液压系统的准确可靠故障诊断

现代工程机械液压系统向着高性能、高精度和复杂的方向发展，液压系统的可靠性成了一个十分突出的问题，除对液压系统进行可靠性设计外，液压系统故障检测和诊断技术越来越受到重视，成为液压技术发展的一个重要方向。由于液压系统工作元件及工作介质的封闭性，给系统的状态监测及不解体在线故障诊断带来困难。目前，主要还停留在人工巡回检测和定期检修的水平上。近年来，由于计算机技术、检测技术、信息技术和智能技术的发展，大大地促进了液压系统故障检测与诊断技术的发展。

1、 基于液压装置信息检测的故障检测与诊断技术
     主要是以工况监视为特点，对设备特征信号进行检测、分析处理，利用特征信号进行故障诊断。典型的（1） 动态信号的在线检测利用各种传感器对液压系统的主要动态参数（如压力、流量、温度、元件的运动速度、振动和噪声等）信号进行在线实时检测（包含滤波、放大等信号调理及A/D转换过程），包括对单个液压件（通常是系统中的重要元件）参数和整个系统特征参数的检测。它是整个故障检测与诊断系统的重要环节，要求实时、准确地获得各参数的真实信号，因此在传感器设计、选择、安装上要做大量的工作。从某种意义上讲，传感器的技术水平很大程度地决定了故障诊断系统的准确性和真实性。
（2） 工作状态的识别与故障诊断
    主要包括信号特征分析、工作状态识别和故障诊断等过程。对现场实测信号进行信号分析和数据处理（如频域分析、时域分析、小波分析等），以提取表达工况状态的特征量，在此基础上进行工作状态的识别和故障诊断。由于实际液压系统元件常常具有严重的非线性特征，如液压阀的饱和、滞环、死区、表现出流量—压力的严重非线性等，给经典故障诊断方法带来了困难，而基于模糊诊断法、神经网络诊断法和专家系统诊断法等现代智能诊断法给此类系统的故障诊断带来了方便。A) 模糊诊断法： 液压系统工作过程中，系统及元件的动态信号多具有不确定性和模糊性，许多故障征兆用模糊概念来描述比较合理，如振动强（弱）、偏心严重、压力偏高、磨损严重等。同一系统或元件，在不同的工况和使用条件下，其动态参数也不尽相同，因此对其评价只能在一定范围内作出合理估价，即模糊分类。模糊推理方法采用IF-THEN形式，符合人类思维方式。同时模糊诊断法不需要建立系统的精确数学模型，对非线性系统尤为合适，因此在液压系统故障诊断中得到了应用和发展。
B) 神经网络诊断法 人工神经元网络是模仿人的大脑神经元结构特性而建立的一种非线性动力学网络，它由大量的简单非线性单元互联而成，具有大规模并行能力、适应性学习和处理复杂多模式的特点，在液压系统故障诊断中得到了较多 的应用和发展。
C) 专家系统诊断法 由于各种液压系统及元件具有一定的相似性，所以各液压系统及元件的故障具有一定的共同特点，如各种伺服阀的结构、故障特点都具有一定的共同点。在这一领域积累了大量的专家知识，对发展液压系统故障诊断的专家系统创造了条件，具有广阔的发展前景。
D) 其它诊断方法 随着现代智能技术的发展，各种复合的智能诊断法将不断涌现，如模糊—专家系统诊断法、神经网络—专家系统诊断法等，将使单一液压系统故障诊断方法的能力得到大大改善。如基于神经网络的专家系统在知识获取、并行处理、适应性学习、联想推理和容错能力等方面具有明显的优势，而这些方面恰好是传统专家系统的主要弱点。这些复合智能诊断系统具有诊断速度快、容错能力强和精度高的特点，将是今后长时间的发展方向之一。

