基于参数测量的液压系统故障诊断技术-.pdf

第 6卷第 4期 2 0 0 8年 l 2月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R NA LO FC O N S T R U C T I O N MA C HI N E R Y V0 1 ． 6 No． 4 De c ．2 0 0 8 基于参数测量 的液压 系统故 障诊 断技术 郭化平 ， 一 ， 李 宁2 ，赵善 良2 1 ． 西安交通大学 机械工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 4 9 ； 2 ． 武汉军械士官学校 ， 湖北 武汉4 3 0 0 7 5 摘要 液压传动系统的可视性较差 ， 通常给故障诊断带来一定的困难． 提出的基于参数测量的故障诊断方法， 能 够通过对系统参数的定量检测和逻辑分析， 实现对液压系统故障的准确诊断， 具有系统故障诊断的科学性、 准确 性和快速性． 该项技术能大量减轻设备装拆工作 ， 降低对维修人员的技术水平要求， 较传统的故障诊断方法效率 显著提升 ， 具有实用推广价值． 关键词 液压系统故障； 故障诊断；参数测量 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 0 8 0 4 0 4 3 8 0 5 Par a me t r i c - me a s u r e me n t -- ba s e d f a u l t s di a gn o s t i c t e c h n i q u e f o r h y dr a u l i c p r e s s u r e s y s t ems GUO Hu a 。 pi n g ， 一 ，L INi n g ，Z HAO S h a h l i a n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g in e e r i n g ， X i ’ a n J i a o t o n gUn i v e r s i t y ， X i ’ m - 1 7 1 0 0 4 9 ， Ch i n a ； 2 ． Wu h a n Or d a n a c e N o n c o mmi s s i o n e d Ac a d e my ， Wu h a n 4 3 0 0 7 5 ， C h i na A b s t r a c t Th e i n e f f i c i e n t v i s u a l i z a t i o n d e l i v e r s s i g n i f i c a n t i mp a c t s o n t h e f a u l t d i a g n o s i s o f h y d r a u l i c p r e s s u r e a n d t r a n s mi s s i o n s y s t e ms ． I n t h i s s t u d y， a p a r a me t r i c me a s u r e me n t b a s e d f a u l t d i a g n o s i s me t h o d i s p r o p o s e d t h r o u g h q u a n t i t a t i v e t e s t i n g an d l o g i c a l a n a l y s i s o n s y s t e m p a r a me t e r s ． As s u c h ， t h e f a u l t d i a g n o s i s c a n b e c o m p l e t e d mo r e s c i e n t i f i c a l l y ，a c c u r a t e l y an d s p e e d i l y ． Th e r e f o r e ， t h i s me t h od P a n f a c i l i t a t e t h e e q u i p me n t d i s a s s e mb l y an d r e d u c e t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s