液压传动与控制实用技术课件：液压系统故障诊断技术 -

液压系统故障诊断技术【学习目标】

通过本章学习，分析液压系统及元件故障产生机理，明确机械装备液压系统故障诊断的意义，为今后工程实际中解决液压系统、元件故障，保证设备安全运行打下基础。【学习要求】掌握典型液压元件故障诊断的基本原理和方法；熟悉液压系统故障发生机理和常用诊断方法；通过工程实例，学会判断和发现液压系统故障、熟悉检测与诊断技术的基本方法，解决工程实际问题；同时了解液压系统故障诊断技术现状和最新发展。9.1液压元件故障诊断与排除9.1.1液压泵常见故障分析与排除方法液压泵是液压系统的“心脏”,它将机械能转换成液压能,向系统提供足够流量和压力的油液,以满足机械完成各种动作的需要。所以,液压泵工作的可靠程度直接影响到机械的工作可靠性。在液压系统的日常管理中,常会碰到液压泵发生故障而影响液压机械的正常工作。因此,要充分重视分析、掌握液压泵出现故障的规律,加强管理、维护,做到防患于未然。表9-1为液压泵的常见故障及其排除方法。9.1.2液压缸的常见故障及排除方法其故障分析与排除方法见表9-2。

9.1.3常用液压阀的故障分析与排除液压控制阀是液压传动中用来控制液体压力、流量和方向的元件.根据它在液压系统中所起的作用不同,可分为四大类:①压力控制阀(简称压力阀),用来控制液压系统中的压力以满足执行元件所需力(或力矩)的要求,包括溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等；②方向控制阀(简称方向阀),用来控制液压系统中油液的方向,以满足执行元件运动方向控制的要求,包括单向阀、换向阀等；③流量控制阀(简称流量阀),用来控制液压系统中的流量,以满足执行元件运动速度的要求,包括节流阀、调速阀等；④复合阀(也称多元阀),用来控制液压系统中的方向、压力、流量3个参数的2个或全部(例如单向减压阀,既能控制油液的方向,同时还控制油液的压力)。另外,根据控制方式的不同,控制阀也可分为手动控制阀(简称手动阀)、电磁铁控制式阀(简称电磁阀)、液体动力控制式阀(简称液动阀)、比例控制式阀(简称比例阀)、伺服控制式阀(简称伺服阀)。可见,液压控制阀是液压系统中的主要元件,对液压系统可靠、安全地工作有着至关重要的作用。下面介绍几种常用液压阀的故障诊断及处理方法。1.溢流阀的故障分析及排除2.减压阀的故障分析及排除方法3.节流调速阀的故障分析及排除方法4.换向阀的故障分析及排除方法5.液控单向阀的故障分析及排除方法7.油温过高的故障分析和排除方法9.2液压系统故障诊断方法9.2.1简易的故障诊断方法1.传统的主观诊断法传统的主观诊断法,指的是维修人员凭借个人的实践经验,通过看、听、摸、闻、问,或借助简单的仪器、仪表,判断系统故障发生的部位和原因。常用的方法有感官诊断法、方框图分析法、系统图分析法等。该方法是维修人员利用系统或元件的结构、模型和功能等方面的知识,进行综合分析和判断,因此要求维修人员掌握大量的故障机理知识和具备丰富的诊断经验。主观诊断法简单、方便并且快捷,但诊断结果常带有主观倾向性,难于满足复杂的液压系统的故障诊断的需求。2.直接性能测试的方法直接性能测试的方法是通过对液压元件和系统的性能测试,来评价系统的工作状态。该方法也可进行在线状态监测和故障诊断,并对故障进行定量分析,已被应用在许多液压系统的状态监测中。其基本思想:在正常情况下,被测试液压元件和系统的性能测量值应在正常范围内变动,当超出此范围时,可以认为已经发生或将要发生故障。在液压元件和系统性能测试中,常见的测量参数有压力、流量、温度,以及其它相应类型的参数。另外,还可以用被测量的变化率是否在正常范围内来判别故障是否发生。该方法原理简单,概念直观。然而,性能测试对早期失效不很敏感,只有当系统失效发展成十分严重时,其性能指标变化才有所体现。9.2.2基于信号分析的故障诊断方法1.基于油样分析的方法液压系统中的污染物带有大量反映系统内部状态的信息。因此,通过对油液中污染物成分鉴别和含量测定,可以了解液压系统油液的污染状况以及元件的工作状况,为液压系统的故障诊断和维护提供依据。