芻議液壓系統(tǒng)故障診斷中模糊理論的運(yùn)用

摘 要：液壓系統(tǒng)是一種具有傳動功能的綜合系統(tǒng)，由多個不同功能的子系統(tǒng)構(gòu)成，而在每個子系統(tǒng)中又包含多個不同的元件單元，因此，如果液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則必須要根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效的判斷，這邊使得很多人無法參與到故障診斷的過程中。同時，在針對液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷時，液壓系統(tǒng)自身所都具有的系統(tǒng)密閉傳統(tǒng)的特點(diǎn)而導(dǎo)致很多故障問題存在一定的模糊性，在根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷時容易造成誤診斷，這對于液壓系統(tǒng)的故障診斷工作產(chǎn)生了一定的影響，為此，針對液壓系統(tǒng)模糊判斷的理論研究也逐漸的深入，并且取得了一定的成果。該文就主要針對液壓系統(tǒng)故障診斷中模糊理論的應(yīng)用進(jìn)行簡單的分析。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng) 系統(tǒng)故障診斷 模糊理論 專家診斷

中圖分類號：TP27文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

液壓系統(tǒng)以其本身所具有的較高的安全性和可控制性獲得了廣泛的運(yùn)用，同時其能夠通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，因此在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)以及其他領(lǐng)域中都受到了眾多的關(guān)注。但是由于液壓系統(tǒng)自身的特殊構(gòu)造，一旦某個子系統(tǒng)工程出現(xiàn)故障，則會導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)無法工作，甚至?xí)w的機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，液壓系統(tǒng)的可靠性對整個系統(tǒng)都有著十分重要的影響。而其中最為常見的則是由于固體顆粒污染物而引起的液壓系統(tǒng)故障，其占據(jù)了總故障率的60%～70%，因此對液壓系統(tǒng)故障的檢測問題也受到了更多的重視。模糊理論是一種用來描述和處理廣泛存在的不確定的、模糊的事件所使用的理論工具，對不確定和不準(zhǔn)確事件的處理是其最大的特點(diǎn)，同時由于其與人的自然推理過程十分相近，使用無法使用精確模型進(jìn)行討論的系統(tǒng)，因此而成為了對復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷中常用的一種方法和工具，而且受到了廣泛的重視。在液壓系統(tǒng)故障診斷工作中，元件的磨損是導(dǎo)致油液固體顆粒污染的一個主要因素，而且油液的污染會逐漸加速元件的磨損，這是一種惡性循環(huán)的復(fù)雜模糊關(guān)系，使用傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗(yàn)診斷無法獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，而在這種情況下，應(yīng)用模糊理論對其進(jìn)行診斷則具有更為顯著的效果。

1 模糊理論故障診斷方法

在針對設(shè)備故障診斷和監(jiān)測過程中遇到各種模糊的信息時，通常可以借助模糊理論中的隸屬函數(shù)來對其進(jìn)行描述和處理，這個過程便稱之為模糊故障診斷方法。模糊診斷方法利用的是模糊理論中的隸屬函數(shù)對故障與現(xiàn)象之間的關(guān)系進(jìn)行描述，進(jìn)而通過這種關(guān)系描述來進(jìn)行故障診斷，以此來達(dá)到對故障的預(yù)防和消除。因此，在模糊理論的應(yīng)用過程中，一個十分重要的問題就是對隸屬函數(shù)關(guān)系進(jìn)行確定，這樣才能夠?yàn)楣收媳O(jiān)測和診斷提供科學(xué)的基礎(chǔ)，同時要根據(jù)隸屬最大原則來確定隸屬模式，并且最終獲得對故障的判斷。

（1）隸屬函數(shù)的定義。在模糊理論中，可以將其中的0和1作為兩個基本的邏輯值，然后將其進(jìn)行推廣，在[0，1]區(qū)間中的任何連續(xù)的邏輯都可以稱之為一個隸屬函數(shù)，這個邏輯區(qū)間便是利用模糊集合來進(jìn)行表示。在實(shí)際的運(yùn)算過程中，通過對隸屬函數(shù)的科學(xué)描述，便可以對模糊現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的表達(dá)，這樣就形成了較為可靠的模糊現(xiàn)象，據(jù)此來實(shí)現(xiàn)對故障的判斷。

