液压系统故障诊断技术研究现状和发展趋势.pdf

液 压 气 动 与 密 t ／2 ol 6年 第 0 8期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 8 ． 0 2 2 液压系统故障诊断技术研究现状和发展趋势 刘保杰 ， 杨清文， 吴 翔 陆军军官学院 ， 安徽 合肥2 3 0 0 0 0 摘要 该文阐述了发展液压系统故障诊断技术的必要性 ； 根据液压系统故障诊断的技术特点 ， 将其划分为三个发展阶段 ， 对每个阶 段的主要理论和方法进行了分析和总结 ； 最后 ， 提出了液压系统故障诊断技术的最新发展方向及需要进一步研究的问题。 关键词 液压系统； 故障诊断； 现状； 发展趋势 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 8 0 0 6 8 0 4 Cu r r e n t Re s e a r c h a n d De ve l o p me n t T r e n d of Fa u l t Di a g n os i s Te c h no l o g y f o r Hy d r a u l i c S y s t e m L I UB a o -j i e , Y A NG Q i n g - w e n , g z UX i a n g A r my Of fi c e r Ac a d e my o f P L A， He f e i 2 3 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r e x p o u n d s t h e n e c e s s a r y d e v e l o p me n t o f f a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o g y f o r h y d r a u l i c s y s t e m ． Ac c o r d i n g t o t h e t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s 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 ， t h a t c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e s t a g e s o f d e v e l o p me n t ， t h e o r i e s a n d a p p r o a c h e s o f f a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o g y i n e a c h s t a g e s a r e c o mp r e h e n s i v e a n a l y z e d a n d s u mme d u p． S u g g e s t i o n s a n d c o mm e n t s a r e g i v e n f o r f u r t h e r r e s e a r c h e f - f b r t s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m； f a i l u r e d i a g n o s i s ； c u r r e n t r e s e a r c h ； d e v e l o p me n t t r e n d O 引言 随着液压技术与微电子技术、 计算机控制技术、 传 感技术等新技术的紧密结合 ， 使得液压系统向着复杂 化 、 精密化和 自动化方 向发展 ， 而且用途越来 越广 ， 涉 及到冶金、 采矿、 航空航天等各个领域。因此， 开展液 压系统故障诊断方面的研究显得尤为重要。 1 液压系统故障诊断研究现状 依据液压系统故障诊断技术特点 ， 其可分为以下 三个发展阶段 。 1 ． 1原始诊断阶段 该阶段由于机器装备比较简单 ， 故障诊断主要依 靠专家或维修人员通过感官、 经验和简单仪表， 对故障 进行诊断并排除故障。常用的方法有感观诊断法、 逻 辑分析法、 图论法和仪器检测法。陆望龙⋯ 从工程实践 出发编写了 液压阀和液压控制系统 详细论述了主观 诊断法的诊断方式方法及每种方法的应用时机 ， 为液 压系统现场故障诊断和维修提供了指导。为快速诊断 现场故障， 黄志坚[2 提出了逻辑链分析法， 并以V K I 一2 型中空成型机为例具体说明了逻辑链分析法的应用。 嵇光国和罗建明 。 等应用鱼刺图、 方框图等分析方法 ， 收稿 日期 2 0 1 6 0 3 1 1 基金项 目 军内科研项目 w j 2 0 1 5 e j 0 2 0 0 0 1 作者简介 刘俣杰 1 9 8 5 一 ， 男， 安徽界首人， 博士， 主要从事机电液一体 化等方面研究。 6 8 对液压系统及主要液压元部件的故障机理及诊断方法 进行了研究l 。其中罗建明应用此方法分析铸造流水 线中“ 型砂压实机” 液压缸故障和磨床 r 作台爬行故 障。乔文刚 1 将参数测量法与逻辑分析法相结合 ， 提高 了系统 故障诊 断的快速性和准确性 ， 降低 了对维修人 员 的技术水平要求 。 