基于運動波理論吸油管路故障診斷

李云鵬，闞哲，王曉蕾，汪毅

（1遼寧石油化工大學礦業工程學院，遼寧撫順113001；2遼寧石油化工大學計算機與通信學院，遼寧撫順113001；3.中船重工遠舟（北京）科技有限公司北京100861）

基于運動波理論吸油管路故障診斷

李云鵬1，闞哲1，王曉蕾2，汪毅3

（1遼寧石油化工大學礦業工程學院，遼寧撫順113001；2遼寧石油化工大學計算機與通信學院，遼寧撫順113001；3.中船重工遠舟（北京）科技有限公司北京100861）

液壓系統廣泛存在于煤礦生產機械中，如礦用破碎錘液壓系統就是其正常工作的基本保障。針對液壓系統吸油管路故障問題，提出用一種改進后的互相關原理結合靜電傳感器診斷礦用液壓設備故障。通過監測油路速度，進而對液壓設備管路進行監測，對礦用液壓設備吸油管路故障進行故障診斷和預判。在模擬實驗裝置上進行了實驗驗證，其油路速度的重復性誤差小于±1%，保證了故障診斷的準確性。利用運動波理論對互相關速度測量精度進行矯正，本測量系統具有較快的響應速度，可以通過監測礦用設備液壓油管中油速度變化對其運行狀態快速準確地診斷。

靜電傳感器；液壓管路；互相關；運動波；油路速度；故障診斷

液壓設備中一些的工作參數難以測量，而且一般故障根源有許多種可能，這給液壓系統故障診斷帶來一定困難。如采煤機、破碎錘和掘進機都有液壓系統，一旦由液壓系統故障而使此類機器停工將導致整個采煤工作中斷，產生巨大經濟損失。

液壓系統故障診斷的一般原則，正確分析故障是排除故障的前提，系統故障大部分并非突然發生，發生前總有預兆，當預兆發展到一定程度即產生故障。文中采用環狀靜電傳感器［1-4］結合互相關原理［5-7］針對液壓系統管路異常速度信號進行監測及故障診斷。在分析相關速度影響因素的前提下，運用運動波理論來更精確測量液壓系統油路速度，與故障速度進行比對即可診斷礦用液壓系統故障。通過監測液壓管路油速來診斷液壓系統故障，通過實驗裝置驗證基于靜電傳感器互相關法診斷液壓油路故障是可行的。

1　環狀靜電傳感器及系統設計

1.1靜電傳感器

靜電傳感器如圖1所示，其中，1為環狀靜電傳感器電極，2為金屬屏蔽罩，3為PVC絕緣管，4為電極上靜電信號引出線，5為金屬屏蔽管與PVC絕緣管的固定螺栓（共8個）。這種靜電傳感器安裝方便，加工簡單。

1.2靜電傳感器系統設計

靜電傳感器利用油與其它物質（管壁）摩擦而產生靜電，使金屬電極上產生電荷。金屬電極的電勢等于管路中油（在電極附近）所帶電荷在金屬電極上產生的電勢。由于油的流動，導致電場波動，即產生了交變信號。

圖1　靜電傳感器

靜電傳感器系統由電極感應出油管中的靜電信號，進入預處理電路，后經低通濾波電路濾波濾除2 k以上的信號，在經過放大電路放大到可以采集的范圍，最后經調整電路將靜電電壓信號調整為直流量，由LPC2468單片機采集得到靜電信號后進行存儲、計算，并上傳到PC機中，計算結果即可以在下微機顯示，也可以在上微機顯示。靜電傳感器系統構成框圖如圖2所示。

圖2　靜電傳感器系統框圖

2　互相關法診斷液壓管路故障原理

2.1基于運動波理論的油速測量

利用互相關原理測量得到的速度具有一定的波動性，這樣再僅僅利用互相關速度診斷就會存在一定的誤判斷。針對互相關速度波動的問題，在此采用運動波理論來進行解決，進一步提高互相關速度的測量精度。運動波理論從流體動量方程出發，結合漂移模型來建立基于運動波的互相關速度測量模型。具體如下所示：

對于兩相流體流場的內部特性，運用二流體模型，模型建立的依據是基于斯托克斯方程，其中動量方程為：

其中，uk為相速度向量；pk為相壓力標量；I為單位張量；T為剪應力張量；gk為重力加速度向量。

將二流體模型的動量方程變形，即可以得到漂移模型的動量方程：

漂移速度指流體的相速度與流體平均速度的差值

其中，VD為流體的漂移速度；Vα為流體的相速度；Vk為流體的平均速度。

對于油含氣的兩相流，對于流體局部漂移速度有

其中，y0為局部參考位置。此表達式即為油含氣的兩相流漂移模型，天津大學油水兩相流課題組已經進行了詳細論述。

油含氣的兩相流漂移模型分別考慮了分相濃度和分相速度分布又概括了流體參數的滑脫現象。在前面實驗過程中發些互相關速度存在一定的波動性，通過分析流體模型，可以得到產生互相關速度波動的原因是由流體分相速度和分相濃度分布的波動性引起的。