目前常用的油样分析技术和方法有以下两种。1)基于油液颗粒污染度的检测技术显微镜检测技术:采用光学显微镜测定油液中污染颗粒的尺寸分布和浓度。2)基于油液性能参数的检测技术受潮气入侵、气蚀、腐蚀、液压元件各运动副间磨损等作用,液压油中金属、非金属元素、氧化物的含量、形态发生变化,反映出液压系统中磨损、腐蚀及密封状态;液压油的粘度、酸碱值等性能指标的改变也是系统状态发生变化的征兆之一。2.基于振动、噪声分析的方法振动、噪声是液压系统在运行过程中伴随的必然现象,特别对液压泵来说,其壳体振动十分明显。设备的振动、噪声信号中包含有大量丰富的故障信息,通过对信号的分析可以获得许多有关元件的状态信息,有助于确定设备的工作状态,从而有效地进行故障诊断。3.基于数学模型的诊断方法模型诊断方法是以现代控制理论和现代优化方法为指导,以系统的数学模型为基础,利用观测器(组)、等价空间方程、Kalman滤波器、参数模型估计和辨识等方法产生残差,然后基于某种准则或阈值对该残差进行评价和决策。基于模型的诊断方法能与控制系统紧密结合,是监控、容错控制、系统修复和重构的前提。液压伺服系统的故障诊断常采用基于数学模型的方法。9.2.3基于人工智能的故障诊断方法1.基于专家系统的智能诊断方法专家系统(ExpertSystem)是诊断领域引人注目的发展方向之一,也是目前研究最多、应用最广的一类智能诊断技术,它运用专家知识和推理方法求解复杂的实际问题。2.基于神经网络的智能诊断方法人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork)理论是20世纪80年代中后期迅速发展起来的人工智能领域的一个重要分支,其本质是一种接近人的认知过程的计算模型,模仿大脑神经元结构特性而建立起来的一种非线性动力学网络系统。3.基于模糊理论的智能诊断方法在液压系统的故障诊断领域,存在着大量模糊现象。故障症状的描述,如系统油温过高、压力波动严重、液压泵温升过高等都是模糊概念。4.基于故障树的诊断方法故障树分析法(FaultTreeAnalysis)是把系统故障与导致该故障的各种因素形象地绘成故障图表,直观地反映出故障、元部件、系统及原因之间的相互关系,是实际系统中常用的、比较有效的故障诊断方法。5.基于灰色理论的智能诊断方法灰色理论是我国学者邓聚龙教授于1982年首先提出的,是控制论的观点和方法的延拓。灰色理论从系统论的角度来研究信息间的关系,即利用已知的信息来揭示未知的信息,具有自学习和预测功能。7.基于多智能体的智能诊断方法近些年来,多智能体系统(Multi-agentSystem)已成为分布式人工智能(DAI)研究的一个热点,主要研究的是自主的Agent之间智能行为的协调。8.基于信息融合技术的智能诊断方法近年来迅速发展起来的多传感器信息融合技术,是研究多源不确定性信息综合处理的理论和方法。目前该技术已成功应用于众多的领域,其理论和方法已成为智能信息处理的一个重要研究方向。【例9.1】

本章引例提出了翻包机跌包故障，根据前述液压元件及液压系统故障诊断知识，可诊断如下：故障原因是油缸(夹紧缸)自带的液压锁锁不住。解决方法是：将双单向节流阀9更换为同通径的双液控单向阀，它们的底板尺寸一致；将单向阀6-2的阀芯去掉，使其通畅无背压，避免当换向阀处中位时，因背压堵塞变大使双液控单向阀被打开，失去液压锁的功能。旋转接头11必须有足够的耐压能力，重新进行核算后选取。这样处理后，再无钢包跌包事故发生。9.3液压系统故障诊断应用实例9.3.1液压挖掘机液压系统的常见故障及诊断排除液压挖掘机是目前工程施工中广泛使用的一种工程机械。它的行走、回转和举升、挖掘动作都是通过发动机把机械能转化为液压油的压力能,来驱动液压油缸和马达工作而实现的。一个完整的液压系统包括5个部分,即动力元件(液压泵)、执行元件(油缸、油马达)、控制元件(阀)、辅助元件(油管、油箱、滤清器、散热器等)和液压油。分析和排除液压系统故障就要从以上5个方面入手,进行检测、分析和判断。以下列举在实际使用中常见的故障和诊断排除方法。1.全车无动作故障诊断发生不能行走、回转和挖掘这种整体性的故障,要从可能引发整体故障的元件入手来判断。（1)液压油是否足够。（2)液压泵工作是否正常。（3)安全锁紧阀故障。（4）自压减压阀故障。5）主溢流阀故障如果安全锁紧阀和自压减压阀都没有问题,此时要检查主溢流阀。它是主控制阀体上的一个安全阀,如图9.1。2.整机动作缓慢无力故障诊断出现这种故障的原因是供给到各执行元件的液压油流量和压力不足。在排除机器因长期使用,各部位密封不良、磨损量加大、油泵压力排量下降的情况后,可能的原因有下列几种。1)合流分流阀故障2)主溢流阀调定压力过低