该发展 阶段 的故 障诊 断方法具 有建模 简单 ， 分析 过程和结果易于理解等特点。但它过于依赖检修人员 的判断能力和实践经验， 只能对故障进行简单的定性 分析 ， 做 不到定量分析 。另外 ， 当系统 比较复杂 时 ， 这 类方法 的诊断过程会变得非常复杂 ， 费时和费力 ， 而且 诊断正确率不高 ， 不能满足现代液压系统 的要求 。 1 ． 2 基于传感器与计算机技术诊断阶段 该阶段 由于传感器技术和动态测试技术的发展 ， 使得对液压系统各种诊断信号 压力、 流量、 振动等 的 测量变得容易和快捷 ； 微机和信号处理技术的快速发 展， 使数据处理的效率大大提高， 从而出现了各种状态 监测和故障诊断方法。主要是时域分析法 、 频域分析 法 、 时频分析法 、 状态空 间分析法 、 动态过程分析法 、 参 数估计法等。其故障诊断过程如图1 所示。 AN L ， S E P E HR I N t 介绍了一种用改进 的卡尔曼滤 波器对液压执行机构故障进行状态估计的方法。该方 法用卡尔曼滤波器来估计液压执行机构可测参数的变 化量 ， 构造残差序列 ， 然后采用统计检验法 ． 对液压系 统进行故障诊断。文献[ 8 9 ] 对故障诊断的自功率谱 、 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 0 1 6 高阶谱、 倒谱包络分析法等进行了讨论 ， 并在轴向柱塞 泵松靴故障诊断中进行了应用 ， 取得了良好的诊断效 果。姜万录、 杜文正和杨铁林等n 分别利用小波变换 对液压泵出现故障时振动信号、 液压缸泄漏时工作腔 压力信号和柱塞泵出口压力信号进行了研究， 并通过 仿真和实验进行了验证 ， 发现小波分析是切实可行的 方法 。杜进波u 提出了小波包分解的频带分割方法 ， 用 以解决小波分析带来的 “ 高频低分辨” 问题 ， 对高频分 解进行优化 ， 使频带分解更加精细， 提高了故障诊断 效率 。 液压系统特征信号 信号滤波 平稳信号 状态空间分析法 参数估计法 时域分析法 频域分析法 时频域分析法 面 面 丽丽 K a l mn 滤波器 统计学分析 示翻 均值、方均根幅值 谱 弼嚼 故 障 诊 断 过 程 l I小 薮 化小 波 包 络 图1基于传感器与计算机技术阶段故障的诊断过程图 该阶段的诊断方法需要建立系统的数学模型或者 提取系统的特征参数 ， 而液压系统是一个非线性时变 系统 ， 具有强耦合、 滞后、 参数时变等非线性特征， 导致 液压系统故障特征参数提取困难， 数学模型极其复杂 甚至数学模型无法建立的情况， 很难得到较准确的在 线状态估计或参数估计。 1 ．3 智能化诊断阶段 这一阶段的特点是将人工智能的研究成果 专家 经验的总结、 模糊逻辑和人工神经网络等 应用到液压 系统故障诊断领域中， 它以常规信号处理和诊断技术 为基础， 以人工智能技术为核心， 构建智能化故障诊断 模型和系统。此时， 故障诊断过程 由以知识处理为核 心取代了以数据处理为核心。目前， 基于人工智能的 液压系统故障诊断法主要有基于模糊逻辑的诊断法 、 基于专家系统的诊断法和基于神经网络的诊断法以及 它们之间的融合等。 基于专家系统的诊断法。该方法是根据人们在长 期的实践中积累起来的大量故障诊断经验和知识设计 出的一套计算机程序 ， 其诊断结果直观、 形象， 易于理 解 ， 并且克服了模型诊断法对模型的依赖性。利用专 家系统对液压系统进行故障诊断的一般过程可以概括 为 首先， 根据液压系统的历史故障数据和故障机理， 建立相应知识库和规则库， 然后， 对液压系统的故障特 征信号或现场故障现象进行数据采集及处理 ， 存人数 据库 ， 通过推理机 ， 推理出液压系统故障原因及部位 ， 最后 ， 在人机界面进行显示。液压系统故障诊断专家 系统结构图如图2 所示， 文献[ 1 4 1 8 ] 对专家系统的知 识获取 、 推理方式及总体设计进行了研究 ， 并针对不 同 的液压系统开发了故障诊断专家系统， 在实际生产应 用中取得了良好效益。但是 ， 专家系统存在知识获取 比较困难； 当规则较多时 ， 推理中存在匹配冲突、 组合 爆炸等问题， 导致推理速度变慢、 效率低下。 图 2 液压 系统故 障诊断专家 系统结构 圈 基于神经网络的诊断法。该诊断法是利用神经网 络具有高度的自适应性 、 较强的自学习能力和容错性 以及分布式并行信息处理功能等 ， 较好地解决了专家 系统中出现的无穷递归、 组合爆炸及匹配冲突等问题， 并使计算速度大大提高。五种常用于故障诊断的神经 网络模型如图3 所示。利用神经网络对液压执行机构、 液压能源系统和液压系统整体结构故障进行诊断的研 究成果在文献[ 1 9 2 2 ] 中有所体现。但是 ， 神经网络故 障诊断存在学习算法收敛速度慢， 训练样本获取困难， 不能解释推理过程和推理结果等问题。 图3常用于故障诊断的五种神经网络模型 专家系统和神经网络各有其优缺点， 目前， 两者的 结合大致有两种 基于神经网络的专家系统、 神经网络 6 9 液 压 气 动 与 密 封 ／2 O 1 6年 第 08期 与专家系统的局部结合[2 3- 25 。为克服传统专家系统在 知识获取中的“ 瓶颈” 问题， 牟宏伟将神经网络集成作 为专家系统的一个内嵌模块， 用于专家系统的知识获 取。刘 中兴设计一种基 于神经网络 的专家系统用于挖 掘机 回转装置液压马达的故障诊断 ， 该 系统采用神经 网络来构造专家系统 ， 解决 了传统专家 系统 的 自学 习 问题 。 