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液压系统故障诊断的发展趋势
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随着数据处理技术、计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展,以及不同学科之间的融合,液压系统的故障诊断技术已经逐渐从传统的主观分析方法,向着虚拟化、高精度化、状态化、智能化、网络化、交叉化的方向发展。
(1)虚拟化
虚拟化是指监测与诊断仪器的虚拟化。传统仪器是由工厂制造的,其功能和技术指标都是由厂家定义好的,用户只能操作使用,仪器的功能和技术指标一般是不可更改的。随着计 算机技术、微电子技术和软件技术的迅速发展和不断更新,在国际上出现了在测试领域挑战 整个传统测试测量仪器的新技术,这就是虚拟仪器技术。
“软件就是仪器”,反映了虚拟仪器技术的本质特征。 一般来说,基于计算机的虚拟仪器系统主要是由计算机、软面板及插在计算机内外扩槽中的板卡或标准机箱中的模块等硬件组成,有些虚拟仪器还包括有传统的仪器。由于其具有开发环境友善,具有开放性和柔性,若增加新的功能可方便地由用户根据自己的需要对软件作适当的改变即可实现,用户可以不必 懂得总线技术,不必掌握面向对象的语言,即可将其应用于液压系统乃至整个机械设备监测与诊断仪器及系统,可以是一个新的发展方向。
(2)高精度化
高精度化,是指在信号处理技术方面提高信号分析的信噪比。不同类型的信号具有不同的特点,即使是同一类型的信号也可以从不同的角度进行描述和分析,以揭示事物不同侧面之间的内在规律和固有特性。对于液压系统而言,其信号、参数通常是瞬态的、非线性的、 突变的,而传统的时域和频域分析只适用于稳态信号的分析,因此往往不能揭示其中隐含的故障信息,这就需要寻找一种能够同时表现信号时域和频域信息的方法,时频分析就应运而生。小波分析就是这种分析的一种典型应用,将小波理论应用于这些信号的处理上,可以大大提高其分辨率。可以预见,信号分析处理技术的发展必将带动故障诊断技术的高精度化。
(3)状态化
状态化是对监测与诊断而言。据美国设备维修专家分析,有将近1/3的维修费用属于“维修过剩”造成的费用。原因在于:目前普遍采用的预防性定期检修的间隔周期是根据统 计结果确定的,在这个周期内仅有2%的设备可能出现故障,而98%的设备还有剩余的运行  寿命,这种谨慎的定期大修反而增加了停机率。美国航空公司对235套设备普查的结果表  明,66%的设备由于人的干预,破坏了原来的良好配合,降低了可靠性,造成故障率上升。 因此,将预防性定期维修逐步过渡到“状态维修”已经成为提高生产率的一条重要途径,也  是现代设备管理的需要。随着科技的发展,可以利用传感技术、电子技术、计算机技术、红  外测温技术和超声波技术,跟踪液体流经管路时的流速、压力、噪声的综合载体信号产生的  时差流量信号和压力信号,并结合现场的各种传感器,对液压系统动态参数(压力、流量、 温度、转速、密封性能)进行“在线”实时检测。这就能从根本上克服目前对液压系统“解体体检”的弊端,并能实现监测与诊断的状态化,解决“维修不足”与“维修过剩”的矛盾。
(4)智能化
随着人工智能技术的迅速发展,特别是知识工程、专家系统和人工神经网络在诊断领域中的进一步应用,人们已经意识到其所能产生的巨大的经济和社会效益。同时由于液压系统 故障所呈现的隐蔽性、多样性、成因的复杂性和进行故障诊断所需要的知识对领域专家实践 经验和诊断策略的严重依赖,使得研制智能化的液压故障诊断系统成为当前的趋势。以数据处理为核心的过程将被以知识处理为核心的过程所替代;同时,由于实现了信号检测、数据 处理与知识处理的统一 ,使得先进技术不再是少数专业人员才能掌握的技术,而是一般设备操作工人所使用的工具。
(5)网络化
