液壓系統的準確可靠故障診斷

現代工程機械液壓系統向著高性能、高精度和復雜的方向發展，液壓系統的可靠性成了一個十分突出的問題，除對液壓系統進行可靠性設計外，液壓系統故障檢測和診斷技術越來越受到重視，成為液壓技術發展的一個重要方向。由于液壓系統工作元件及工作介質的封閉性，給系統的狀態監測及不解體在線故障診斷帶來困難。目前，主要還停留在人工巡回檢測和定期檢修的水平上。近年來，由于計算機技術、檢測技術、信息技術和智能技術的發展，大大地促進了液壓系統故障檢測與診斷技術的發展。

1、 基于液壓裝置信息檢測的故障檢測與診斷技術
     主要是以工況監視為特點，對設備特征信號進行檢測、分析處理，利用特征信號進行故障診斷。典型的（1） 動態信號的在線檢測利用各種傳感器對液壓系統的主要動態參數（如壓力、流量、溫度、元件的運動速度、振動和噪聲等）信號進行在線實時檢測（包含濾波、放大等信號調理及A/D轉換過程），包括對單個液壓件（通常是系統中的重要元件）參數和整個系統特征參數的檢測。它是整個故障檢測與診斷系統的重要環節，要求實時、準確地獲得各參數的真實信號，因此在傳感器設計、選擇、安裝上要做大量的工作。從某種意義上講，傳感器的技術水平很大程度地決定了故障診斷系統的準確性和真實性。
（2） 工作狀態的識別與故障診斷
    主要包括信號特征分析、工作狀態識別和故障診斷等過程。對現場實測信號進行信號分析和數據處理（如頻域分析、時域分析、小波分析等），以提取表達工況狀態的特征量，在此基礎上進行工作狀態的識別和故障診斷。由于實際液壓系統元件常常具有嚴重的非線性特征，如液壓閥的飽和、滯環、死區、表現出流量—壓力的嚴重非線性等，給經典故障診斷方法帶來了困難，而基于模糊診斷法、神經網絡診斷法和專家系統診斷法等現代智能診斷法給此類系統的故障診斷帶來了方便。A) 模糊診斷法： 液壓系統工作過程中，系統及元件的動態信號多具有不確定性和模糊性，許多故障征兆用模糊概念來描述比較合理，如振動強（弱）、偏心嚴重、壓力偏高、磨損嚴重等。同一系統或元件，在不同的工況和使用條件下，其動態參數也不盡相同，因此對其評價只能在一定范圍內作出合理估價，即模糊分類。模糊推理方法采用IF-THEN形式，符合人類思維方式。同時模糊診斷法不需要建立系統的精確數學模型，對非線性系統尤為合適，因此在液壓系統故障診斷中得到了應用和發展。
B) 神經網絡診斷法 人工神經元網絡是模仿人的大腦神經元結構特性而建立的一種非線性動力學網絡，它由大量的簡單非線性單元互聯而成，具有大規模并行能力、適應性學習和處理復雜多模式的特點，在液壓系統故障診斷中得到了較多 的應用和發展。
C) 專家系統診斷法 由于各種液壓系統及元件具有一定的相似性，所以各液壓系統及元件的故障具有一定的共同特點，如各種伺服閥的結構、故障特點都具有一定的共同點。在這一領域積累了大量的專家知識，對發展液壓系統故障診斷的專家系統創造了條件，具有廣闊的發展前景。
D) 其它診斷方法 隨著現代智能技術的發展，各種復合的智能診斷法將不斷涌現，如模糊—專家系統診斷法、神經網絡—專家系統診斷法等，將使單一液壓系統故障診斷方法的能力得到大大改善。如基于神經網絡的專家系統在知識獲取、并行處理、適應性學習、聯想推理和容錯能力等方面具有明顯的優勢，而這些方面恰好是傳統專家系統的主要弱點。這些復合智能診斷系統具有診斷速度快、容錯能力強和精度高的特點，將是今后長時間的發展方向之一。