f o r ma i n t e n a n c e s t a f f s ． C o mp are d wi t h t h e t r a d i t i o n a l f a u l t d i a g n o s i s me t h od s ， t h i s a p p r o a c h p o s s e s s e s h i g h e f f i c i e n c y a n d p r a c t i c a l i t y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m f a u l t ；f a u l t d i a g n o s i s ；p ara me t r i c me a s u r e me n t 液压传动系统由于其优 良的控制性能、 广泛的工艺适应性和较低廉的成本 ， 在工程机械、 军事装备、 医 疗设备等各个领域得到愈来愈广泛的应用 l J ． 随着科学技术的发展， 液压传动系统向着高性能、 高精度和 复杂的方向发展， 液压系统的可靠性成了一个十分突出的问题． 除了对液压系统进行可靠性设计之外， 液 压系统故障检测和诊断技术越来越受到重视 ， 成为液压技术发展的一个重要方向． 由于液压系统 中各元件 和工作液体都是在封闭油路内工作， 不像机械设备那样直观， 也不像电气设备那样可利用各种检测仪器方 便地测量各种参数 ， 在液压设备中， 仅靠有限几个压力表、 流量计等来指示系统某些部位的工作参数 ， 其他 参数难以测量 ， 而且一般故障根源有许多种可能， 这给液压 系统故障诊 断带来一 定困难 ． 在工作或军事训 练现场， 由于受技术条件的限制， 要求维修人员利用现有的信息和现场的技术条件， 准确、 简便和高效地诊 断出液压设备的故障 ， 并尽可能减少拆装工作量， 节省维修工时和费用 ， 用最简便 的技术手段 ， 在尽可能短 的时间内， 准确地找出故障部位和发生故障的原因并加以修理， 使系统恢复正常运行． 1 液压系统故障特征及诊断的一般原则 正确分析故障是排除故障的前提， 系统故障大部分并非突然发生， 发生前总有预兆， 当预兆发展到一 作者简介 郭化平 1 9 6 8一 ， 女 ， 博士生 ． E ma i l h u a p in g l 6 s in a ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 郭化平 ， 等 基于参数测量 的液压系统故障诊断技术 定程度即产生故障． 引起故障的原因是多种多样的， 并无固定规律可寻． 统计表明， 液压系统发生的故障约 9 0 ％是由于使用管理不善所致 ． 为了快速、 准确 、 方便地诊断故障， 必须充分认识液压故障的特征和规律 ， 这是故障诊断的基础． 1 判明液压系统 的工作条件和外围环境是否正常． 首先判明是设备机械部分或电器控制部分故障， 还是液压系统本身的故障； 同时查清液压系统的各种条件是否符合正常运行的要求 ． 2 区域判断． 根据故障现象和特征确定与该故障有关 的区域 ， 逐步缩小发生故障的范围， 检测此区 域内的元件情况 ， 分析发生原因， 最终进行故障定位 ． 3 掌握故障种类进行综合分析． 根据故障最终的现象， 逐步深人找出多种直接的或间接的可能原 因， 为避免盲 目性 ， 必须根据系统基本原理 ， 进行综合分析、 逻辑判断， 减少怀疑对象逐步逼近， 最终找出故 障部位． 4 故障诊断是建立在运行记录及某些系统参数基础之上的． 建立系统运行记录， 这是预防、 发现和 处理故障的科学依据； 建立设备运行故障分析表 ， 它是使用经验 的高度概括总结 ， 有助于对故障现象迅速 做出判断； 具备一定检测手段 ， 可对故障做出准确的定量分析． 5 验证可能故障原因时， 一般从最可能的故障原因或最易检验 的地方 开始 ， 这样可减少装拆工作 量 ， 提高诊断速度 ． 2 故障诊断方法 传统的诊断液压系统故障的方法是逻辑分析逐步逼近法． 其基本思路是综合分析 、 条件判断． 即维修 人员通过观察 、 听 、 触摸和简单的测试以及对液压系统的理解 ， 凭经验来判断故障发生的原因． 当液压系统 出现故障时， 故障根源有许多种可能． 采用逻辑代数方法， 将可能故障原因列表， 然后根据先易后难原则逐 一 进行逻辑判断， 逐项逼近 ， 最终找出故障原因和引起故障的具体条件． 