基于T-S模糊故障樹的液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法

摘要：為了準確、高效地識別液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障，提出基于T-S模糊故障樹的液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法。分析液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥結構，建立運動學方程，對其旋挖運動特性展開分析。設計T-S模糊門，根據液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥現場的故障數據，結合專家經驗，在平衡閥旋挖動力特點的基礎上建立T-S模糊故障樹，將緩沖閥狀態異常作為故障樹的頂層事件。利用T-S模型得到故障事件的故障程度，實現液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥的故障診斷。實驗結果表明：所提方法診斷效率高、診斷精度高。

關鍵詞：液壓旋挖鉆機；緩沖平衡閥；T-S模糊故障樹；故障診斷

中圖分類號：TP277文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0268-06

Abstract：In order to identify the fault of hydraulic rotary drilling rig buffer balance valve with accuracy and efficiency， a fault diagnosis method of hydraulic rotary drilling rig buffer balance valve based on T-S fuzzy fault tree analysis is proposed. The structure of the buffer balance valve of the hydraulic rotary drilling rig is analyzed， the kinematics equation is established， and the motion characteristics of the rotary drilling rig are analyzed. T-S fuzzy gate is designed. According to the on-site fault data of buffer balance valve of hydraulic rotary drilling rig and expert experience， T-S fuzzy fault tree analysis is established based on the dynamic characteristics of rotary drilling of balance valve， and the abnormal status of buffer valve is regarded as the top event of the fault tree analysis. The T-S model is applied to obtain the fault severity of the fault event and achieve fault diagnosis of the buffer balance valve of the hydraulic rotary drilling rig. The experimental results show that the proposed method has high diagnostic efficiency and accuracy.

Keywords：hydraulic rotary drilling rig; buffer balance valve; T-S fuzzy fault tree; fault diagnosis

0引言

盡管現代社會的科技水平足以支撐電網塔等大型機具的安裝，但一些偏遠地區，如湖南省部分山區，仍因地形地貌復雜而存在沿線樁位交通運輸條件差，導致旋挖施工鉆機的施工難度較高。液壓旋挖鉆機因具有性能好、效率高、污染小等優勢，被先后應用于多種領域的鉆孔工作中［1］。液壓旋挖鉆機上的回轉液壓系統簡稱液壓系統［2］，是驅動發動機輸出機械能，并將機械能傳遞至鉆機各部位元件的自動化儀表系統。該系統由結合緩沖平衡閥的恒功變量自動控制器和先進的監控儀表組成。其中，緩沖平衡閥是輔助液壓旋挖鉆機循環作業的重要機械部件，也是極易受內外因素影響導致液壓旋挖鉆機運作停滯的關鍵部件。液壓旋挖鉆機的緩沖平衡閥故障特征和類型多種多樣。緩沖平衡閥常見的故障特征包括液壓系統油溫過高、液壓缸無法穩定運動或運動速度不均勻以及工作裝置抖動等。根據具體故障表現，可以將緩沖平衡閥的故障類型分為泄漏、閥芯卡阻、壓力不穩以及閥芯磨損等。了解這些故障特征和類型，有助于及時發現問題并采取適當的維修措施，以確保液壓旋挖鉆機的正常運行和安全性能。

為了推動我國偏遠地區電力工程建設，提高液壓旋挖鉆機在山區等復雜環境的整機穩定性，相關人員展開對液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法的研究。王佳晨等［3］通過貝葉斯網絡建立液壓系統幾何模型，并采集模型運轉途中緩沖平衡閥數據，利用K2評分搜索策略預測該數據存在故障的概率，實現液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷，但該方法存在診斷效率低的問題。王正幸等［4］通過分析液壓系統在滑摩和非滑摩兩種狀態下形成故障的機制，利用AMESim搭建液壓系統故障模型并提取模型時域特征輸入粒子群優化BP神經網絡中，實現液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷。馮蘊雯等［5］通過收集液壓系統緩沖平衡閥典型故障運行數據，建立直觀反映緩沖平衡閥故障形成原因的邏輯圖，實現液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷。但上述兩種方法存在診斷精度低的問題。

以上問題主要因為液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥的故障特征受到旋挖運動過程的影響，很難形成線性的故障樹結構，特征出現模糊化傾向，導致故障診斷效率和精度降低。本文提出基于T-S模糊故障樹的液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法，以提高診斷效率及精度。

1液壓旋挖鉆機動力學特性分析

液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥的結構如圖1所示。

對緩沖平衡閥［6］的結構展開分析，當系統處于啟動狀態時，壓力油會順著B2進入緩沖平衡閥系統，依次通過V2口，到達系統馬達處，先導油管g中流過壓力油時會對閥芯N產生作用，閥芯S會受到反饋油道r的影響。建立r的旋挖動力學方程如下：

