基于D-S 理論和AMESim 技術(shù)的液壓缸泄漏故障診斷仿真研究

蔡偉，徐文華，李慧

(第二炮兵工程大學(xué)二系，陜西西安710025)

泄漏是液壓缸的常見故障之一，可分為外泄漏和內(nèi)泄漏兩種。傳統(tǒng)的外泄漏檢測方法往往采用是通過肉眼觀察缸體外部及連接處是否有油液滲出來判定是否有外泄漏，或者將液壓缸進行拆解以檢測是否有內(nèi)泄漏發(fā)生。這些方法存在著操作復(fù)雜、存在安全隱患等問題。近年來新發(fā)展的非介入式檢測技術(shù)能夠在不對設(shè)備進行拆解的條件下，實現(xiàn)裝備狀態(tài)信息的獲取，有效地解決了測試安全性隱患，但同時存在測試精度不高的問題，影響了診斷結(jié)果可信度。

D-S 理論是針對事件發(fā)生后的結(jié)果探求事件發(fā)生的主要原因。對于具有主觀不確定性判斷的多屬性診斷問題，D-S 理論是一種融合主觀不確定性信息的有效手段。在液壓缸泄漏故障診斷中，可利用故障狀態(tài)下的壓力、流量及活塞桿行程信息去探求液壓缸的具體故障類型。

作者首先在理論上論證D-S 理論在液壓缸泄漏故障診斷中應(yīng)用的可行性，之后利用AMESim 軟件對液壓缸在正常工作及發(fā)生內(nèi)、外泄漏故障等不同狀態(tài)下的壓力、流量和活塞桿行程信號進行仿真，實現(xiàn)D-S理論在泄漏故障診斷方面的實際應(yīng)用。

1 建模仿真軟件AMESim

AMESim?軟件是IMAGINE 公司于1995 年推出的專門用于液壓/機械系統(tǒng)的建模、仿真及動力學(xué)分析的軟件。在液壓系統(tǒng)仿真過程中，可以達到以下要求:

(1)可仿真液壓缸正常狀態(tài)及內(nèi)泄漏狀態(tài);

(2)可得到不同狀態(tài)下液壓缸進油腔壓力、進出油腔壓力差以及活塞桿行程數(shù)據(jù)。

2 信度函數(shù)分配及數(shù)據(jù)融合

利用傳感器獲取的信息中不僅包含對各類故障的支持度，也將引入一定的不確定性。信度函數(shù)分配就是針對傳感器輸出信息中的支持度和不確定性進行量化，其計算公式為:

式中:Cj(ui)是傳感器j 對目標(biāo)模式ui的相關(guān)系數(shù)，其中i=1，2，…，Nc;Nc為目標(biāo)模式數(shù)目，且必須大于1;Ns是傳感器總數(shù);Wj是傳感器j 的環(huán)境加權(quán)系數(shù)，介于0 到1 之間;αj是傳感器j 的最大相關(guān)系數(shù);βj是傳感器j 的相關(guān)分配值;Rj是傳感器j的可靠性系數(shù)。

傳感器j 對目標(biāo)模式ui的信度函數(shù)為:

傳感器j 的不確定性θ 的信度函數(shù)為

多傳感器數(shù)據(jù)融合有3 種基本方法: (1)直接進行傳感器數(shù)據(jù)融合; (2)以特征向量表示傳感器數(shù)據(jù)，然后進行特征向量融合; (3)對每個傳感器數(shù)據(jù)進行處理，獲得高層推論或決策，然后進行決策級融合。作者采用的是決策層融合中的D-S 數(shù)據(jù)融合方法。

在液壓缸的進油腔和出油腔分別設(shè)置超聲波流量傳感器S1 和S2，并利用S1-S2 獲取液壓缸進出油腔的流量差信號;在進油管設(shè)置超聲壓力傳感器S3，獲取液壓缸進油腔的壓力信號;在液壓缸外側(cè)設(shè)置伸縮式位移傳感器S4，測量液壓缸活塞桿行程。