此法在故 障诊断过程中要求维修 人员具有液压系统基础知识和较强的分析能力 ， 方可保证诊断的效率和准确性 ． 但诊断过程较繁琐 ， 须经 过大量的检查、 验证工作 ， 而且 只能是定性地分析 ， 诊 断的故障原因不够准确． 为减少系统故障检测 的盲 目 性和经验性以及拆装工作量， 传统的故障诊断方法已 远不能满足现代液压系统的要求． 近年来 ， 随着液压系统 向大型化、 连续生产、 自动 控制方向发展 ， 又出现 了多种现代智能故障诊断方法 ． 主要是以工作状况监视为特点 ， 对机械液压系统特征 信号进行检测、 分析处理 ； 利用特征信 号进行故 障诊 断 J ． 液压系统故障检’狈 4 与诊断系统原理图见图 1 ． 现代智能诊断法主要包括 2 ． 1 电脑诊断法 压力 温度 流量 速度 振动 噪声 蓁僵 图 1 液压 系统故障检测与诊断系统原理 Fi g． 1 Hy d r a ul i c s y s t e m f a ul t d e t e c t i o n a nd d i a g no s i s s y s t e ms p r i n c i pl e 利用相应传感器， 对液压系统的主要动态参数 如压力、 流量、 湿度、 元件的运动速度、 振动和噪声等 信号进行在线实时检测 包含滤波、 放大信号调理及 A／ D转换等过程 ． 它是整个故障检测与诊断系统的 重要环节， 要求实时准确地获得各参数的真实信号， 因此在传感器设计、 选择、 安装方面的正确性决定了故 障诊断系统的准确性和真实性． 2 ． 2 模糊一 参数诊断法 液压系统工作过程中， 系统及元件的动态信号多具有不确定性和模糊性 ， 许多故障征兆用模糊概念来 描述比较合理 ， 如振动强 弱 、 偏心严重、 压力偏高、 磨损严重等． 同一系统或元件 ， 在不同的工况和使用条 件下 ， 其动态参数也不尽相同， 因此对其评价只能在一定范围内作出合理估价 ， 即模糊分类 ． 模糊推理法采 用 I F TH E N形式 ， 符合人类思维方式． 同时， 模糊诊断法不需要建立系统的精确数学模型 ， 对非线性系统 尤为合适 ， 因此在液压系统故障诊断中得到了应用和发展 ． 2 ． 3 神经网络一 专家诊断法 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 6卷 人工神经元 网络是模仿人的大脑神经元结构特性而建立的一种线性动力学 网络 ， 它 由大量的简单非 线性单元互联而成 ； 参照各种液压系统及元件具有一定 的相似性 ， 利用在这一领域积累了大量的专家经验 和知识 ， 建立模拟思维 ； 具有大规模并行处理能力 、 适应性学习和处理复杂多模式的特点， 在液压系统故障 诊断中得到了较多的应用和发展 ， 具有广阔的发展前景． 3 基于参数测量的液压 系统故 障诊断系统 现代智能故障诊断方法给液压系统故障诊断带来广阔的前景 ， 也给液压系统故障诊断 自动化奠定 了 基础 ． 但这些方法大都需要 昂贵的检测设备和复杂的传感控制系统和计算机处理系统 ， 有些方法研究起来 有一定困难 ， 目前不适应于现场推广使用 ． 经多年研究与实践 ， 基于参数测量的故障诊断技术是一种简单、 实用的液压系统故障诊断方法 ， 值得推广 ． 液压系统工作是否正常 ， 关键取决于 2个主要工作参数即压力和流量是否处于正常的工作状态 ， 也要 考虑到系统温度和执行元件速度等参数的正常与否． 液压系统 的故障现象是各种各样的 ， 故障原因也是多 种因素的综合． 同一因素可能造成不同的故障现象， 而同一故障又可能对应着多种不同原因． 例如 油液的 污染可能造成液压系统压力 、 流量或方向等各方面的故障 ， 这给液压系统故障诊断带来极大困难 ． 任何液压系统工作正常时 ， 系统参数都工作在设计和设定值附近 ， 如果这些参数在工作中偏离了预定 值 ， 则系统就会出现故障或有可能出现故障． 即液压系统产生故 障的实质就是系统工作参数 的异常变化 ． 因此当液压系统发生故障时 ， 必然是系统中某个元件或某些元件有故障， 进一步可断定回路中某一点或某 几点的参数已偏离了预定值． 这说明如果液压 回路中某点的工作参数不正常， 则系统 已发生了故障或可能 发生了故 障， 需维修人员马上进行处理． 这样在参数测量的基础上 ， 再结合 逻辑分析法 ， 即可快速、 准确地 找出故障所在 ． 参数测量法不仅可以诊断系统故障 ， 而且还能预报可能发生 的故障， 并且这种预报和诊断 都是定量的， 大大提高了诊断的速度和准确性 ． 