液壓系統(tǒng)故障快速檢測技術(shù)研究

黨躍軒，陳樹海，周 威，劉桂波，李 偉，康維新，胡天明

（1.黑龍江工程學院，黑龍江 哈爾濱150050；2.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

液壓傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)輕巧、傳動比大、運行平穩(wěn)、能有效防止過載、易于實現(xiàn)無級調(diào)速和自動化及自動控制、遠距離操縱等優(yōu)點，已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。但由于液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，其內(nèi)部狀態(tài)又難以觀測，容易發(fā)生故障，給液壓系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測和日常維護保養(yǎng)帶來一定的困難。液壓系統(tǒng)故障快速檢測的任務就是在液壓系統(tǒng)運行過程中不拆卸或少拆卸的情況下對壓力、溫度、流量等狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，掌握設備運轉(zhuǎn)狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

本文進行基于虛擬儀器的液壓系統(tǒng)故障現(xiàn)場快速檢測技術(shù)研究，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)工作過程中各種參數(shù)的計算機采集與數(shù)據(jù)處理，并自動生成性能曲線，形成一個自動化程度高、操作簡便、人機界面友好、數(shù)據(jù)處理能力強的液壓系統(tǒng)故障快速檢測設備。

1 現(xiàn)場快速診斷儀器的發(fā)展方向

隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和通信技術(shù)飛速發(fā)展及不同學科之間的融合，液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)已逐漸從傳統(tǒng)主觀分析方法，向虛擬化、便攜式、多功能、智能化的方向發(fā)展。

1）虛擬化。虛擬化是指監(jiān)測與診斷儀器的虛擬化。LabVIEW具有強大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理能力，測試過程準確，操作簡單，測試數(shù)據(jù)和結(jié)果輸出迅速、直觀，能夠直接通過軟件進行系統(tǒng)的性能分析處理，為開發(fā)通用的液壓元件、系統(tǒng)計算機輔助現(xiàn)場快速檢測系統(tǒng)提供了便利條件。

2）便攜式。液壓系統(tǒng)現(xiàn)場故障診斷儀器向便攜式方向發(fā)展是現(xiàn)場故障診斷的必然要求，因為現(xiàn)場故障診斷受工作環(huán)境、技術(shù)條件和人員數(shù)量等諸多方面的限制，只能使用功能多、體積小和重量輕的便于攜帶的“萬用表”式的儀器，這也是現(xiàn)場故障診斷儀器向便攜式功能方向發(fā)展的一個重要原因。

3）多功能。液壓系統(tǒng)故障診斷儀器向多功能方向發(fā)展表現(xiàn)在3個方面：一是儀器用途的多方面，即1臺儀器即可以用作系統(tǒng)故障診斷，也可以用作系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控，還可以用作其它儀器的標定；二是儀器本身不僅能對多種參數(shù)進行檢測，而且還具有對所檢測的參數(shù)進行顯示、計算和處理的功能，三是單臺儀器能對某項參數(shù)進行多點位檢測。

4）智能化。隨著機電液技術(shù)日益結(jié)合，使得液壓系統(tǒng)越來越復雜，故障診斷越來越困難，這就要求現(xiàn)代診斷儀器不僅具有對被測參數(shù)進行感知和顯示的一般功能，還應當具有對被測參數(shù)進行計算、分析、識別和處理等智能化功能。

2 液壓系統(tǒng)故障快速檢測技術(shù)

2.1 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)故障快速檢測系統(tǒng)采用筆記本電腦進行數(shù)據(jù)采集，利用USB總線進行數(shù)據(jù)采集和傳感器的供電，無需外接電源或充電，使用方便，即插即用。本系統(tǒng)主要由嵌入加載閥的F6100集成式傳感器、美國NI公司的USB－6009數(shù)據(jù)采集卡、升壓電路、信號轉(zhuǎn)換電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 檢測系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用面向?qū)ο蟮奶摂M儀器開發(fā)平臺LabVIEW軟件開發(fā)，主要功能是對所采集的液壓系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等參數(shù)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、顯示、處理、存儲和故障的判斷與報警等工作。主要包括檢測參數(shù)的采集與顯示、報警參數(shù)值設置、故障狀態(tài)報警等功能，并可將檢測數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)保存成數(shù)據(jù)文件。功能框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊在安裝NI－DAQ程序后，就可以通過VC＋＋ 來使用NI USB－6009上安裝的Easy I／O for DAQ函數(shù)庫，實現(xiàn)USB－6009數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動。該系統(tǒng)采用多個模擬輸入通道同時采集多個通道的壓力、溫度、流量信號，多通道采集程序如圖3所示。由于機械設備作業(yè)時其工況比較復雜，液壓系統(tǒng)中經(jīng)常有各種干擾存在，系統(tǒng)所檢測到的信號中不可避免地存在大量的噪聲信號，對采樣數(shù)據(jù)進行傅立葉變換（FFT），對信號的頻譜特性進行分析和濾波。