3)自压减压阀调定压力过低

4）卸荷阀和LS(负荷传感系统)旁通阀故障3.个别动作故障诊断1)大小臂或铲斗缸伸缩及行走或回转缓慢无力(1)密封件失效。(2)安全吸油阀故障。安全吸油阀(见图9.2)安装在各个执行元件(油缸、马达)上,当工作装置受到外界巨力冲击(如山崖落石)或当油缸、马达的某一腔产生瞬间高压时,高压腔的高压油就会打开安全吸油阀中的溢流阀溢流,同时负压腔一侧的安全吸油阀打开单向阀从油箱吸油来补充负压,起到保护油路的作用。(3)PPC阀故障。如果发生了个别动作缓慢而其它动作正常的故障现象,在排除了油缸马达内泄的可能之后要检查PPC阀。(4)主控制阀故障。如果前3种可能都排除了而故障仍然存在,则需要检查主控制阀中控制相应动作的阀芯。2）蓄能器故障蓄能器安装在主泵与PPC阀之间(图9.1),其作用是保持控制油路压力的稳定,以及当发动机熄火后仍能通过它放下工作装置,以保证整机的安全。发动机关闭后打开安全锁紧阀,操纵手柄,如果工作装置不动,就是蓄能器出现故障,需要检查更换。3)LS选择阀故障该阀安装在回转PLS油压力出来的回路上,主要控制大臂和回转复合动作的协调性。若出现大臂提升缓慢而回转加快的现象,一般就是LS选择阀发生故障。清洗检查LS选择阀的密封件。以上列举了几种常见的挖掘机液压系统故障。出现故障时,应先判断是整机故障还是个别动作故障,然后判断是压力故障还是速度故障,从可能引发故障的元件入手,就能很快诊断排除故障了。9.3.2基于FTA分析法在液压压砖机远程故障诊断专家系统全自动液压压砖机是集机、电、液、气、计算机技术和陶瓷工艺技术高度一体化的高科技专用设备,也是当今世界陶瓷墙地砖生产线上最关键的装备。1．液压压砖机远程故障诊断专家系统总体结构全自动液压压砖机是当代世界陶瓷墙地砖生产线上的高科技产品,是生产线的关键装备,液压系统是其核心部分。液压压砖机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的,是一种利用液体压力传递能量的机器。以YP4280型压砖机为例,其工作原理如图9.3所示。专家系统主要由推理机、解释程序、知识获取序、综合数据库、知识库等五部分组成,各部分之间的关系如图9.4。2．基于FTA分析法的远程故障推理实现1）压砖机液压系统的故障分析及故障树的建立液压系统大部分的故障并不是突然发生的,一般总有一些预兆,如噪声、振动、压力不足、过热、冲击、污染和泄漏等。如果这些现象能及时发现,并加以适当控制与排除,系统故障就可以消除或相对减少。以油温过高为例,根据液压系统使用特点和失效模式、故障分析,建立了故障树,如图9.5及表9-9。2）基于故障树的故障推理过程对液压系统的故障诊断过程即是对故障树的推理过程，在此采用规则和框架相结合的方法，根据各底事件的重要度的优先级进行推理。根据领域专业的经验，归纳各底事件的发生概率。根据故障概率，可以计算出各子集的重要度，然后再排序。即可得到重要度的优先级。专家系统对油温过高故障运用框架和规则方法进行故障诊断如图9.6所示采用重要度优先法进行推理。8.3.3汽车起重机液压缸爬行的故障树分析在工程机械液压系统中，一种故障对应一系列故障原因，通过故障树可以划分出故障原因的不同层次及各层次所包含的子系统。故障树是一种将系统形式的原因做整体至部分按树枝状逐步细化的示意图，层次分明，已广泛应用于系统的故障因果关系分析上，能将系统的复杂关系直观地显示出来。汽车起重机是一种常见的工程机械，主要通过液压系统完成作业。