農(nóng)業(yè)機械設(shè)備液壓元件故障診斷系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

曹智軍

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州 450046)

0 引言

農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的高效平穩(wěn)運行離不開各部件的協(xié)調(diào)配合。隨著計算機診斷技術(shù)的發(fā)展,自動診斷技術(shù)不斷被應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的檢測與優(yōu)化。其中,多功能自動收獲機具備行走、作業(yè)、回轉(zhuǎn)、返程等功能于一體的液壓系統(tǒng)且各液壓元件組成較多,通過各元件的交互運行可實現(xiàn)液壓自動化。為更進一步提升該設(shè)備的液壓元件故障診斷時效性與準確性,需對發(fā)生異常的元件進行及時處理分析,筆者在研究故障機理及液壓元件運行原理的基礎(chǔ)上,針對該液壓元件故障診斷系統(tǒng)進行設(shè)計。圖1為多功能收獲機的液壓系統(tǒng)單個動作調(diào)節(jié)原理簡圖。由圖1可知：在液壓源的動力下通過控制閥、比例閥等組成液壓裝置;在給定工作壓力條件的STC控制器下組成控制裝置,兩者共同作用構(gòu)成多功能收獲機的液壓系統(tǒng)。

1 液壓元件故障機理

農(nóng)業(yè)機械的液壓元件故障機理建立在液壓結(jié)構(gòu)組成的前提條件下,合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與液壓元件安裝可以保證設(shè)備的整體良好運行。進行液壓元件故障分析時,首先確保識別的正確性,通過正確的傳感裝置進行故障信息采集,經(jīng)信號處理與故障特征提取后,進行模式識別與故障分類,從而進行針對性分析與處理。多功能收獲機的液壓元件的系統(tǒng)故障診斷主要包含控制元件、動力元件和執(zhí)行元件3大類,故障簡要分析流程如圖2所示。本文根據(jù)各液壓元件的功能與結(jié)構(gòu),在總結(jié)故障經(jīng)驗與理論后進行故障討論預(yù)測。

圖1 多功能收獲機液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of adjustment principle of the hydraulic system on the multi-function harvester

2 故障診斷系統(tǒng)搭建

2.1 故障診斷機理及算法

故障診斷系統(tǒng)搭建后,首先進行液壓系統(tǒng)的故障因素分析, 經(jīng)梳理,形成如表1所示的液壓故障診斷主要因素關(guān)系,將表1中1～7項因素組成因素集X,同時針對液壓系統(tǒng)的元件可能發(fā)生故障的位置形成對應(yīng)項目集Y,主要包含供油子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、執(zhí)行子系統(tǒng)、反饋子系統(tǒng)等,組合成為故障判定矩陣關(guān)系,便于故障的精準定位識別。

表1 液壓故障診斷主要因素關(guān)系Table 1 Major factor relationship of the hydraulic fault diagnosis

為建立較為符合實際需求的故障診斷算法與理論模型,對故障現(xiàn)象、故障原因及故障處理進行內(nèi)部ID分配與字段結(jié)構(gòu)設(shè)計,如表2所示。其中,單一故障源可直接進行診斷處理,深層次且復(fù)雜的故障源需要進行逐級診斷,確定診斷位置。

表2 液壓元件故障診斷字段結(jié)構(gòu)設(shè)計及知識獲取Table 2 Fault diagnosis field structure design and knowledge acquisition of hydraulic components

結(jié)合BP核心算法,在給定輸入向量和輸出目標的條件下進行各子層的參數(shù)輸出,通過計算實際與目標差值,計算局部梯度,修正輸出層、隱含層的權(quán)值進行樣本核實與訓(xùn)練,得出故障診斷的理論模型為

2.2 硬件平臺建立

針對上述液壓系統(tǒng)故障診斷機理及算法,進行故障診斷系統(tǒng)的硬件平臺搭建,具體的多功能收獲機液壓元件故障診斷的硬件設(shè)計參數(shù)如表3所示。對壓力、溫度、位移傳感器參數(shù)進行合理承選定,在PentiumⅡ/233Hz的處理下進行系統(tǒng)設(shè)計。

表3 多功能收獲機液壓元件故障診斷硬件設(shè)計參數(shù)Table 3 Hardware design parameters for fault diagnosis of hydraulic components of multi-function harvester

綜合考慮各故障原因,針對液壓缸不移動,具體故障形成多功能收獲機液壓缸故障推理的過程簡圖,如圖3所示。液壓缸不移動可能存在兩大原因：閥芯不能返回中心位置或者閥芯本體不動作。確定原因后從彈簧、新舊比例換向閥的后序執(zhí)行元件進行深入分析,將各種潛在因素進行分析可知：液壓系統(tǒng)的油液污染、電磁鐵反應(yīng)不靈敏、液壓卡緊力不符合要求及間隙過小等都會導(dǎo)致閥芯不動作。