随着社会的进步,现代大型液压系统非常复杂、十分专业,需要设备供应商的参与才能 对它的故障进行快速有效的诊断,而设备供应商和其他专家往往身处异地,这就使建立基于 Internet的远程在线监测与故障诊断成为开发液压系统故障诊断的必然趋势。远程分布式设备状态监测和故障诊断系统的典型结构如图1-2所示。
首先在企业的各个分厂的关键液压设备上建立实时监测点,实时监测系统进行在线监测 并采集故障诊断所需的设备状态数据,并上传到厂级诊断中心;同时在企业内部建立企业级 诊断中心,在技术力量较强的科研单位和设备生产厂家建立远程诊断中心。当然,并不是所 有的诊断系统都需要建立企业级诊断中心。 一般来说,对于生产规模比较大和分散的企业 (如跨国企业等)可以构建企业级诊断中心,而对于小型的企业通常不需要。此外,对于数据传输时是采用专用网线、电话线,还是无线传输,这得根据企业的实际情况了。
当液压设备出现异常时,实时监测系统首先做出反应,实行报警并采取一些应急措施,并在厂级诊断中心进行备案和初步的诊断;厂级诊断中心不能自行处理的,则开始进入企业  级诊断(没有企业级诊断中心的,则直接进入远程诊断中心);而对于企业级诊断中心也不  能解决的故障,则由企业级诊断中心通过计算机网络或卫星将获得的故障信息送到远程的诊  断中心,远程诊断中心的领域专家或专家系统软件通过对传过来的数据进行分析,得出故障  诊断结论和解决方案,并通过网络反馈给用户。
当前,在构建远程故障诊断系统时,很少把设备制造厂家列为主要角色之一 。这就意味着在进行设备的故障诊断时,不能充分利用到设备设计制造的有关数据资料。无论是从设备使用方,还是从设备生产方来说,这都会造成一种无形的损失。对设备使用方来说,他们无  法充分享受设备的售后服务;而对于设备生产方,则难以从大量的设备运行历史记录中发现有价值的知识用于设备的优化设计和制造,同时丧失树立企业良好形象的机会。因此,在构 建远程故障诊断系统时,为了充分发挥设备生产厂家在远程诊断中的作用,需要各分布式的 设备生产厂家的积极参与,实现更大范围的资源共享。
(6)交叉化
交叉化是指设备的故障诊断技术与人体医学诊断技术的发展交又化。从广义上看,机械 设备的故障诊断与人体的医学诊断一样,它们之间应该具有相通之处。特别是液压系统,更 是如此。因为液压系统的组成与人体的构成具有许多可比性:液压油如同人的血液,液压泵 如同人的心脏,压力表如同人的眼睛,执行元件如同人的四肢,而控制系统和传感器就如同 人的大脑和神经,不断根据执行元件的反馈信息发出各种控制指令。
同整个机械设备的故障诊断技术相比,人体的医学诊断发展至今,已经发展得相当完 美。机械设备的故障诊断技术自20世纪60年代开始至今,其发展史只是人体医学发展历史  长河中的一滴,借鉴人体的医学诊断技术,可以使我们在设备诊断技术上取得突破,少走许 多弯路。远程故障诊断从医学领域成功向机械设备领域的扩展就是一个很好的例子。此外, 油液分析就可以说是液压系统的抽血化验,所以笔者为了引起使用者对液压油清洁度的重 视,在给学生授课以及给相关液压控制系统的用户进行培训和解决现场系统故障时,经常做 出这样的比喻:“油液被污染的液压系统就相当于人患了白血病”。目前虽说油液分析已应用 得比较广泛,但从人体的血检所能获得的信息来看,油液中所能获取的设备故障信息远远不 止目前的这些,应该进行深入的研究。随着科学技术的进一步发展,这必然为人们所认识。
综上所述,液压设备往往是结构复杂而且是高精度的机、电、液一体化的综合系统,系 统具有机液耦合、非线性、时变性等特点。引起液压故障的原因较多,加大了故障诊断的难度。但是液压系统故障有着自身的特点与规律,正确把握液压系统故障诊断技术的发展方向,深入研究液压系统的故障诊断技术不仅具有很强的实用性,而且具有很重要的理论 意义。

 

 

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