機械設備液壓系統故障特性和故障診斷應用技術研究

摘要：在簡述機械設備液壓系統故障分類和故障特性的基礎上，詳細闡述了主觀診斷法、模型診斷法、智能診斷法等故障診斷應用技術，還敘述了液壓系統故障診斷應用技術的發展趨勢，可供從事機械設備液壓系統故障診斷和維修的技術和修理人員參考。

關鍵詞：機械設備；液壓系統；故障診斷；應用技術；分析研究

0" "前言

伴隨著我國制造業的飛速發展，機械設備的自動化、智能化水平不斷提高，企業的生產效率和經濟效益也隨之提升。機械設備液壓系統是實現其自動化、智能化的組成部分，如果液壓系統出現故障，機械設備的生產效率和產品質量都會受到影響。

液壓系統故障診斷應用技術是保障機械設備液壓系統正常使用的重要手段，可以針對液壓系統的故障現象，采取適宜的診斷技術，診斷出液壓系統的故障部位，為故障的修復提供先決條件，促使機械設備盡快恢復施工生產活動。

1" "機械設備的液壓系統特點

具有液壓系統的機械設備，其液壓系統是其執行機構、傳動裝置的動力源。通過機械設備的控制系統或自動化系統，操縱其液壓系統實現工作裝置的各種動作、完成機械設備的各種作業。機械設備的液壓系統具有體積小、質量輕、功率大、工作平穩、可實現大范圍內的無級調速等獨特的優點，得到日趨廣泛的應用。

2" "液壓系統故障分類

2.1" " 功能故障

機械設備液壓系統的功能故障主要表現在2個方面：

一是液壓系統偏離正常運行功能。發生這種故障的原因，主要是因為液壓系統或其元件的工作條件不正常引發的。可以通過參數調節、元件修復等方法，恢復液壓系統的正常功能。

二是液壓系統功能失效。具體表現是液壓系統偏離了正常功能，其偏離程度不斷加深，液壓系統的基本功能難以保障，在實際施工生產活動中被認定為出現了故障。

2.2" " 磨損故障

機械設備液壓系統在工作中會出現磨損，磨損后的液壓系統的零部件會發生故障。該類故障主要表現在2個方面：

一是累積磨損故障。液壓系統經過較長時間使用，其偶件、元件、部件不斷磨損，累積的磨損量不斷加大、密封件等原件不斷老化，由此產生泄漏、卡頓等故障。

二是突發損壞故障。突發損壞故障的情況，主要與機械設備質量和相關操作因素有關。在機械設備使用過程中，由于操作、使用不當，造成液壓系統部件、元件、零件突然損壞。

機械設備液壓系統的上述故障，與機械設備其他故障相比，均具有其特殊性，這就給液壓系統的故障診斷和故障修復工作帶來了比較特殊的難題。

3" "液壓系統故障特性

3.1" " 故障的復雜性

根據機械設備液壓系統發生故障的實際情況和故障維修經驗，發現液壓系統故障通常并不單一發生，而是若干個故障同時發生，這就造成液壓系統的故障診斷變得比較復雜，導致故障處理、故障修復也比較復雜。如果對液壓系統故障處理不當，還會影響一線生產技術人員和維修人員的人身安全。

3.2" " 故障的隱蔽性

機械設備液壓系統由許多精密、復雜的元件組成，因此發生故障以后往往不能通過直接觀察進行判斷，發生的故障具有隱蔽性。即便是具有較高水平的技術人員、或者具有豐富維修經驗的維修人員，往往也不能通過直接觀察判斷出故障部位。因此與機械設備的其他故障相比，其故障的隱蔽性更強。

3.3" " 故障原因的多樣性

機械設備的液壓系統在工作過程中，存在著眾多的影響因素。一種故障的出現，往往是由多種原因引起的，而且故障原因也不是獨立存在的，而是互相交織在一起互相影響的。故障原因的多樣性，給故障診斷帶來了一定的難度。

3.4" " 故障的偶然性和必然性

機械設備液壓系統在實際運行過程中，某些故障的發生具有必然性，也有一些故障的發生具有明顯的偶然性。液壓系統中必然發生的故障存在著一定的客觀規律。利用這一客觀規律，可有效預防故障的發生。但同時也需要認識到，探明和利用這一客觀規律其實并不容易。

