平 台设计 总线技术、虚拟仪器技术是第三代 自动测试系统 构建 的基 础 ，硬件平 台的模块化 、开放性和可扩展性 是通用 自动测试系统的发展方向。为了能够使测试系 统适用于不同的测试任务和测试指标 ，而且要满足系 统 的标准 化 、系列 化和 通用 化 ，吸 收 A T E发展 的最 1 4 6 机床与液压 第 3 8卷 新成果 ，作者采用 P X I 总线为 基础 的第 三代 A T E测 试系统 。广泛采用各种商业货架产 品，尽量减少 自制 专用设备的数量；功能部件和各部分接口的设计遵守 广泛使用的标准或协议 ，从而提高了系统的可扩展 性。机械装备检测平台采用 “ 主控计算机 含嵌入 式控制器P X I 模块化仪器 程控仪器 连接器 一 适配器 ”的结构方式 见图 2 。 P x I 模块化 仪器 开 关 连 适 信 传 毒 更 程 控 设 备 一 矩 接 配 号 感 蓑 嘉 阵 嚣 器 线 ‘器 模 组 组 块 T 器 外 部 资源 一 广 工程柳 液 压孬 图2 检测系统硬件平台总体结构 主控计算机通过标准总线连接 P X I 模块化仪器、 程控设备和外部资源 ，测试资源和被测 液压系统之间 通过连接器 一 适配器结构连接 。 2 ． 3 检测 平 台信 号可 更换 适 配器的设计 信号接口装置负责检测平台与检测对象之间的物 0 理连接。考虑到被测对象的信号种类 、检测传感器的 类型复杂 多变特点 ，作 者选择 了连 接器 一适 配器方 案 ，实现检测平 台与被测对象 的物理连接 。该方案主 要包括连接器 R e c e i v e r 和适配器 F i x t u r e ，其 中 信号适配器的原理 图如图 3所示。 器 图 3 信 号适 配器的原理图 2 。 4 平台液压系gEx - 作原理及基本性能参数 测试平台液压系统通过电动机带动变量泵，利用 比例流量阀 、比例溢流阀和各种换 向阀调节系统的流 量和压力，为机械部件试验台液压支路和液压元件修 后试验台支路提供各种不同的动力输入 ，其工作原理 见图 4 。 液 压元 件试验 支路 板式连接元件管式连接元件 按液压阀 泄漏试 试验 支路 试 验支 路 控制 油 口 验 支路 系统 液压源 流量传感器 微量传感器 压力传感器 温度传感器 转速传感器 污染度传感器 图 4液 压 系 统 工作 原 理 图 为 了保证 平 台液压 系统稳 定 、协 调地 工作 ，试 3 ． 1 状 态数 据信 息管理 系统 验平台具有较宽的压力、流量范围，以适应不 同装 系统软件采用树形层次结构，划分为系统管理、 备液压元件 的要求 。为此 ，液压 系统基 本性 能参数 基础数据管理 、部件检测试验管理 、状态数据管理分 设计为系统最高工作压力 3 3 M P a ；系统最高工作 析、数据通讯等模块，实现整个平台的数据管理。 流量 9 8 ． 6 L ／ m i n ；系统工作 温度 范 围 一1 5～8 0 o C； 3 ．2 检测与故障诊断系统 系统调压范围 8～3 2 MP a ；系统流量调节范围 0～ 检测诊断软件子系统 由数据采集 、信号分析处 o L ／ Ⅱ u “ 。 理 、技术状况评估 、故障诊 断 、试验条件控制 、数据 3 检测平台软件设计 库访问 、系统 配置与 自检 、系统帮助等模块构成 ，结 软件 由信息管理 系统 和检测 与诊 断系统 两部 分 构框架如图 5所示 。 构成。 下转第 1 2 8页 1 2 8 机床与液压 第 3 8卷 2 刚性不足 ，工业 机器人 是 串联 的多关节 机 械系统 ，这种开式链系统的刚性不足是显然的 ，同时 导致机器人末端的抓取力也略显不足 。 由于以上弱点 ，使得机器人快速制造原型系统相 对数控机床而言 ，有材料选 择性 ，只能用来加工轻材 料 ，比如木材 、泡沫 、塑料 、石蜡 、黏土 、铝等 ，但 是对于专门的快速原型系统 R P加工设备 又有 大 的选择范围。 3工业机器人快速制造原型技术发展趋势 快速制造原型技术是先 进制造技术 的一次 飞跃 ， 它从成形原理上提出了一种全新的思维模式 ，为制造 技术的发展创造 了一个全新 的机遇。随着快速原型技 术研究 的深入 ，人们 在提高其精 度和可靠性 的同时， 也在不断探索新 的成 型工 艺方法 ，研制新 的成 型材 料。基 于工业机器人 的快速制造原型技术是一个很复 杂的任务 ，既要考虑零件的复杂形状 ，又要考虑不同 材料的特性 ，同时还有加工刀具的选择 。