海洋工程機(jī)械液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及故障診斷

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摘要:海洋機(jī)械工程設(shè)備的液壓系統(tǒng)所處環(huán)境非常惡劣，若產(chǎn)生故障會(huì)嚴(yán)重影響工程作業(yè)，因此故障診斷勢(shì)在必行，但故障的診斷難度非常高，因此以在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，探索未來(lái)海洋環(huán)境下的液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和故障診斷解決方案和故障診斷的方法，供海洋工程機(jī)械研制參考。

關(guān)鍵詞:海洋工程機(jī)械;液壓系統(tǒng);狀態(tài)監(jiān)測(cè);故障診斷

海洋工程機(jī)械具有流動(dòng)性大、分散性大、使用環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，容易造成海洋工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)時(shí)常失效，面對(duì)海洋工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)故障問題，常常難以檢修或者是檢修效率不高，因而需要有針對(duì)性地探索1種狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以提升預(yù)防性檢修的效果。

1狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

近些年，科學(xué)技術(shù)隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展而不斷進(jìn)步，尤其微電子信息技術(shù)，取得了可觀的發(fā)展，狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)迎來(lái)發(fā)展的高峰期，并且逐步成為一門完整的綜合工程學(xué)科，在國(guó)際上是大熱門。1980年代，我國(guó)就開始了狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究，到目前，也已經(jīng)建立起了1套相對(duì)比較完善的技術(shù)體系，即人工檢驗(yàn)和便攜式檢測(cè)儀器檢驗(yàn)相結(jié)合的故障診斷體系，特別是儀器檢驗(yàn)方面，目前已經(jīng)可以通過振動(dòng)、溫度等各種設(shè)備狀態(tài)信息來(lái)判斷故障征兆以及故障原因。針對(duì)本文的研究對(duì)象而言，通常有2種技術(shù)可選，1種是基于傳遞函數(shù)的診斷技術(shù)，另1種則是基于人工智能的診斷技術(shù)。診斷方法方面有很多種，比如說(shuō)人工憑經(jīng)驗(yàn)直觀檢查的方法，利用便攜式檢測(cè)儀器來(lái)檢驗(yàn)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)以判斷故障的方法，還有如故障樹分析方法等等。當(dāng)然由于液壓系統(tǒng)具有一定的特殊性，在故障征兆和原因方面并不存在比較顯著的線性關(guān)系，進(jìn)而很難通過簡(jiǎn)單函數(shù)建模的方法來(lái)描述液壓系統(tǒng)的故障。因此，一般還會(huì)采取貝葉斯法、時(shí)間序列法等數(shù)學(xué)方法來(lái)形成故障監(jiān)測(cè)和診斷方案，同時(shí)因?yàn)橐鉀Q故障診斷的實(shí)效性問題，通常還需要專家系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等輔助。在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷是目前機(jī)械診斷的一大趨勢(shì)，在線監(jiān)測(cè)與故障診斷可以在不影響工程機(jī)械運(yùn)行的情況下監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)信息的檢測(cè)是實(shí)時(shí)的，在監(jiān)測(cè)當(dāng)中，針對(duì)工程機(jī)械核心性能參數(shù)，以液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要參數(shù)就是壓力、流量、溫度等，通過監(jiān)測(cè)這些參數(shù)可以準(zhǔn)確地診斷液壓系統(tǒng)的狀態(tài)。在線設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷當(dāng)中就需要根據(jù)這些參數(shù)來(lái)選定專用的傳感器，并根據(jù)總結(jié)出來(lái)的故障經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備上的特定位置安裝好，用來(lái)采集檢測(cè)診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的信息源，在有服務(wù)器（至少一個(gè)實(shí)時(shí)服務(wù)器一個(gè)歷史服務(wù)器）的情況下，服務(wù)器會(huì)集中將采集到的數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)，以統(tǒng)一格式存儲(chǔ)，方便后續(xù)分析，在上層計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)中則可對(duì)這些存儲(chǔ)的信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，并且比對(duì)歷史服務(wù)器中的數(shù)據(jù)后就可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行在線預(yù)測(cè)，在控制室當(dāng)中，外聯(lián)一些報(bào)警器則可以在出現(xiàn)異常情況時(shí)報(bào)警，并在控制室顯示屏上顯示出異常的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障趨勢(shì)曲線，同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷是否需要停機(jī)，若不需要，則繼續(xù)運(yùn)行并保持監(jiān)測(cè)，提請(qǐng)檢修，若不行，則由PLC等自動(dòng)化控制裝備控制自動(dòng)停機(jī)，以開始機(jī)械維修工作。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，外聯(lián)的專家系統(tǒng)同樣可以依托該管理系統(tǒng)進(jìn)行故障的分析，以便快速處理故障。