3.5" " 故障的可變性

各種液壓元件是機械設備液壓系統的重要組成部分，同時各種液壓元件之間又是互相作用、互相影響的。因此液壓系統中發生的故障，具有較強的可變性。液壓系統的維修經驗表明，出現一個故障后，往往又會出現另一個故障。

從以上液壓系統故障特性分析來看，可知機械設備液壓系統的故障現象較多，故障特性紛繁復雜。機械設備液壓系統具有的這些故障特性，嚴重影響了液壓系統的故障診斷，不利于液壓系統高效、穩定運行。

4" "故障診斷應用技術

對機械設備液壓系統進行的數據調查和資料統計表明：在其液壓系統故障中，80%以上的故障是因為液壓油污染引起的。在液壓系統故障分析和診斷中，廣泛應用了鐵譜分析技術對液壓系統進行工況監測和磨損特性分析，取得了較好的效果。在對液壓系統故障分析和診斷的過程中，在排除了與故障無關的區域和因素之后，即可將故障目標縮小到系統中的某個單元或者某個元件。液壓系統故障診斷應用技術如下所述。

4.1" " 主觀診斷法

機械設備液壓系統中出現的某種故障，可能分析出較多的故障原因。但是通過診斷，一般只確定出1個主要原因。而在故障處理、修復的過程中，故障的這一主要原因則是關鍵因素。因此，在進行液壓系統故障分析和診斷的過程中，可以主要依據技術、維修人員的實際經驗，配以簡單的診斷儀器，采用主觀診斷法對故障部位和原因（尤其是主要原因）進行判定。

但是采用主觀診斷法對故障部位和原因進行判定，對于技術、維修人員綜合素質的要求比較高，需要其掌握豐富、多元的液壓系統故障機理知識和故障診斷經驗，尤其要熟知液壓系統的結構和功能、掌握液壓系統的維修技能。主觀診斷法流程示意圖，如圖1所示。

在學者陸望龍的《液壓閥和液壓控制系統》文中，作者對故障主觀診斷法進行了詳細的論述，為液壓系統故障診斷的技術和維修人員提供了重要參考。

雖然主觀診斷法具有方便、快捷和實用性較強的優點，但是也存在一些缺點。該方法的主要缺點就是在應用的過程中，只能對液壓系統中的故障進行簡單的定性分析，而不能進行定量分析，存在較強的局限性。因此，主觀診斷法經常在液壓故障診斷的初始階段予以應用。

例如液壓油中存在較多雜質是一個常見故障。液壓系統的許多控制閥設有阻尼孔、閥芯，一旦液壓油中存在污漬或雜物，就會進入控制閥的阻尼孔、閥芯，造成其阻尼孔堵塞、閥芯與閥體之間產生非正常摩擦并產生劃痕。阻尼孔堵塞會導致控制閥工作異常，閥芯和閥體的非正常摩擦產生的劃痕會導致控制閥液壓油滲漏、功能下降。

應用主觀診斷法，可以憑借維修經驗對液壓油是否可用進行直觀、便捷的診斷，以便決定液壓油是否可以繼續使用。主觀診斷法是液壓系統故障判斷在初始階段的重要方法，因此得到長期應用。

4.2" " 模型診斷法

基于模型的故障診斷法（模型診斷法），就是運用數學語言描述系統中某些可測量的特征量。這些特征量在幅值、相位、頻率等方面與故障存在著一定的聯系，通過應用模型診斷法測量、分析和處理這些特征量，進而判斷故障源頭（即故障原因）。

應用模型診斷法診斷機械設備液壓系統故障，其主要目標在于了解液壓系統當前的運行狀況，判斷被監測液壓元件的狀態變化趨勢，診斷被監測液壓系統故障的發生部位和故障的嚴重程度，實現對液壓系統故障的早知道、早預報、早診斷，把故障消滅在萌芽之中。

目前機械設備液壓系統的模型診斷法已經得到了應用，實現了液壓系統診斷過程的狀態重構。在應用模型診斷法的基礎上，采用統計檢驗法將液壓系統故障部位從狀態重構中檢驗出來，再進行分離、估計和決策，由此建立液壓系統故障與過程參數的精確關系。然后只需關注參數變化、統計特性來實現故障的檢測，這樣可以大幅度提升故障檢測和診斷的效率。