这种检测为直接测量 ， 检测速度快 ， 误差小 ， 检测设备简单， 便于在使用维修现场推广使用 ， 适合于任何液压系统 的检测 ． 测量时， 既不需停机 ， 又不损坏液压系统 ， 几 乎可以对系统 中任何部位进行检测 ， 不但可诊断已有故障， 而且可进行在线监测 、 预报潜在故障． 3 ． 1 参数测量法原理 只要测得液压系统回路中所需任意点处工作参数， 将其与系统工作的正常值相比较， 即可判断出系统 工作参数是否正常， 是否发生了故障以及故障的所在部位． 液压系统 的工作参数 ， 如压力 、 流量 、 温度等都是非电物理量 ， 用通用仪器采用间接测量法测量时， 首 先需利用物理效应将这些非 电量转换成电量 ， 然后经放大、 转换和显示等处理 ， 被测参数则可用转换后的 电信号代表并显示 ， 由此可判断液压系统是否有故障． 但 这种间接测量方法需各种传感器， 检测装置较复杂， 测量 结果误差大、 不直观 ， 不便于现场推广使用 ． 下面介绍一种实用的液压系统故障检测回路． 系统结 构原理如图 2 a 所示 ． 检测 回路通常和被检测系统并联连 接， 此连接需在被测点设置如图 2 a所示 的双球阀三通接 头， 它主要用于对系统进行不拆卸检测． 它对液压系统所 需点的各种参数进行直接 的快速检测 ， 不需任何传感器 ， 它可同时检测系统 中的压力、 流量和温度 3个参数 ， 而执 行元件的速度和转速则可通过测量 出 口流量的方法计算 得到． 例如 只要在泵出口及执行元件进、 出 口安装双球 阀 三通 ， 如图 3所示 ， 则通过测量 1 ， 2 ， 3三点的压力 、 流量及 温度值， 则可立刻诊断出故障所在的大致部位 泵源、 控制 传动部分或执行元件部分 ． 增加参数检测点 ， 则可缩小故 障发生区域 ． 检测原理如图 2 a 所示 ． 系统正常工作时， 阀门 1 开 双球 阀三通 出 路 a b 1 ， 2 ． 截止球阀 ； 3 ， 8 ． 软管 ； 4 ． 压力表 ； 5 ． 流量计 6 ． 温度计 ； 7 ． 溢流阀 ； 9 ． 过滤器 图 2 故 障诊 断检测 回路 Fi g． 2 Fau l t di ag no s i s de t e c t i o n c i r c u i t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 郭化平 ， 等 基于参数测量 的液压系统故障诊断技术 4 4 1 启 ， 2关闭， 检测 口罩上防尘罩 ， 以防污染 ． 检测时， 只要将 检测 回路与检测 口接通 ， 即旋紧接头螺纹并打开 阀门 2． 通过调节阀门 1和溢流 阀 7即可方便地测 出压力、 流量 、 温度 、 速度等参数 ． 但要求系统配管时 ， 将双球阀三通在需 检测系统参数的部位当作接管 如图 2 a连接 或弯管接头 如图 2 b 连接， 这样做既不会增加系统的复杂性 ， 也不会 对系统性能产生明显影响 来配置． 3 ． 2 参数测量方法 图 3 液压系统参数测量点 Fi g ． 3 Hy d r a u l i c s y s t e m pa r a m e t e r s me a s ur i n g p oi n t 第 1步 测压力 ． 如图 2 a 所示 ， 首先将检测回路的软管接头与双球阀三通螺纹接 口旋 紧接通． 打开球 阀2 ， 关死溢流阀 7 ， 切断 回油通道 ， 这时从压力表 4上可直接读 出所测点的压力值 为系统 的实际工作 压力 ． 第 2步 测流量和温度． 慢慢松开溢流阀 7手柄 ， 再关闭球阀 1 ． 重新调整溢流阀 7 ， 使压力表 4读数为 所测压力值， 此时流量计 5 读数即为所测点的实际流量值． 同时温度计 6 上可显示出油液温度值． 第 3 步 测转速 速度 ． 不论泵 、 马达或缸， 其转速或速度仅取决于 2个 因素 ， 即流量和它本身的几何 尺寸 排量或面积 ， 所以只要测 出马达或缸的输人流量 对泵为输出流量 ， 除以其排量或面积即得到转速 或速度值． 3 ． 3 参数测量方法实例 图4所示为某型装备液压传动及控制系统原理图． 此系统在调试中出现以下现象 泵能工作 ， 但供给 输弹油缸的泵压力上不去 压力调至 4 ． 0 MP a 左右， 再无法调高 ， 泵有轻微 的异常机械噪声 ， 水冷系统工 作 ， 油温、 油位均正常， 有回油． 