設(shè)液壓缸故障域為:u1表示液壓缸內(nèi)泄漏，u2表示正常狀態(tài)，u3表示液壓缸外泄漏，不確定性由θ表示。

經(jīng)信度函數(shù)分配后得到各類傳感器對內(nèi)、外泄漏及不確定性的信度函數(shù)分別為:

首先對傳感器S1-S2 和S3 的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合:

由公式(9)得到第一步數(shù)據(jù)融合結(jié)果:

再和傳感器S4 的數(shù)據(jù)進行融合:

由公式(10)得到第二步的融合結(jié)果，也就是最終的融合結(jié)果:

3 仿真過程

液壓系統(tǒng)仿真模型如圖1 所示，在草圖下搭建其模型結(jié)構(gòu)，在子模型模式下為每個模塊選取子模型，在參數(shù)模式下設(shè)置參數(shù):發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 480 r/min;泵的排量設(shè)置為63 mL/r，轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000 r/min;三位四通換向閥各路流量設(shè)置為90 L/min，壓降設(shè)置為0.01 MPa，阻尼比設(shè)置為0.8，閥芯固有頻率設(shè)置為50 Hz，額定電流設(shè)置為200 mA;活塞直徑設(shè)置為25 mm，活塞桿直徑設(shè)置為15 mm;液壓缸內(nèi)泄漏狀態(tài)下設(shè)置為5 L/ (min·MPa);外泄漏設(shè)置的節(jié)流閥流量設(shè)置為5 L/ (min·MPa);三位四通換向閥信號源設(shè)置為常數(shù)50。其他參數(shù)均按默認值設(shè)置。

圖1 液壓系統(tǒng)仿真模型圖

仿真過程為:

(1)正常狀態(tài)下，將液壓缸泄漏設(shè)置為0;

(2)內(nèi)泄漏狀態(tài)下，將液壓缸內(nèi)泄漏設(shè)置為5 L/ (min·MPa);

(3)外泄漏狀態(tài)下，將兩位兩通換向閥通電，液壓缸泄漏設(shè)置為0。

得到不同狀態(tài)下進油腔壓力、進出油腔壓力差及桿行程的數(shù)據(jù)如圖2—4 所示。仿真時間為10 s。

圖2 不同狀態(tài)下進油腔壓力曲線

圖3 不同狀態(tài)下進出油腔流量差曲線

圖4 不同狀態(tài)下桿行程曲線

對上述仿真結(jié)果進行處理，對其進行特征提取，現(xiàn)將液壓缸內(nèi)泄漏設(shè)置為3 L/ (min·MPa)，得到其進油腔壓力曲線、進出油腔流量差曲線和桿行程曲線，如圖5—7 所示。

圖5 3 L/(min·MPa)內(nèi)泄漏狀態(tài)下進油腔壓力曲線

將測試信號曲線進行特征提取后數(shù)據(jù)代入到公式中，得到該狀態(tài)下的隸屬度，進而得到各類傳感器對不同故障類型的信度函數(shù)，最終利用D-S 數(shù)據(jù)融合方法得到傳感器組對各類故障的一致性描述，進而完成對故障類型的判別。信度函數(shù)分配見表1。

圖6 3 L/(min·MPa)內(nèi)泄漏狀態(tài)下進出油腔流量差曲線

圖7 3 L/(min·MPa)內(nèi)泄漏狀態(tài)下桿行程曲線

表1 信度函數(shù)分配

4 結(jié)論

將D-S 理論引入到液壓缸泄漏故障診斷領(lǐng)域，仿真結(jié)果說明:這種方法可實現(xiàn)非介入式泄漏故障診斷，可避免液壓缸的拆解及單傳感器的低精度問題，為液壓缸泄漏故障診斷提供了一項新的檢測技術(shù)。

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