（2）隸屬函數(shù)的確定。對于隸屬函數(shù)表達(dá)的關(guān)系是否合理以及科學(xué)，對于研究對象的判斷結(jié)果都有著十分重要的影響。模糊理論運(yùn)用的過程中，必須要對模糊集合的隸屬函數(shù)進(jìn)行確定，這樣才能夠根據(jù)其描述性來判斷故障所在。工程所具有的模糊性一般可以利用隸屬函數(shù)，將其性質(zhì)進(jìn)行量化計(jì)算和表達(dá)之后，才能夠應(yīng)用在工程實(shí)際的計(jì)算過程中。當(dāng)前，對隸屬函數(shù)的確定方法一般有模糊統(tǒng)計(jì)法、專家打分法等幾種。

（3）最大隸屬原則。在對隸屬函數(shù)進(jìn)行確定以后，便可以運(yùn)用到實(shí)際的故障診斷工作，而在這個過程中，需要根據(jù)已知的診斷參數(shù)和信息來確定隸屬度，這時就需要根據(jù)最大隸屬原則來確定，并且以此來判斷可能發(fā)生的故障。

2 模糊理論在液壓系統(tǒng)故障診斷中的運(yùn)用

2.1 液壓系統(tǒng)模糊評價方法

液壓系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)自稱，而其中的每個組成部分都存在發(fā)生故障的可能，而且通常一個故障都可能是兩種或者是兩種以上的因素引起的，比如元件發(fā)生磨損、執(zhí)行能力降低等等，都可能會造成液壓缸內(nèi)出現(xiàn)大面積的泄漏，因此導(dǎo)致液壓零件磨損，整個液壓系統(tǒng)的運(yùn)行能力降低。液壓系統(tǒng)元件磨損與油液污染之間是一種因果關(guān)系，在此把油液污染度等級看成故障征兆，把元件磨損看作引發(fā)油液污染的故障原因。一般故障因素包括壓力、流量、噪音、振動、使用年限等，因此可以根據(jù)這些影響因素建立起一個影響因素集，用U表示。在因素集U中，壓力因素U1可能是由于故障系統(tǒng)本身產(chǎn)生的問題引起的，比如轉(zhuǎn)向發(fā)生錯誤、泵磨損或者是泵內(nèi)產(chǎn)生泄漏等，如果將不同的原因用不同的因素集來表示，便可以形成不同的因素集。對于故障流量來說，一般是由于油泵轉(zhuǎn)速過小或者是電機(jī)功率過小而引起的，也可能是由于變量機(jī)構(gòu)產(chǎn)生故障所產(chǎn)生的。因此，根據(jù)不同的故障集便可以判斷不同的故障點(diǎn)的位置，以此來完成對故障檢測的過程。因此在運(yùn)用綜合理論進(jìn)行故障的診斷和排除時，應(yīng)當(dāng)對其產(chǎn)生故障的元件和部位形成一個評判集，其中一般應(yīng)當(dāng)包括液壓泵、調(diào)壓閥、流量閥等等幾個基本的原則。而對于不同復(fù)雜程度的系統(tǒng)，在故障集的選取和元素方面有著一定的區(qū)別。

2.2 液壓系統(tǒng)故障診斷模型

模糊理論的定量化是通過“隸屬度”來刻畫的。因此，利用模糊理論去解決實(shí)際問題的關(guān)鍵往往是“如何找出一個恰當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)”。通常，可以先建立粗略的隸屬函數(shù)，然后通過“學(xué)習(xí)”和不斷的經(jīng)驗(yàn)積累，逐步修正和調(diào)整權(quán)值，使隸屬函數(shù)趨于完善，符合客觀事實(shí)。

（1）污染度故障集合與對應(yīng)的故障征兆集合。根據(jù)液壓系統(tǒng)中油液污染度故障以及相應(yīng)的故障征兆之間的模糊關(guān)系，可以構(gòu)建一個關(guān)系集合，如下：

故障征兆集合：X={xi│i=1，2，…，n} （1）

故障集合：Y={yi│j=1，2，…，m} （2）

該式中m代表的是故障的數(shù)量，也就是不同的故障類別，這里的X可以按照故障發(fā)生時的征兆和故障不發(fā)生時的征兆進(jìn)行分別取值，因此便可以根據(jù)不同的故障種類來確定不同的故障集。通?？梢愿鶕?jù)典型的故障來確定相應(yīng)的理論域。

