液壓機(jī)故障智能診斷專家系統(tǒng)研究

王建軍，郝素蘭

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

0 引言

設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)是在大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，編制計(jì)算機(jī)程序，模仿人類專家對設(shè)備的實(shí)際故障來分析處理。專家系統(tǒng)需要搜集該領(lǐng)域大量專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，可以通過計(jì)算機(jī)程序?qū)ο到y(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行采集和分析，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的故障預(yù)測以及推理出故障原因，得出相關(guān)的解決方案[1]。

液壓傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)和優(yōu)良的控制性能，單位質(zhì)量輸出功率大，所以在起重運(yùn)輸機(jī)械、建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、冶金機(jī)械、航空工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。在采用液壓傳動(dòng)的成套設(shè)備中，與其他各系統(tǒng)相比，液壓系統(tǒng)的故障率較高。液壓系統(tǒng)構(gòu)成相對復(fù)雜，并存在動(dòng)傳遞封閉、參數(shù)可測性差、故障機(jī)理多樣等問題，所以液壓系統(tǒng)的可靠性成為十分突出的問題。液壓系統(tǒng)一旦發(fā)生故障,不僅導(dǎo)致設(shè)備受損, 帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且可能危及人身安全。所以在設(shè)計(jì)階段要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。液壓油在管道內(nèi)部的流動(dòng)情況外界很難監(jiān)測，所以液壓系統(tǒng)故障智能診斷技術(shù)成為液壓技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向[3]。

液壓設(shè)備是由機(jī)械、液壓、電氣等裝置組合而成的，因此出現(xiàn)的故障也是多種因素的綜合，形式多種多樣。多種原因可能造成同一故障現(xiàn)象，所以對于故障的準(zhǔn)確診斷需要一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。例如：液壓缸的不動(dòng)，有可能是電路故障，也許是液壓泵故障，或者換向閥閥芯卡死，也可能是缸內(nèi)密封圈失效造成內(nèi)泄露嚴(yán)重，因此準(zhǔn)確判斷故障原因具有一定的挑戰(zhàn)性[4]。

液壓傳動(dòng)中最重要的兩個(gè)參數(shù)為壓力和流量，液壓傳動(dòng)的速度取決于流量，壓力取決于負(fù)載，液壓系統(tǒng)的正常工作關(guān)鍵取決于這兩個(gè)參數(shù)是否正常。當(dāng)液壓設(shè)備正常工作時(shí)，回路中的壓力、流量等參數(shù)應(yīng)該在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，當(dāng)參數(shù)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)即出現(xiàn)故障，所以故障的實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)參數(shù)的異常[5]。當(dāng)設(shè)備液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，必定是液壓系統(tǒng)中某元件出現(xiàn)故障，并能斷定此元件前后的參數(shù)肯定異常。如果能監(jiān)測液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)，維修人員可以通過參數(shù)的變化和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)快速進(jìn)行故障診斷和排除。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，往往不能立即找出故障發(fā)生的部位和根源，為了避免盲目性，人們必須根據(jù)液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行邏輯分析或采用因果分析等方法逐一排除，即利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行故障診斷。

液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，非專家人員可以使用專家系統(tǒng)進(jìn)行故障詢問，專家系統(tǒng)根據(jù)知識(shí)庫中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對比分析和推理，得出可能的故障原因，進(jìn)而給出維修建議[6-7]。

圖1 總體設(shè)計(jì)思路

后臺(tái)的數(shù)據(jù)采集主要是利用物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感技術(shù)，根據(jù)無線傳感網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀況，只要測得液壓系統(tǒng)回路中任意點(diǎn)處的工作參數(shù)，專家系統(tǒng)將其與系統(tǒng)工作的正常值相比較，工作人員即可判斷出系統(tǒng)工作參數(shù)是否正常，是否發(fā)生了故障以及故障的所在部位，并能夠快速診斷分析出故障原因，并在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)和實(shí)現(xiàn)智能化的診斷設(shè)備液壓系統(tǒng)故障技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 專家診斷系統(tǒng)總體方案

2 故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)采集系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)發(fā)生故障，則系統(tǒng)參數(shù)肯定會(huì)出現(xiàn)異常，所以可以根據(jù)液壓系統(tǒng)工作的實(shí)際參數(shù)推斷故障原因。首先要對液壓機(jī)的系統(tǒng)圖和執(zhí)行元件的動(dòng)作循環(huán)足夠了解，要求工作人員對液壓知識(shí)具有一定基礎(chǔ)并能看懂液壓系統(tǒng)圖中元件的名稱、功能、原理、結(jié)構(gòu)，能夠分析動(dòng)作循環(huán)和了解系統(tǒng)正常工作的相關(guān)參數(shù)。所以，系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確采集是故障診斷和排除的最有利助手[8]。

以常見四柱式液壓機(jī)為研究對象，首先分析液壓機(jī)系統(tǒng)，確定系統(tǒng)重要參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)，主要包括壓力、流量和溫度等參數(shù)，根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)置關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。液壓機(jī)液壓系統(tǒng)如圖3所示，設(shè)置了8處參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)，充液油箱下方設(shè)置流量傳感器，其他7個(gè)采集點(diǎn)主要是采集壓力和流量[9]。采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和傳輸，采集的終端數(shù)據(jù)可以在顯示器上顯示，遠(yuǎn)程監(jiān)控液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖3 某四柱式液壓機(jī)液壓系統(tǒng)

2.2 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障診斷專家系統(tǒng)由專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫和故障推理系統(tǒng)兩大部分組成，專家知識(shí)庫是來自于維修人員和專家對于常見液壓故障診斷的直接或間接經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，故障推理系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)和故障現(xiàn)象進(jìn)行推理，得出引起故障的原因，并能對于各種原因按照可能性大小進(jìn)行排序，并列出排除方法，為液壓系統(tǒng)的故障診斷提供方便[10]。

設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，專家系統(tǒng)故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性與專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫的經(jīng)驗(yàn)可靠度直接相關(guān)，所以專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫需要真實(shí)可靠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖4 液壓故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 故障診斷示例

設(shè)計(jì)系統(tǒng)診斷界面如圖5所示。當(dāng)圖3中的液壓機(jī)系統(tǒng)兩液壓缸為停止?fàn)顟B(tài)時(shí)液壓泵卸荷，6處壓力應(yīng)該是2.5 MPa，流量約為400 L/min，即液壓泵要在一定壓力下卸荷，從而保證控制油路有壓力。如果控制油無壓力，液動(dòng)換向閥不能換向，則說明順序閥7或者泵站溢流閥2和3出現(xiàn)故障，如果流量相差較大則說明泵內(nèi)泄漏嚴(yán)重。

圖5 故障診斷專家界面

3 結(jié) 論

采用參數(shù)測量和專家系統(tǒng)相結(jié)合的故障診斷方法，能夠?qū)收犀F(xiàn)象和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行邏輯分析, 即使是無經(jīng)驗(yàn)的工作人員，也能實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)故障的診斷, 具有準(zhǔn)確性和快速性，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將促進(jìn)液壓設(shè)備故障診斷技術(shù)向智能化方向發(fā)展。

(1)通過傳感技術(shù)將實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)，可以提前進(jìn)行故障預(yù)測與維護(hù)。

(2)依靠專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以判斷元件發(fā)生故障前后其進(jìn)出油口的參數(shù)變化，從而快速判斷故障原因。

(3)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫中的內(nèi)容還可進(jìn)行修改和增刪。系統(tǒng)可以隨時(shí)改進(jìn)，可以不斷地優(yōu)化和修改診斷推理系統(tǒng)，提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。