模型診斷法對于實際操作者來說，并未在知識理論、實踐技能水平等方面多加限制，只需進行簡單操作就可以進行故障的分析和診斷。自動變速器故障診斷模型如圖2所示。

將模型診斷法應用于機械設備液壓系統的故障診斷，已經取得了很好的社會效益和經濟效益。但是這種故障診斷方法同樣存在著一定的限制和制約。這是因為液壓系統是一個復雜系統，其故障具有明顯的滯后性。因此在應用模型診斷法診斷故障的過程中，難以得到比較準確的在線狀態估計或參數估計，需要繼續進行改進和完善。

4.3" " 智能診斷法

目前我國和國外許多國家都進入自動化和智能化時代，許多領域實現了智能化發展。將人工智能技術融入機械設備液壓系統故障診斷之中，就形成了智能診斷法。與主觀診斷法和模型診斷法相比較，智能診斷法的適用性更強。智能診斷法既可模擬人腦功能，又可比人腦更加有效地識別和預測診斷液壓系統的故障部位。

例如，液壓油的使用溫度一般為32～52℃，最高溫度不得超過60℃。如果液壓油溫度過高，就會降低液壓油粘度、增加液壓系統零件（摩擦副）的摩擦力，造成液壓零件加劇磨損、液壓油泄漏。液壓油溫度過高會造成密封件變軟甚至變質，會導致降低密封件的密封性能。基于神經網絡的智能診斷法，可針對液壓油的溫度變化進行實時監測，具有很好的診斷效果。

將神經網絡智能診斷法運用于機械設備液壓系統，主要是利用其非線性動態跟蹤能力進行故障診斷，并且在遇到新故障的情況下，可以不斷調整權值、閩值，提升其液壓系統故障診斷的準確率和效率。神經網絡智能診斷法可針對液壓系統中的液壓閥、液壓泵、液壓缸等液壓執行機構、液壓能源系統、液壓增速回路的故障進行對應的診斷，使后續的故障修復效果得到很好的保障。

5" "液壓系統故障診斷應用技術的發展趨勢

近年來我國經濟社會和科學技術快速發展，各個領域中應用的機械設備、作業系統的精細化水平不斷提升，伴隨而來的是出現的故障也越來越復雜。在這種情況下，機械設備液壓系統應用的故障診斷技術也需要隨之發展，這樣才能滿足實際工作的要求。綜合各個方面的情況，機械設備液壓系統故障診斷應用技術的發展趨勢如下所述。

5.1" " 多種知識的表示方法相結合

在一個實際的故障診斷系統當中，往往需要將多種知識的表示方法結合起來，這樣才能表達清楚故障診斷方面的知識。在這一過程中就會涉及到多種表達方式之間的信息傳遞、信息轉換、知識組織等問題，這些問題也一直限制著液壓系統故障診斷應用技術水平的提升。

在這種情況下，為了提升液壓系統診斷應用技術的水平，必須施行多種知識的表示方法相結合，從而對故障診斷的結構模型進行更好的描述，并且隨著面向液壓系統故障的程序設計技術的發展， 面向液壓系統故障的知識表示方法一定會在故障智能診斷系統中得到廣泛的應用，這是一個必然趨勢。

5.2" " 經驗知識與原理知識相結合

目前智能診斷技術已經在機械設備液壓系統故障診斷中得到應用，其本身就是一種經驗知識與原理知識的緊密結合。在未來發展過程中，這一趨勢仍將持續下去，并將加強對應的實踐活動。通過經驗知識與原理知識的相互作用，促使液壓系統故障診斷系統更加完善，促使其診斷功能越來越強。這也是故障診斷應用技術發展過程中的一個必然趨勢，需要給予高度重視，這就需要加強對人才資源的培養。

6" "結語

伴隨著我國制造業的發展，液壓系統在眾多機械設備上得到應用，多種機械設備已經具有高精度的機械、電控、液壓、智能一體化的綜合系統，其精細化、復雜性都在提升，其故障的復雜程度也在不斷提升。在這種情況下，重視機械設備液壓系統故障診斷的應用技術，深入分析和研究液壓系統故障診斷應用技術的發展趨勢，具有重要現實意義和理論意義。

參考文獻

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