式中：A1表示馬達進油口在緩沖平衡閥中受到的壓力；DN、DS、m1、m2分別表示兩側閥芯對應的有效受力面積和質量；ξ1、ξ2表示兩側彈簧對應的預緊力［7］；NB表示黏性阻尼；θ1、θ2表示兩側彈簧在緩沖平衡閥運行過程中產生的位移；l1、l2表示兩側彈簧對應的剛度。緩沖平衡閥參數如表1所示。

壓力油在液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥制動狀態下進入緩沖平衡閥的初始點為馬達出油口，閥芯S在此狀態下會受到壓力油產生的作用，此時閥芯S的旋挖動力學特性［8］如下：

上述動力學分析結果可作為后續建立液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥T-S模糊故障樹的依據。

2液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷

由上述動力學分析結果可知，其信號特征存在明顯的非線性和模糊性。本文設計基于T-S模糊故障樹的液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法，采用T-S模糊故障樹展開故障診斷。T-S模型屬于一種非線性函數，通常情況下由IF-THEN模糊規則構成，同時也屬于模糊推理模型。

基于T-S模糊故障樹的液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法，結合專家經驗與液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥的現場故障數據，根據平衡閥的動力學方程建立T-S模糊故障樹，如圖2所示。

圖2中，G1、G2、G3表示T-S模糊門；xi為緩沖平衡閥的底層故障事件，i=1，2，…，12；yj為中間故障事件，j=1，2，…，5；T為故障事件。圖2所示的故障樹中存在的各類故障事件具體解釋如表2所示。

基于T-S模糊故障樹的液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法，通過模糊數（y1，y2，…，ylj）、（x1，x2，…，xl），…，（x1，x2，…，xli）描述上級事件yj和底層事件xi的故障程度：

采用T-S模糊故障樹診斷液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障的規則如下。

液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥的故障程度是根據故障的表現、對系統性能的影響、故障的頻率以及維修代價等因素進行評估。故障程度的評估旨在確定故障的嚴重程度，并為修復和預防故障提供指導。通過觀察故障特征，分析故障對機器性能的影響，考慮故障頻率以及評估修復的時間和費用，可以確定故障程度。評估結果有助于采取適當的維修措施，改善系統可靠性和性能。已知規則l（l=1，2…，m），當底層事件xi的故障程度為xli，則上級事件yj的故障程度為ylj的概率為Pl（ylj）。

設P（xl1），P（xl2），…，P（xli）表示液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障的底層事件各種故障程度的模糊概率，在故障診斷過程中執行規則l的模糊概率為Pl0=（P（xl1），P（xl2），…，P（xli））。通過計算模糊概率獲得上級事件屬于不同故障程度的模糊概率，以此實現液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥的故障診斷。此時上級事件發生的概率可通過下述公式計算得到：

當底層事件x在液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥運行過程中的故障程度為x′=（x′1，x′2，…，x′i）時，上級事件屬于不同故障程度的模糊概率可通過T-S模型計算得到：

式中模糊參數α*l（x′）的計算公式如下：

式中νljxi（x′i）為在第l條規則中緩沖平衡閥故障程度x′i對應的模糊集隸屬度。根據式（5）即可獲得上級事件屬于不同故障程度的模糊概率，以此實現液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥的故障診斷。

3實驗

為了驗證基于T-S模糊故障樹的液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法的整體有效性，需要對其測試。

3.1實驗對象

隨機選擇兩臺液壓旋挖鉆機作為驗證算法診斷性能的實驗對象，兩個實驗對象如圖3所示，實驗對象的參數設定如表3所示。

3.2實驗方法

1）閥帽預緊力

灰塵污染是導致緩沖平衡閥間隙增大的主要原因之一。當閥帽預緊力下降時，會進一步增加緩沖平衡閥的間隙，從而導致其故障。這種故障可能會導致液壓馬達和液壓缸的壓力驟升，給系統帶來不穩定的情況。為了模擬閥帽預緊力下降的情況，進行了人為實驗。在實驗對象1和實驗對象2原有設定的基礎上，每隔1s，將閥帽的預緊力降低2N。通過這個實驗，觀察液壓馬達和液壓缸壓力的變化情況，以便更好地理解其對系統的影響，并探索如何避免或解決因此引起的液壓系統故障。因此，分別采用所提方法、文獻［3］基于信息熵的液壓狀態監測系統故障診斷方法和文獻［4］濕式離合器換段過程液壓系統故障機制分析與診斷方法來診斷液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障。