2 液压故障诊断技术发展趋势 结合 目前人工智能、 智能计算、 信息处理、 计算机 等相关技术领域的发展， 液压故障诊断技术发展趋势 主要体现在 以下几个方面 o 】 。 2 ． 1 基于云计算的网络化实时故障诊 断技术 网络化故障诊断技术是通过I n t e r n e t 、 公司专用网 络或者无线通信网络将液压系统工作状态送到远程监 控平台， 实现数据采集、 数据分析、 远程监测、 故障诊断 和技术支持等服务。由于受数据传输量的限制 ， 网络 化故 障诊断技术 只能对小数据故 障进行实时诊断 ， 这 必然会影响诊断的精度。将云计算技术与网络化故障 诊断技术相结合 ， 可以对多个特征信号进行实时采集、 传输、 融合和诊断， 实现故障的精确定位 ， 状态的实时 检测。这将是未来液压系统故障诊断技术的主流。 2 ． 2 多种智能故障诊 断方法的结合 每种智能故障诊断方法都有其优点和局限性 ， 将 不同的智能故障诊断方法有效结合 ， 进一步提高诊断 系统 的综合性 能 ， 是智 能诊 断技术 发展 的必然趋 势 。 结合方式可以是两种智能故障诊断方法的结合 如神 经网络与专家系统的结合、 神经网络与模糊方法的结 合 ， 专家系统与模糊方法的结合 也可以两种方法结合 后的复合 ， 通过中间权值选择最佳的结合方法 ， 进而进 行故障诊断。不能仅仅局限于上述结合方式 ， 还可以 将灰色理论、 混沌理论、 模拟进化、 人工免疫、 集群智能 等方法引人故障诊断。这也是今后研究的热点之一。 2 ． 3 全面融合式智能故障诊 断方法 目 前 ， 应用到液压系统中的混合式故障诊断方法 、 其能力虽然 比单个 系统有 了很 大改进 ， 但它 的能力也 只是两个系统的简单和， 远没有达到专家思维“ 互相融 合” 与灵活应用的程度； 而且， 现有的混合模型只能在 某些事先设计好的组合关系下进行多领域知识模型的 静态集成， 体现不出动态融合 ， 也不能适应系统环境和 故障特征的动态变化。要设计更高智能的系统， 就要 使系统能够利用“ 全信息” 包括语法信息、 语义信息和 语用信息 。如何针对不同故障诊断方法的特点 ， 基于 不 同知识 表示形 式 ， 研究能够更好人类智 能的全 面融 7 0 合式智能故障诊断方法 ， 是今后研究工作中需要重点 解决的问题 。 3 结束语 液压系统是机、 电、 液一体化的耦合系统，其故障具 有随机性 、 隐蔽性和复杂性等特点 ， 在液压系统故障诊 断中， 尽管国内外专家取得了许多研究成果， 但实际应 用仍存在很多问题。将相关学科和领域的新技术、 新 理论不断引入并与现有的故障诊断技术相融合， 必将 促进液压系统故障诊断技术的进一步发展。 参考文献 [ 1 】 陆望龙． 实用液压机械故障排除与修理大全[ M] ． 长沙 湖南 科学技术出版社 ， 1 9 9 5 2 9 3 1 ． [ 2 】 黄志坚． 电一 液系统故障的逻辑链分析法 f J 1 ． 机床与液压 ， 1 9 9 4 ， 2 1 1 6 1 1 7 ． [ 3 】 嵇光 国． 液压系统故障诊断与排除[ M】 ． 北京 海洋 出版社 ， 1 99 4 1 5 7-1 60． [ 4 】 罗建明． 液压系统故障产生原因分析方法l J 1． 中国设备管理， 2 0 0 1 ， 3 3 4 3 5 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d r a u l i c S y s t e ms[ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C o m p u t e r A p p l i c a t i o n T e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ， 8 2 l 1 6 1 2 0 ． 【 1 5 】C h r A n g e l i ． A n O n l i n e E x p e S y s t e m for F a u l t D i a g n o s i s i n Hy d r a u l i c S y s t e ms 『 J ] ． E x p e S y s t e ms ， 2 0 0 1 ， l 6 2 1 1 5 1 2 0 ． [ 1 6 1王芙蓉． 机床液压系统故障诊断专家系统的研究与开发【 J 1 ． 山东理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 1 9 6 3 8 4 0 ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 01 6 d o i l O ．3 9 6 9 4 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 8 ．0 2 3 一 种双 向溢流 阀工作原理解析及试验特性研究 吴 军 ， 柯爱国 ， 蒋 拓 1 ． 广西柳工机械股份有限公司， 广西 柳州 5 4 5 0 0 6 ； 2 ．柳州柳工液压件有限公司， 广西 柳州 5 4 5 0 0 7 摘要 该文介绍了一种直动型双向溢流阀的结构工作原理， 计算分析了其受力平衡方程， 对影响该阀正反向的启闭特性因素进行了 分析， 通过性能试验 ， 结果表明 双向溢流阀的正反 向开启压力很难做到相近， 正反 向的启闭特性曲线滞环大， 对阀芯制造精度要求 高 ， 不易保证 ， 制造难度大。 