2.2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊提供實時的圖形和數(shù)字界面，用于監(jiān)測與記錄液壓系統(tǒng)的壓力、溫度及流量參數(shù)。為顯示圖形與數(shù)值，主屏上還有菜單欄、帶常用功能的按鈕及報警指示燈。數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示。

圖3 多通道采集程序

圖4 液壓故障快速檢測裝置軟件界面

檢測時，系統(tǒng)將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為工況參數(shù)實際值，在數(shù)據(jù)顯示模塊用3條曲線分別記錄液壓系統(tǒng)壓力、溫度、流量等參數(shù)在檢測期間的數(shù)據(jù)變化趨勢，主屏上的圖形最多可包含當前的60個數(shù)據(jù)點，先前的數(shù)據(jù)點被存入存儲器，隨時可以調(diào)出瀏覽。通過隱藏部分曲線，調(diào)節(jié)坐標比例，添加水平格線等，調(diào)節(jié)曲線來優(yōu)化顯示的數(shù)據(jù)與圖形，同時以數(shù)值方式顯示當前值。

2.2.3 報警參數(shù)設置模塊、故障數(shù)據(jù)報警模塊和報警數(shù)據(jù)記錄模塊

報警參數(shù)設置模塊用于設置液壓系統(tǒng)正常工作時壓力、溫度、流量等參數(shù)的上下限值。

報警模塊主要是當被測系統(tǒng)的物理參數(shù)超過正常范圍時通過報警指示燈或者報警聲音提醒操作人員有異?，F(xiàn)象發(fā)生，并根據(jù)異常參數(shù)的具體數(shù)字判斷應該采取的措施。主要功能：當檢測數(shù)據(jù)超過設置值時，系統(tǒng)報警，數(shù)據(jù)顯示界面中檢測參數(shù)當前值顯示區(qū)的相應指示燈變紅閃亮。

故障數(shù)據(jù)報警子VI程序如圖5所示。

圖5 故障數(shù)據(jù)報警子VI程序

報警數(shù)據(jù)記錄模塊可以將檢測期間發(fā)生的超出正常工作范圍的故障數(shù)據(jù)進行記錄并顯示。

2.2.4 檢測報告生成模塊

檢測報告生成模塊可以將采樣數(shù)據(jù)以兩種文件格式進行保存。一種是將采集數(shù)據(jù)存為Lab－VIEW特有的動態(tài)數(shù)據(jù)紀錄形式的文件，通過波形回放將保存起來的采樣紀錄重新通過數(shù)字或曲線波形的形式顯示出來，以供分析。另一種是存為電子表格文件，使技術(shù)人員能夠方便地使用Excel電子表格程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)文件進行訪問，掌握設備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆并加以控制排除，檢測報告如圖6所示。

圖6 檢測報告

3 檢測系統(tǒng)使用

使用該系統(tǒng)可進行液壓泵、溢流閥、方向控制閥和雙向液壓馬達測試、雙作用缸測試、液壓傳動裝置診斷等測試項目。使用時首先按測試項目要求將嵌入加載閥的F6100集成式傳感器接入液壓系統(tǒng)，然后旋轉(zhuǎn)手柄將加載閥完全打開，啟動液壓泵使其達到額定轉(zhuǎn)速，逐步關(guān)閉加載閥使系統(tǒng)壓力上升到略低于溢流閥設置壓力，直到液壓油溫度上升到系統(tǒng)要求的工作溫度，將加載閥完全打開，按測試項目步驟要求進行測試，檢測系統(tǒng)將實施采集、記錄液壓系統(tǒng)的壓力、溫度和流量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用虛擬儀器技術(shù)，通過計算機USB總線進行數(shù)據(jù)采集和對傳感器組進行供電，采用嵌入加載閥的集成式壓力、溫度和流量傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，連接操作方便，便于攜帶和使用?；贚abVIEW平臺開發(fā)了軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集整個界面設計成虛擬儀器風格，實現(xiàn)了多種控制功能和顯示功能，界面友好。該系統(tǒng)能夠利用一個測點對壓力、溫度、流量等狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，有效地提高了液壓系統(tǒng)故障檢測與診斷的效率，為機械設備的現(xiàn)場檢測與故障診斷維修提供有力的保證。

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