（2）構(gòu)造隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)的構(gòu)造一般可以通過求距離的方法來確定，根據(jù)不同的識別對象和典型的故障之間的關(guān)系，利用下面的表達(dá)式：

在該式中，xi可以作為y0的特性衡量指標(biāo)，這樣便能夠?qū)Σ煌淖R別對象進(jìn)行明確的判斷，進(jìn)而根據(jù)不同的指標(biāo)來確定隸屬函數(shù)。

2.3 評價試驗(yàn)研究

如果某企業(yè)中的液壓系統(tǒng)在工作時可以達(dá)到50 MPa的壓力，該系統(tǒng)的運(yùn)行時間不足一年，便只能夠達(dá)到12 MPa，雖然經(jīng)過維修能夠使運(yùn)行壓力獲得一定的提升，但這時的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度卻受到了很大的影響，急劇下降，最后造成了停運(yùn)的現(xiàn)象。針對這種現(xiàn)象，利用模糊理論對其進(jìn)行檢測與故障，可以通過以下幾個方面的工作。

第一，確定因素集。針對該液壓系統(tǒng)，其故障的表現(xiàn)主要為系統(tǒng)壓力不足，而導(dǎo)致壓力不足的因素有很多，如可能是由于轉(zhuǎn)向錯誤、泵內(nèi)外磨損或者是泄露而導(dǎo)致的壓力無法提升，也可能是由于在壓力控制閥內(nèi)產(chǎn)生了一定的污染物或者是其中的彈簧破壞而引起的，對于上述各種可能的因素進(jìn)行因素集的確定。另外，在流量方面產(chǎn)生的影響可能是由于油液污染或者是長時間運(yùn)行而造成的流量不足，所以也需要對該因素集進(jìn)行分別構(gòu)建，建立起符合系統(tǒng)模型運(yùn)轉(zhuǎn)的二級評價模型。

第二，確定評判集。根據(jù)故障的表現(xiàn)來確定評判集，將可能會引起故障的液壓元件以及相關(guān)的油路作為評價愛因素，并且將這些因素綜合作為評判集中的內(nèi)容，以此來判斷引起故障的因素。

第三，分析和故障處理。根據(jù)故障因素，利用因素關(guān)系樹如圖1。

采用加權(quán)平均數(shù)的合成運(yùn)算，即：

根據(jù)該式對不同的液壓元件以及系統(tǒng)油路的故障進(jìn)行綜合評價，以此來對故障產(chǎn)生的因素進(jìn)行判斷。根據(jù)該判斷過程中產(chǎn)生的不同因素的排列分析，可以將不同的故障點(diǎn)按照不同的壓力進(jìn)行排列，這樣便能夠獲得不同的邏輯模型判斷出引起壓力故障的主要誘因。根據(jù)該評價模型中的結(jié)果，可以確定液壓系統(tǒng)中的增壓缸是其最大的故障點(diǎn)，因此可以對其進(jìn)行必要的調(diào)整，使其與實(shí)際的電機(jī)功率相符合，能夠避免壓力值在超過一定的標(biāo)準(zhǔn)而引起停機(jī)。

3 結(jié)語

當(dāng)前，隨著液壓系統(tǒng)的運(yùn)用日漸廣泛，在其故障診斷中運(yùn)用模糊理論有著十分重要的意義，其不僅能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)故障中出現(xiàn)的不確定事件進(jìn)行推理和描述，而且其與人類的自然推理過程有著十分相似的過程，所以其在液壓系統(tǒng)故障診斷過程中發(fā)揮了十分重要的作用。對液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷綜合評價的關(guān)鍵是合理建立評價數(shù)學(xué)模型，因此對大型復(fù)雜液壓設(shè)備故障評價具有較好的應(yīng)用價值。同時，液壓系統(tǒng)故障的污染雖然能夠通過模糊理論對其故障原因進(jìn)行診斷，但是在具體的故障部位診斷方面，仍然需要借助專業(yè)的診斷方法，才能夠準(zhǔn)確的判斷故障部位并且采取有效的措施進(jìn)行預(yù)防和治理，以此保證液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證整個系統(tǒng)的健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

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