利用質量守恒方程或連續性方程來表述油含氣流體的流動特性：

綜上，利用流體流動過程中存在運動波的這一特性，利用建立的運動波速度修正模型，對互相關速度進行校正，最后再利用互相關原理測量得到的油速進行液壓系統故障診斷。

2.2液壓管路故障診斷原理

礦用液壓系統常見異?，F象有壓力損失、流量損失等，而壓力損失和流量損失都可以導致管路中的油速發生變化，結合靜電傳感器和互相關原理（利用運動波理論進測量模型），當被測油管速度區別于正常工作速度時，即診斷此液壓系統吸油管路工作異常，報警。

3　實驗與討論

實驗裝置如圖3所示，由漏斗、油路、環狀靜電傳感器［8］（兩組）、濾波放大電路、單片機采集處理電路、人機接口（鍵盤顯示模塊）和PC機等部分組成。

圖3　實驗系統框圖

圖4　不同速度下互相關測量結果

利用自建實驗裝置，模擬油含氣穴和油中混有金屬小顆粒兩種故障，利用互相關原理測量得到油速進行液壓系統故障診斷。氣泡的產生是用針管將其注入到油管中，金屬顆粒是按一定比例混在預先制好的油中。

為進一步提高互相關速度測量精度，采用運動波速度測量模型：

其中，Vk為運動波測量速度，C流型分布函數，εs為截面氣相含量。校正后，速度測量精度有所改善，代入公式（10）計算得到吸油管路速度測量誤差為±0.5%，圖5給出了互相關速度和采用運動波后的診斷正確率圖。

圖5　液壓系統診斷結果對比

通過實驗發現當液壓系統管路油中含有氣泡（氣穴）或金屬顆粒時，互相關測量得到的速度與油中沒有混雜物時的油速相比，速度確實發生了變化，通過速度的測量可以判斷氣泡或金屬顆粒出現的時刻。觀察圖5，可以得到利用運動波的速度診斷原理的診斷正確率高于互相關速度，其原因是任何相似的信號均有一定的相似度。因此，運用運動波測量模型可更好地完成液壓系統故障診斷過程。

實驗裝置采集系統的采樣頻率為4 k，計算一次互相關時間小于1s，所以本互相關測速系統具有很好的響應特性，當油速發生變化時，靜電監測系統就會檢測到，進而診斷出液壓系統故障。

4　結論

針對液壓系統吸油管路故障，采用互相關原理結合靜電傳感器診斷礦用破碎錘液壓系統故障，運用運動波理論對互相關速度進行校正。由互相關原理檢測油管中油速，可以對液壓設備管路進行快速監測，并對液壓設備吸油管路進行故障檢測及報告。結合自建實驗裝置進行實驗驗證，經實驗驗證得到被測油速的重復性誤差小于±1%，這保證了對液壓系統吸油管路故障診斷的可靠性和準確性。通過實驗驗證，系統有較快的響應特性，可以通過監測［9］液壓油速度對其運行狀態快速準確地診斷。經運動波理論校正后吸油管路速度測量誤差為±0.5%。

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［9］陳紅，楊玉霞.面向濕地水環境監測的無線傳感器網絡拓撲控制［J］.西安工業大學學報，2016（2）：161.166.

The fault diagnosis of oil pipeline based on the kinematic wave theory

LI Yun-peng1，KAN Zhe1，WANG Xiao-lei2，WANG Yi3
（1.School of Mining Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；2.School of Computer and Communication Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；3.The Chinese Heavy Industry Far Boat Beijing Science and Technology CO.，Beijing 100861，China）

Hydraulic system is widely used in the production of coal mine machinery，such as that mine crushing hammer hydraulic system is the basic guarantee of its normal work.To the oil pipeline failure problems of hydraulic system，a new method was first proposed in conjunction with the relevant principles of mutual electrostatic sensor fault diagnosis of hydraulic equipment.By monitoring the speed of the oil，and then monitoring the pipe for hydraulic equipment，hydraulic equipment troubleshooting and pre-judgment.Completing the experimental verification with the simulation experiment device，repeatability error rate is less than its oil line±1%，and this ensures the accuracy of fault diagnosis.The measurement system has a faster response，you can monitor the hydraulic tubing Petroleum speed changes rapidly and accurately diagnose its operation.

electrostatic sensor；hydraulic lines；cross-correlation；kinematic wave；oil pipeline velocity；fault diagnosis

TN98

A

1674－6236（2016）17-0116-03

2015-09-18稿件編號：201509129

遼寧省科技廳面上項目（201602468）；大學生創新創業訓練項目（201510148032；201510148071）

李云鵬（1992—），男，河北巨鹿人。研究方向：測控電路設計。