2液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與故障診斷分析

2.1監(jiān)測(cè)與故障診斷方案

以浮標(biāo)為例，一個(gè)典型的浮標(biāo)液壓系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和故障診斷方案如下。首先，可以基于功率流理論對(duì)液壓系統(tǒng)回路進(jìn)行建模。根據(jù)其工作原理，通過安裝相應(yīng)傳感器來(lái)對(duì)其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至上層服務(wù)器，同時(shí)構(gòu)建液壓系統(tǒng)回路的邏輯關(guān)系，主要依據(jù)是功率流以及故障分離。注意選對(duì)參數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)不同的海洋工程機(jī)械的液壓設(shè)備，要確定用來(lái)判斷設(shè)備故障的有效特征參數(shù)，一般有2種，其中1種是直接診斷參數(shù)，這一類參數(shù)可以直接反應(yīng)系統(tǒng)的故障狀態(tài)，比如說(shuō)生產(chǎn)率，這種參數(shù)很容易得到，但是若用這一類參數(shù)來(lái)做故障診斷，往往反應(yīng)不夠靈敏，因?yàn)橛锌赡茉跈C(jī)械裝備出廠時(shí)，零部件就可能存在一些缺陷，而這些缺陷并不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)在直接診斷參數(shù)上，所以，一般可以用來(lái)判斷機(jī)械裝備的工作能力強(qiáng)弱和有無(wú)故障。還有一些參數(shù)一般作為二次效應(yīng)參數(shù)，比如溫度、壓力、流量等等。具體來(lái)說(shuō)，液壓系統(tǒng)回路功率的變化會(huì)表現(xiàn)在系統(tǒng)流量以及壓力的變化上，直接檢測(cè)流量難度要復(fù)雜一些，一般可以通過檢測(cè)相關(guān)的壓力和溫度變化來(lái)間接檢測(cè)，當(dāng)然傳感器技術(shù)是在進(jìn)步的，目前絕大多數(shù)傳感器都能夠采集到需要的數(shù)據(jù)。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障75%的原因是油液污染，不過常規(guī)的油液分析方法耗時(shí)很長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。常規(guī)的油液分析方法主要檢測(cè)液壓油的顆粒計(jì)數(shù)、水污染、運(yùn)動(dòng)粘度、總酸值、元素光譜、氧化、磨粒分析/鐵譜分析，這些內(nèi)容基本上都不易實(shí)現(xiàn)在線測(cè)定。不過針對(duì)油液污染來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在有1種光散射法監(jiān)測(cè)技術(shù)可以用來(lái)直接檢測(cè)液壓油污染。當(dāng)然，還有1種替代方法，就是直接將液壓系統(tǒng)的壓力以及油液的溫度變化來(lái)對(duì)液壓系統(tǒng)油液失效特征進(jìn)行綜合分析判斷。其次，可以建立回路的壓力與溫度時(shí)間序列模型。通過分析系統(tǒng)回路壓力和溫度等參數(shù)與故障現(xiàn)象之間的關(guān)系，建立回路時(shí)間序列模型，并通過改變模型的均值和方差來(lái)獲取不同工況以及失效時(shí)的特征信號(hào)。最后，通過相關(guān)的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)失效的定量表達(dá)，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)失效時(shí)的危險(xiǎn)因子，并使用失效歷史數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)對(duì)模型以及失效效果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，揭示液壓系統(tǒng)失效機(jī)理的同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)在線的故障診斷。

2.2故障診斷

對(duì)于液壓系統(tǒng)的故障診斷來(lái)說(shuō)，其一般基本的方法包括邏輯分析診斷方法、魚刺圖分析方法、區(qū)段劃分方法、液壓系統(tǒng)原理分析方法，這些方法都需要人工經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷故障，診斷故障。例如邏輯分析，其主要原理是利用系統(tǒng)的工作原理，按照其工作的基本步驟來(lái)分析判斷每一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)而排除掉懷疑對(duì)象，逐步確定故障點(diǎn)。當(dāng)然在技術(shù)的進(jìn)步中，海洋工程機(jī)械液壓系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了在線智能故障診斷，如故障樹分析方法，其關(guān)鍵點(diǎn)是根據(jù)故障的機(jī)理來(lái)制作出相應(yīng)的邏輯框圖，邏輯框圖的基本依據(jù)與邏輯分析診斷方法相似，也是系統(tǒng)的工作原理，當(dāng)然故障樹分析會(huì)對(duì)每一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)故障的因素進(jìn)行分析，并匯總到故障樹當(dāng)中，然后再依托故障現(xiàn)象，從故障樹當(dāng)中去進(jìn)行邏輯分析，最終確定故障點(diǎn)。再如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法，該方法主要是將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)定量后，輸入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，依托一定的學(xué)習(xí)算法，讓機(jī)器自主學(xué)習(xí)故障信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能診斷。這種方法在1990年代就有學(xué)者在研究，成果也比較多。當(dāng)然還可以將一些方法進(jìn)行組合，以此來(lái)對(duì)液壓系統(tǒng)的故障進(jìn)行診斷，比如將小波分析、模糊邏輯分析以及ANN進(jìn)行組合來(lái)診斷故障，可以先選擇小波尺度，并在其基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，去掉工頻以及高頻噪聲的小波尺度，確保重構(gòu)后的信息只包含液壓系統(tǒng)工況信息和故障信息，然后利用小波變換來(lái)對(duì)輸入到ANN中的信息進(jìn)行處理，這樣的處理方式能有效提高ANN的診斷結(jié)果準(zhǔn)確性，同時(shí)也可以消除一定的噪聲干擾。

3結(jié)論

綜上所述，海洋工程機(jī)械因?yàn)樗幁h(huán)境復(fù)雜，容易造成其液壓系統(tǒng)出現(xiàn)一些典型的故障問題，導(dǎo)致失效。當(dāng)然也因?yàn)楹Ｑ蠊こ虣C(jī)械所處環(huán)境復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行檢修的難度很高，為了保證其正常運(yùn)作發(fā)展相應(yīng)的檢測(cè)診斷技術(shù)具有必要性，但是必須要克服復(fù)雜環(huán)境下的故障征兆信息提取問題以及遠(yuǎn)程信息傳輸問題等。

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作者：艾楊 徐俊杰 徐輝祖 張偉 臧龍 單位：長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司