从回路分析故障有以下可能原因 1 溢流阀故障可能原因 调整不正确 ， 弹簧屈服， 阻尼孔堵塞 ， 滑阀卡住 ． 2 换 向阀故障可能原因 复位弹簧折断， 控制压力不够 ， 滑阀卡住 ． 3 液压泵故障可能原因 泵转速过低 ， 泵体内侧异常磨损， 密封件损坏 ， 泵 吸入 口进入大量空气， 过 滤器严重堵塞． 故障诊断方法 应用基于参数测量的故障诊断系统 ． 只需在系统配管时， 在泵 的出 口 a 、 换 向阀前 b及缸的人 口 C C 三处 如图 4所示 设置双球阀三通， 则利用故障诊断检测回路 ， 在几秒钟内即可将系统故障限制在某区域 内并根据所测参数值诊断出故 障所在． 检测过程如下 ① 如 图 2所示 ， 将故 障诊断回路与检测 口a接通 ， 打开球阀 2 并旋松溢流阀 7 ， 再关死球阀 l ， 这时调节溢流阀 7即可从压力表 4上观察泵的工作压力变化 情况 ， 看其是否能超过 4 ． 0 MP a 并上升至所需高压值 ． 若不能则说明是泵本身故障 ， 若能说明不是泵故 障， 则应继续检测． ② 若泵无故障， 则利用故障诊断回路检测 b 处压力变化情况 见图4 ． 若 b 处工作压力 能超过4 ． 0 MP a 并上升至所需高压值， 则说明系统主溢流阀工作正常， 需继续检测． ③ 若溢流阀无故障， 则通过检测 c 处压力变化情况即可判断出是否换 向阀故障． 通过检测最终故障原因是叶片泵内漏严重所引起． 拆卸泵后方知 ， 泵体内侧由于滑润不良造成异常磨 损 ， 引起内漏增大， 使系统压力提不高， 进一步发现是由于水冷系统的水漏人油中造成油乳化而失去润滑 作用引起的． 4 结论 参数测量法是一种实用、 新型的液压系统故障诊断方法 ， 它与逻辑分析法相结合 ， 大大提高了故障诊 断的快速性和准确性． 首先这种测量是定量的， 这就避免了个人诊断的盲 目性和经验 ， 诊断结果符合实际． 其次故障诊断速度快， 经过几秒到几十秒即可测得系统的准确参数 ， 再经维修人员简单的分析判断即得到 诊断结果 ． 再者此法较传统故障诊断法降低系统装拆工作量一半以上． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 2 中国工程机械学报 第 6卷 图 4 某型装备液压 系统 Fi g． 4 Ce r t ai n t y pe o f e qui pme nt hy d r a ul i c s y s t n 这种检测回路将加载装置和简单的检测仪器结合在一起 ， 可做成便携式检测仪 ， 测量快速、 方便 、 准 确， 适于在现场推广使用． 它为检测、 预报和故障诊断自动化打下基础． 参考文献 [ 1 ] 杨尔庄． 2 1 世纪液压技术现状与发展趋势[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 1 3 3 4 ． YA NG Er z h u a n g ． P r e s e n t s it u a t i o n a n d d e v e l o p me n t t e n d e n c y o f h y d r a u l i c t e c h n o l o g y i n 2 1 c ant u r y [ J ] ． C h in e s e Hy d r a u l i c s P n e u ma t ic s ， 2 0 0 1 3 34 ． [ 2 ] 王长江， 宋金富， 赵晓东． 电子液压技术与工程智能化[ J ] ． 建设机械技术与管理， 2 0 0 4 1 1 5 4 5 7 ． wA NG C h a n g i i a n g ， S 0N G J i n f u ， Z HA O X i a o d o n g ． E l e c t r i c h y d r a u l i c t e c h n o lo g y a n d c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y i n t e l t i g e n t iz a t i o n [ J ] ． C o nst r u c ． t io nMa c h i n e ry T e c h n o l o g yMa n a g e me n t ， 2 0 0 4 1 1 5 45 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m