由于经常出现液压故障，且不易诊断和排除，故对其进行故障诊断显得尤为必要。1.汽车起重机变幅液压原理图9.7为NK-160型汽车起重机变幅液压回路。起重机吊臂变幅机构主要用来改变作业半径，作业高度随之改变，要求能带载变幅，且变幅动作平稳可靠。2．构建故障树1）故障树建立以NK-160型汽车起重机变幅机构经常出现的故障-变幅液压缸爬行为研究对象，运用故障树分析的基本原理，将故障原因逐步细化，层层推进，找出导致这一故障的基本原因。循此下去可得如图9.8所示的故障树。2）定性分析定性分析用于识别故障模式，判明潜在故障，最终指导故障诊断。由于底事件较多，全部列出较为繁琐，现将求割集和最小割集的全过程按照中间事件M1、M2和M3划分为三个过程。以M1为例的求解过程1如表9-11所示。3）定量分析故障树定量分析包括顶事件的发生概率和底事件的重要度等。3.液压缸爬行故障诊断策略在汽车起重机的使用过程中，变幅液压回路经常出现故障：在发动机供油量、变幅换向阀开度不变的情况下，吊臂运动速度不稳，时快时慢，且吊重越大，这种现象越明显。9.4液压系统故障诊断技术的发展9.4.1多种知识表示方法的结合在一个实际的液压故障诊断系统中,往往需要多种方式的组合才能表达清楚诊断知识,这就存在着多种表达方式之间的信息传递、信息转换、知识组织的维护与理解等问题,这些问题曾经一直影响着对诊断对象的描述与表达。近几年来,在面向对象程序设计技术的基础上,发展起来了一种称为面向对象的知识表示方法,为这一问题提供了一条很有价值的途径。在面向对象的知识表示方法中,传统的知识表示方法如规则、框架、语义网络等可以被集中在统一的对象库中,而且这种表示方法可以对诊断对象的结构模型进行比较好的描述,在不强求知识分解成特定知识表示结构的前提下,以对象作为知识分割实体,明显要比按一定结构强求知识的分割来得自然、贴切。另外,知识对象的封装特点,为知识库的维护和修正提供了极大的便利。随着面向对象程序设计技术的发展,面向对象的知识表示方法一定会在故障智能诊断系统中得到广泛的应用。9.4.2经验知识与原理知识的紧密结合为了使液压故障智能诊断系统具备与人类专家能力相近的知识,研制者在建造智能诊断系统时,越来越强调不仅要重视领域专家的经验知识(浅知识),更要注重诊断对象的结构、功能等知识(深知识),忽视任何一方面都会严重影响系统的诊断能力。关于深浅知识的结合问题,可以各自使用不同的表示方法,从而构成两种不同类型的知识库,每个知识库有各自的推理机,它们在各自的权利范围内构成子系统,两个子系统再通过一个执行器综合起来构成一个特定诊断问题的专家系统。这个执行器记录诊断过程的中间结果和数据,并且还负责经验与原理知识之间的“切换”。这样在诊断过程中,通过两种类型知识的相互作用,使得整个系统更加完善,功能更强。9.4.3多种智能故障诊断方法的混合将多种不同的智能技术结合起来的混合诊断系统是智能故障诊断研究的一个发展趋势。结合方式主要有基于规则的专家系统与神经网络的结合,模糊逻辑、神经网络与专家系统的结合等。混合智能故障诊断系统的发展有如下趋势:由基于规则的系统到基于混合模型的系统、由领域专家提供知识到机器学习、由非实时诊断到实时诊断、由单一推理控制策略到混合推理控制策略等。智能诊断系统在机器学习、诊断实时性等方面的性能改善,是决定其有效性和广泛应用性的关键。9.4.4虚拟现实技术将得到重视和应用虚拟现实技术是继多媒体技术以后另一个在计算机界引起广泛关注的研究热点,它有四个重要的特征,即多感知性、对存在感、交互性和自主性。从表面上看,它与多媒体技术有许多相似之处,如它们都是声、文、图并茂,容易被人们所接受,但是虚拟现实技术是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作以及交互的一种全新的方式,与传统的人机界面如键盘、鼠标、图形用户界面等相比,它在技术思想上有了质的飞跃。可以预言,随着虚拟现实技术的进一步发展和其在故障智能诊断系统中的广泛应用,它将给液压故障智能诊断系统带来一次技术性的革命。9.4.5数据库技术与人工智能技术相互渗透人工智能技术多年来曲折发展,虽