关键词 螺纹插装式； 直动型； 双向溢流阀； 工作原理 ； 试验分析 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 8 0 0 7 1 0 4 An a l y s i s o f W o r k i n g P r i n c i p l e a n d E x p e r i me n t a l Ch a r a c t e r i s t i c s o n Cr o s s o v e r Re l i e f V a l v e WU J u n KE Ai - g u o J I ANG T u o 1 ． Gu a n g x i L i u Go n g Ma c h i n e r y C o ． L t d ． ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 6 ， C h i n a ； 2 ． L i u z h o u L i u Go n g Hy d r a u l i c C o mp o n e n t s C o ． L t d ． ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a d i r e c t a c t i n g t y p e c r o s s o v e r r e l i e f v a l v e ’ S s t r u c t u r e ， wo r k i n g p rin c i p l e ， c a l c u l a t e d a n d a na l y z e d i t s f o r c e b a l a n c e e q u a t i o n s ， o n t h e i mp a c t o f the v a l v e i s the r e v e r s e o p e n i n g and c l o s i n g c h a r a c t e r i s t i c s f a c t o r s we r e a n a l y z e d ， t h r o u g h the p e r f o r - ma r l c e t e s t ， the r e s u l t s s h o w t h a t r e v e r s e c r o s s o v e r r e l i e f v a l v e o p e n i n g p r e s s u r e i s h a r d t o b e s i mi l ar, i s the r e v e r s e o n an d o ff c h ara c t e r i s t i c s c u r v e h y s t e r e s i s l arg e ， o n the s p o o l manu f a c t u r i n g p r e c i s i o n d e m d ing ， n o t e a s y t o g u aran t e e ， the d i ff i c ult y i n ma n u f a c t u r i n g ． Ke y wo r d s t h r e a d e d c a r t r i d g e ； d i r e c t a c t i n g ； c r o s s o v e r r e l i e f v a l v e ； wo r kin g p r i n c i p l e ； t e s t an a l y s i s O 引言 双向溢流阀为螺纹插装式溢流阀的一种， 一般为 直动型结构， 当任一油口的压力超过标称设定值时， 油 收稿 日期 2 0 1 6 0 5 3 1 基金项目 广西壮族 自 治区科技攻关计划项目 桂科攻 1 3 4 8 0 1 2 8 作者简介 吴军 1 9 8 3 一 ， 男 ， 安徽宿州人 ， 工程师， 硕士， 主要从事液压 元件 开发及系统应用 。 液将输送到相反的油 口， 任一油口的背压将 1 1 叠加在 相反油口的标称设定值上 ， 此种阀也称为双向交叉溢 流阀 英文为 c r o s s o v e r r e l i e f v a l v e B - 3 ] 。双 向溢流 阀可 实现两个普通溢流阀的功能， 因设计巧妙， 该阀结构紧 凑 ， 多用于当负载导致压力激变时对油缸或马达的保 护口 一 。 本文通过分析计算该阀受力平衡方程和等效作用 面积， 通过产品性能试验 ， 研究分析双向溢流阀的相关 【 1 7 】杨宇． 组合机床液压系统故障诊断专家系统研究[ D 】 ． 武汉 武汉理工大学 ， 2 o o 8 ． 【 1 8 ]王学林， 贺耀文 ， 凌玲． 基于E S P 平台的液压系统故障诊断 专家系统的实现[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 ， 9 2 0 7 - 2 0 9 ． [ 1 9 ]S B a i l 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