2）石墨活塞環直徑

緩沖平衡閥內部溫度升高是導致石墨活塞環直徑增大的主要原因之一。當石墨活塞環直徑增大時，將引發緩沖平衡閥的故障并導致液壓馬達和液壓缸的壓力驟升。這種情況給液壓系統帶來了嚴重的不穩定性。

為了模擬石墨活塞環直徑增大的情況，在原有設定的基礎上，每隔1s，將石墨活塞環的直徑提升1mm。通過這個實驗，觀察液壓馬達和液壓缸壓力的變化，以更好地了解其對系統的影響。在診斷液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障方面，采用3種不同的方法進行比較：所提方法、文獻［3］和文獻［4］中提到的方法。通過對比和分析這3種方法的結果，可以評估其在診斷液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障方面的有效性和準確性。

3）故障診斷時間

為了進一步驗證本文方法的適用性，分別采用所提方法、文獻［4］方法和文獻［5］方法診斷實驗對象1緩沖平衡閥故障，記錄故障診斷時間和不同方法故障診斷時間對比結果。

4）現場工程實驗

以湖南省某丘陵和山脈過渡地帶為實驗區域，運用實驗對象1就當地地質條件展開鉆孔，監測并記錄實驗對象1完成直徑200mm，孔深703m，總進尺911m鉆孔的作業情況及實際發生的故障。現場工程如圖4所示。

分別采用所提方法、文獻［4］方法和文獻［5］方法診斷實驗對象1緩沖平衡閥故障，并將不同方法的診斷結果與排查結果對比。

3.3實驗結果分析

1）閥帽預緊對故障診斷效率的影響

閥帽預緊力下降引發故障時不同方法下壓力變化情況如圖5所示。

分析圖5可知，采用所提方法診斷液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障，在閥帽預緊力驟然下降的時間點，液壓馬達和液壓缸壓力均升高明顯，說明所提方法對閥帽預緊力下降這一故障現象的敏銳度較高。由此可知，所提方法能夠快速診斷緩沖平衡閥故障。采用文獻［3］和文獻［4］方法診斷液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障，在閥帽預緊力驟然下降的時間點，液壓馬達和液壓缸壓力均未出現明顯升高，說明文獻［3］方法和文獻［4］方法對閥帽預緊力下降這一故障現象的敏銳度較低。由此可知，文獻［3］方法和文獻［4］方法無法快速診斷緩沖平衡閥故障。經上述對比可知，所提方法對液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障的診斷效率明顯優于傳統方法。

2）石墨活塞環直徑對故障診斷效率的影響

石墨活塞環直徑增大引發故障時不同方法下壓力變化情況如圖6所示。

分析圖6可知，所提方法下石墨活塞環直徑增大和液壓馬達、液壓缸壓力升高在同一時刻發生，說明所提方法對緩沖平衡閥故障的診斷速度較快。文獻［3］方法和文獻［4］方法下石墨活塞環直徑增大和液壓馬達、液壓缸壓力升高不在同一時刻發生，說明文獻［3］方法和文獻［4］方法對緩沖平衡閥故障的診斷速度慢。經上述對比，進一步驗證了所提方法的診斷效率。

3）故障診斷時間情況分析

不同方法故障診斷時間對比結果如表4所示。

分析表4可知，所提方法的診斷時間與其他兩種方法相比，時間最短，僅需5s。因此可以得出，本文方法在進行故障診斷時效率最高。

4）緩沖平衡閥的診斷精度分析

不同方法的診斷精度對比情況如表5所示。

由表5可見，所提方法的診斷結果與緩沖平衡閥故障排查結果一致，說明所提方法對緩沖平衡閥的故障診斷精度高。文獻［4］方法和文獻［5］方法診斷結果與緩沖平衡閥故障排查結果不一致，說明文獻［4］方法和文獻［5］方法對緩沖平衡閥的故障診斷精度低。經上述對比，可知所提方法對緩沖平衡閥的診斷精度明顯優于傳統方法。

4結語

為了準確高效地識別液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障，對液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷方法進行了研究。如何在保證液壓旋挖鉆機緩沖平衡閥故障診斷性能的同時，對緩沖平衡閥故障診斷過程實時監控，則是研究人員下一步工作的重點。

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收稿日期：20230607

基金項目：國網湖南電力科技創新項目（5216A721003H）

第一作者簡介：張恒武（1967—），男，湖南長沙人，高級工程師，本科，研究方向為輸變電工程，2827480772@qq.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.053