2、基于油液污染檢測的故障診斷技術
統計表明，液壓系統75%以上的故障起源于其工作介質——液壓油液的污染，液壓工作油液中攜帶著有關液壓系統故障的大量而又豐富的信息，因此，對油液的監測分析是預測和診斷液壓系統故障的重要手段多一。液壓油污染主要表現在兩個方面：油液的顆粒污染；油液理化性質（如粘度、酸堿值和氧化程度等）的劣化。這就產生了基于油液顆粒污染度檢測的故障診斷方法和基于油液理化性質分析的故障診斷方法。
(1） 基于油液顆粒污染度檢測的故障診斷法
它是目前基于油液分析故障診斷技術方面的一個主要方法，其過程是：根據經驗或專家知識，建立基于油液顆粒污染度與液壓系統及其元件狀態參數間的關系庫，運用專家推理機制，預測和判定系統的故障，此項技術的關鍵在于油液顆粒污染度的準確檢測。針對油液污染度，國際上制定了專門的油液顆粒污染度標準，如美國汽車工程師學會的SAE749D污染度等級標準、美國航天學會提出的NAS1638污染度等級標準及ISO4406污染度國際標準等。油液顆粒污染度檢測方法的發展經歷了實驗室取樣分析檢測——便攜式檢測儀檢測——在線檢測儀檢測的過程。實驗室取樣分析技術主要有：稱重法，只能測定油液的污染物重量，無法測定顆粒大小和尺寸分布和濃度。鐵譜分析法，主要是針對鐵磁性磨粒污染物，如中國礦業大學研制的直讀式鐵譜儀、旋轉式鐵譜儀等，得到了較廣范的應用。這些方法的特點是耗時長、誤差大、不能進行現場在線測定，有的需要昂貴
的精密儀器。便攜式檢測儀檢測技術：目前，主要是一些基于顆粒的遮光性能、光散射原理、透光原理等制成的顆粒計數分析儀器，可以在工程現場對油液進行在線和離線取樣、檢測，檢測速度快、精度高，適合工程現場測試。這種測試儀器在歐美一些國家發展快快，如美國太平洋科學儀器公司的HIAC/ROYCO系列產品，英國MALVERN公司的士600EC型激光分析儀，可對油液進行在線和瓶子取樣分析，多通道計數，定量測出油液中污染顆粒的尺寸及分布情況，計數精度高，并設有與PC機進行通訊的RS232接口，便于油樣的微機輔助分析及故障診斷。但這些儀器價格比較昂貴，不便于推廣應用。在線快速檢測技術：由于油液中顆粒分布符合對數正態分布規律，因此利用光、電、超聲波等在顆粒污染度不同的油液中的傳導性能的差異，可以進行在線識別、分析油液中的顆粒污染度。如在油箱或油管里相隔一段距離設置超聲波的發射與接收傳感器，當通過兩探頭間的油液中雜質發生變化時，則超聲波從發射端到接收端的傳播時間與強度也隨多發生變化，通過微機數據處理，可測定油液的污染狀況；利用微機實時監測液壓系統濾油器兩端的壓差及其變化，通過信號分析可得到系統油液的污染狀況等。這些油液污染度在線檢測方法原理簡單，代表了未來實用油液快速污染檢測儀的發展方向。但這種基于信
號傳導的油液分析技術，由于傳導信號的強弱及相差與油液的溫度、流態、水分及空氣含量等多因素有關，需要較多的預處理過程，目前還處在實驗研究階段。
（2）基于油液理化性能參數檢測的故障診斷法
由于液壓元件各相對運動部分的材料不同，液壓油中金屬、非金屬元素的含量及其變化反映了液壓系統中磨損及密封狀態；液壓油的粘度、酸堿值等理化指標的改變也是系統狀態發生變化的征兆之一。因此根據經驗或專家知識，建立基于液壓油中理化性能變化與液壓系統及其元件狀態參數間的關系庫，運用專家推理機制，預測和判定系統的故障。如鉛、銅、鉻等含量的急劇增加，這意味著含有相同元素的元件發生了劇烈磨損；硅含量的劇增，意味著外界灰分的大量侵人；粘度的變小，意味著水分侵人、系統溫度過高等等。此項技術的關鍵是對污染油液的化學成分及性能的準確測定，對油液中化學成分進行分析，目前多采用光譜分析法，如原子發射光譜法、原子人射光譜法等。 這種油液性質分析方法，需要對油液的有關參數及金屬含量進行細致的分析，監測周期長，不適合液壓系統故障的在線檢測，在重要液壓系統的準確可靠故障診斷方面有較大的發展前景。