面临的主要 问题有加 工 的原 型精 度 、有 限的材料 种类 和力 学性 能。随着快速制造原型技术和工业机器人技术 的飞速 发展 ，特别是工业机器人技术的发展 ，比如工业机器 人末端执行器 重复定 位精 度 的提 高及 负载 能力 的提 高 ，必将导致工业机器人在快速原型技术中的应用越 来越广泛 。 参考文献 【 1 】张人佶 ， 颜永年， 林峰． 基于快速原型的快速模具制造技 术的新进展[ J ] ． 机械工人， 2 0 0 7 7 2 5 2 8 ． 【 2 】熊有伦． 机器人技术基础[ M] ． 武汉 华中科技大学出版 社 ， 1 9 9 6． 【 3 】王广春． 快速原型技术及应用[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】V e r g e e s t J o fi s S M， T a n g e l d e r J o h a n W H． R o b o t m a c h i n e s r a p i d p r o t o t y p e [ J ] ． I n d u s t r i a l R o b o t ， 1 9 9 6 ， 2 3 5 1 7 2 0． 【 5 】陈永华， 谢万章． 面向大型制件的机器人快速原型系统 [ J ] ． 中国机械工程， 1 9 9 7 ， 8 5 4 2 4 4 ． 【 6 】 H u a n g H s u a n k u a n ， L i n G r i e r C I ． R a p i d a n d fl e x i b l e p r o t o t y p i n g t h r o u g h a d u a l r o b o t w o r k c e l l [ J ] ． R o b o t i c s a n d C o mp u t e r I n t e g r a t e d Ma n u f a c t u ri n g ， 2 0 0 3 ， 1 9 3 2 6 3 2 7 2． 【 7 】S c h a f e r T i m o ， S c h r a f t R o l f D i e t e r ． I n c r e m e t al s h e e t m e t a l f o r mi n g b y i n d u s t ri a l r o b o t s [ J ] ． R a p i d P r o t o t y p e J o u r n a l ， 2 0 0 5 ， 1 1 5 2 7 8 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能结构 、硬件设计与软件功能进行 了研究。由于液压 系统通用检测平 台涉及到机电一体化 、控制技术 、计 算机技术 、故障诊断技术 等方方面面 ，因此在开发研 制检测平台的过程 中也在逐步改进提高 ，其 系统功能 和结构也是在不断的完善之中。作者着重对其控件系 统硬件设计 和液压系统工作原理等方 面进行 了研究 ， 希望能起到抛砖引玉的作用，以便不断改进和提高液 压系统故障的检测与诊断水平。 参考文献 【 1 】于劲松 ， 李行善． 美国军用 自动测试系统的发展趋势 [ J ] ． 测控技术 ， 2 0 0 1 ， 2 0 1 2 1 1 3 ． 【 2 】李行善． 自动测试系统集成技术[ M] ． 北京 电子工业出 版社 ， 2 0 0 4 ． 6 ． 【 3 】 刘建辉， 单片机智能控制技术[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 2 0 0 7 ． 【 4 】阮德生． 自动测试技术与计算机仪器系统设计[ M] 。 西 安 西安电子科技大学出版社 ， 1 9 9 7 ． 3 ． 【 5 】 李宝安 ， 李行善． 基于组件的 自动测试系统 A T S 软件 体系结构[ J ] ． 电子测量与仪器学报， 2 0 0 2 4 7 4 7 7 ． 【 6 】任献彬， 牛双诚， 许爱强． 通用 A T S软件设计平台研究 [ J ] ． 宇航计测技术， 2 0 0 2 5 5 9 6 3 ． 【 7 】 郭霞． 扫雷装备电控系统通用 自动测试系统研究[ D ] ． 南京 解放军理工大学， 2 0 0 7 ． 帮助模块