圖3 液壓缸故障推理過程圖Fig.3 Fault reasoning process diagram of the hydraulic cylinder

2.3 軟件系統(tǒng)控制

液壓元件故障的識別與診斷在多種具有內(nèi)在關(guān)系和影響的規(guī)則下進行,依據(jù)各項規(guī)則,形成如圖4所示的多功能收獲機液壓系統(tǒng)元件故障規(guī)則判定流程圖;然后,將事先錄入系統(tǒng)的故障規(guī)則與出現(xiàn)的新故障進行匹配度比較,完成故障診斷的事實性推理。

圖4 液壓元件故障規(guī)則判定流程圖Fig.4 Flow chart of the fault rule judgment of hydraulic components

通過定義各液壓元件發(fā)生故障的確定性因子,針對故障ID、故障對象、故障屬性及故障的權(quán)值等核心參數(shù)根據(jù)故障診斷機理與BP核心算法相結(jié)合,考慮不確定性因子的必然存在性,進行后臺軟件程序編制。此處給出核心控制片段：

(defmodule CF_PROGRESS(export ?ALL))

(deftemplate CF_PROGRESS：：attribute

(slot ID)

(multislot name)

(multislot value)

…

(defrule MAIN：：comb-cf””

(declare (salience 9999)

(auto-focus RTUE)

?va1 <- (attribute (ID ?id) (name ?rel) (value ?val)

(CF ?cf1))

?va2 <- (attribute (ID ?id) (name ?rel) (value ?val)

(CF ?cf2))

(test (neq ? va1 ?va2))

=>

(retract ? va1)

(modify ?va2 (cf (/(-(*(+ ?cf1 ?cf2)) (* ?cf1 ?cf2))))))

…

3 故障診斷試驗

3.1 條件設(shè)置

進行故障診斷模擬試驗,將試驗故障劃分為A、B、C3個等級,分別代表輕微、中等、嚴重故障,展開試驗,以液壓系統(tǒng)的壓力和流量為故障判定基準,選取以下指標進行采樣,即

式中xi—采樣點;

Xaver—均方根值;

N—試驗次數(shù);

Cf—峰值評定指標;

Kf—峭度評定指標;

If—脈沖評定指標;

Sf—波形評定指標;

Xf—均方根評定指標。

同時,列舉出用于多功能收獲機液壓元件故障識別的編碼代號,主要列舉閥芯卡死、油路堵塞和磁鐵失效等故障狀態(tài),便于后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,如表4所示。

表4 多功能收獲機液壓元件故障編碼列舉Table 4 Fault code list of hydraulic components of the multi-function harvester

3.2 過程分析

根據(jù)圖5所示的多功能收獲機液壓元件故障系統(tǒng)監(jiān)測原理,將故障檢測傳感器接收到的信息進行A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換,通過自動控制裝置形成故障報警與數(shù)據(jù)顯示,通過特定地網(wǎng)絡(luò)接口傳送到PHP液壓故障識別系統(tǒng),進一步故障推理、數(shù)據(jù)庫與知識庫策略及后臺管理到達人機交互見面,實現(xiàn)可視化的用戶管理液壓元件故障診斷系統(tǒng)。

圖5 液壓元件故障系統(tǒng)監(jiān)測原理圖Fig.5 Monitoring schematic diagram of the fault system of hydraulic components

經(jīng)整合處理,得到如圖6所示的故障診斷系統(tǒng)界面。在此界面,可根據(jù)液壓系統(tǒng)的不同元件故障進行模擬識別與故障后續(xù)處理。其中,指令界面與故障結(jié)果顯示界面互相對應(yīng),具有人性化的操作界面和功能識別提示,且經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)庫處理,便于該故障診斷系統(tǒng)的操作和維護,整體美觀簡潔,達到一定的設(shè)計效果,可為及時預(yù)知多功能收獲機的液壓元件故障提供參考。

(a) 指令界面

4 結(jié)論

1) 從農(nóng)業(yè)機械設(shè)備液壓系統(tǒng)的運行機理出發(fā),結(jié)合液壓元件的工作組件相互協(xié)調(diào)性,得出多功能收獲機液壓元件故障診斷的理論模型和核心算法,對故障診斷進行系統(tǒng)設(shè)計。

2) 精準的后臺控制程序編制與經(jīng)驗常用的液壓元件故障分類與編碼是進行模擬設(shè)計的關(guān)鍵一步,因而具備進行了故障診斷系統(tǒng)模擬試驗。

3) 試驗表明：周密的液壓元件故障診斷監(jiān)測原理有效控制下,實現(xiàn)了多功能收獲機液壓元件的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計,通過輸入指定液壓元件,得到故障原因與解決處理方案,在提高農(nóng)機設(shè)備的故障檢測水平方面具有一定參考價值。