2、基于油液污染检测的故障诊断技术
统计表明，液压系统75%以上的故障起源于其工作介质——液压油液的污染，液压工作油液中携带着有关液压系统故障的大量而又丰富的信息，因此，对油液的监测分析是预测和诊断液压系统故障的重要手段多一。液压油污染主要表现在两个方面：油液的颗粒污染；油液理化性质（如粘度、酸碱值和氧化程度等）的劣化。这就产生了基于油液颗粒污染度检测的故障诊断方法和基于油液理化性质分析的故障诊断方法。
(1） 基于油液颗粒污染度检测的故障诊断法
它是目前基于油液分析故障诊断技术方面的一个主要方法，其过程是：根据经验或专家知识，建立基于油液颗粒污染度与液压系统及其元件状态参数间的关系库，运用专家推理机制，预测和判定系统的故障，此项技术的关键在于油液颗粒污染度的准确检测。针对油液污染度，国际上制定了专门的油液颗粒污染度标准，如美国汽车工程师学会的SAE749D污染度等级标准、美国航天学会提出的NAS1638污染度等级标准及ISO4406污染度国际标准等。油液颗粒污染度检测方法的发展经历了实验室取样分析检测——便携式检测仪检测——在线检测仪检测的过程。实验室取样分析技术主要有：称重法，只能测定油液的污染物重量，无法测定颗粒大小和尺寸分布和浓度。铁谱分析法，主要是针对铁磁性磨粒污染物，如中国矿业大学研制的直读式铁谱仪、旋转式铁谱仪等，得到了较广范的应用。这些方法的特点是耗时长、误差大、不能进行现场在线测定，有的需要昂贵
的精密仪器。便携式检测仪检测技术：目前，主要是一些基于颗粒的遮光性能、光散射原理、透光原理等制成的颗粒计数分析仪器，可以在工程现场对油液进行在线和离线取样、检测，检测速度快、精度高，适合工程现场测试。这种测试仪器在欧美一些国家发展快快，如美国太平洋科学仪器公司的HIAC/ROYCO系列产品，英国MALVERN公司的士600EC型激光分析仪，可对油液进行在线和瓶子取样分析，多通道计数，定量测出油液中污染颗粒的尺寸及分布情况，计数精度高，并设有与PC机进行通讯的RS232接口，便于油样的微机辅助分析及故障诊断。但这些仪器价格比较昂贵，不便于推广应用。在线快速检测技术：由于油液中颗粒分布符合对数正态分布规律，因此利用光、电、超声波等在颗粒污染度不同的油液中的传导性能的差异，可以进行在线识别、分析油液中的颗粒污染度。如在油箱或油管里相隔一段距离设置超声波的发射与接收传感器，当通过两探头间的油液中杂质发生变化时，则超声波从发射端到接收端的传播时间与强度也随多发生变化，通过微机数据处理，可测定油液的污染状况；利用微机实时监测液压系统滤油器两端的压差及其变化，通过信号分析可得到系统油液的污染状况等。这些油液污染度在线检测方法原理简单，代表了未来实用油液快速污染检测仪的发展方向。但这种基于信
号传导的油液分析技术，由于传导信号的强弱及相差与油液的温度、流态、水分及空气含量等多因素有关，需要较多的预处理过程，目前还处在实验研究阶段。
（2）基于油液理化性能参数检测的故障诊断法
由于液压元件各相对运动部分的材料不同，液压油中金属、非金属元素的含量及其变化反映了液压系统中磨损及密封状态；液压油的粘度、酸碱值等理化指标的改变也是系统状态发生变化的征兆之一。因此根据经验或专家知识，建立基于液压油中理化性能变化与液压系统及其元件状态参数间的关系库，运用专家推理机制，预测和判定系统的故障。如铅、铜、铬等含量的急剧增加，这意味着含有相同元素的元件发生了剧烈磨损；硅含量的剧增，意味着外界灰分的大量侵人；粘度的变小，意味着水分侵人、系统温度过高等等。此项技术的关键是对污染油液的化学成分及性能的准确测定，对油液中化学成分进行分析，目前多采用光谱分析法，如原子发射光谱法、原子人射光谱法等。 这种油液性质分析方法，需要对油液的有关参数及金属含量进行细致的分析，监测周期长，不适合液压系统故障的在线检测，在重要液压系统的准确可靠故障诊断方面有较大的发展前景。