動(dòng)力平板車自動(dòng)潤(rùn)滑故障診斷系統(tǒng)開發(fā)

劉 潤(rùn)，上官林建，姚林曉，運(yùn)紅麗，吳 松

(華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045)

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動(dòng)力平板車自動(dòng)潤(rùn)滑故障診斷系統(tǒng)開發(fā)

劉 潤(rùn)，上官林建，姚林曉，運(yùn)紅麗，吳 松

(華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045)

針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)故障率高、診斷技術(shù)落后的問題，提出了故障樹分析與專家系統(tǒng)相結(jié)合的潤(rùn)滑系統(tǒng)故障診斷方法。通過分析125型動(dòng)力平板車潤(rùn)滑系統(tǒng)的故障機(jī)理，建立了故障樹并以此為診斷模型構(gòu)建出知識(shí)庫(kù)，再結(jié)合相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)了故障的診斷與定位。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

潤(rùn)滑系統(tǒng)；故障診斷；故障樹；液壓系統(tǒng)；動(dòng)力平板車

0 引言

潤(rùn)滑系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行不可或缺的部分，常見的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)有單線遞進(jìn)式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)、單線卸荷式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)、雙線式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)[1-4]以及多點(diǎn)柱塞泵分布式潤(rùn)滑系統(tǒng)[5]。上述系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)人工潤(rùn)滑，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量泵送潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂到各潤(rùn)滑點(diǎn)的自動(dòng)潤(rùn)滑。

通常，潤(rùn)滑系統(tǒng)管路較長(zhǎng)，系統(tǒng)多為裸露狀態(tài)，且應(yīng)用于不同載體時(shí)工況復(fù)雜多變，因此故障率高。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)以稀油為介質(zhì)的液壓系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行了大量研究，其主要診斷方法有模糊推理法[6]、專家系統(tǒng)法[7]、反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8]和多傳感數(shù)據(jù)融合法[9-10]。模糊推理法善于處理不確定信息，但學(xué)習(xí)能力差，難以建立完整隸屬函數(shù)，且故障無(wú)法被定位到底事件。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法并行處理能力強(qiáng)，有自學(xué)習(xí)和容錯(cuò)能力，但對(duì)樣本數(shù)量和質(zhì)量要求高，且診斷結(jié)果不直觀。專家系統(tǒng)法推理嚴(yán)密、可靠性高，但推理過程復(fù)雜，知識(shí)難以有效表達(dá)。多傳感數(shù)據(jù)融合法為非標(biāo)定制，尚未通用。此外，以潤(rùn)滑脂為介質(zhì)的潤(rùn)滑系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)研究較少，故障不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)故障后，主要憑借工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)排查維修，效率較低，依賴性強(qiáng)，自動(dòng)化程度低。在中國(guó)制造2025、工業(yè)4.0及“潤(rùn)滑經(jīng)濟(jì)”的背景下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、按需供油及智能故障診斷已成為潤(rùn)滑系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文以125型動(dòng)力平板車潤(rùn)滑系統(tǒng)為例，采用故障樹分析與專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法研究潤(rùn)滑系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)與診斷。

1 自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)

動(dòng)力平板車是用于大型工業(yè)設(shè)備運(yùn)輸?shù)奶胤N工程車輛，作業(yè)工況環(huán)境惡劣，經(jīng)常處于高負(fù)荷狀態(tài)，啟停頻繁，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)條件差，潤(rùn)滑要求極為苛刻，其中懸掛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為潤(rùn)滑需求較密集的部位。以鄭州新大方重工科技有限公司125型動(dòng)力平板車潤(rùn)滑系統(tǒng)為例，該型平板車共有94點(diǎn)需要進(jìn)行潤(rùn)滑，各潤(rùn)滑點(diǎn)的位置、數(shù)量及需油量等參數(shù)如表1所示。整個(gè)車體縱向分為A端和B端，潤(rùn)滑點(diǎn)對(duì)稱分布且數(shù)量相同，因此，圖1只列出了A端潤(rùn)滑點(diǎn)的分布。

根據(jù)該動(dòng)力平板車的潤(rùn)滑點(diǎn)分布及需油量，綜合考慮不同類型潤(rùn)滑系統(tǒng)優(yōu)劣，選取單線遞進(jìn)式潤(rùn)滑系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行研究。其中，泵站規(guī)格為：額定工作電壓24 V，額定工作電流3 A，最大工作壓力30 MPa，雙出油口的油箱4.5 L，采用片式遞進(jìn)分配器。該潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

表1 125型動(dòng)力平板車潤(rùn)滑點(diǎn)參數(shù)

1.懸掛架與懸掛油缸接點(diǎn)；2.懸掛架與擺臂 接點(diǎn)；3.轉(zhuǎn)向連桿與中心轉(zhuǎn)臂接點(diǎn)；4.轉(zhuǎn)向架 回轉(zhuǎn)中心；5.轉(zhuǎn)臂與連桿接點(diǎn)；6.懸掛回轉(zhuǎn) 軸承；7.擺臂與懸掛油缸接點(diǎn)；8.擺臂與車橋 接點(diǎn)；9.轉(zhuǎn)向油缸與油缸固定座接點(diǎn)；10.轉(zhuǎn)向 油缸與中心轉(zhuǎn)臂接點(diǎn)。圖1 125型動(dòng)力平板車A端潤(rùn)滑點(diǎn)分布

遞進(jìn)式分配器的結(jié)構(gòu)組成及工作原理決定了潤(rùn)滑系統(tǒng)具有較高的可靠度，任一分配器出油口堵塞就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)[11-12]，同時(shí)也帶來(lái)了故障難以定位的難題。目前，故障的解決辦法是：維護(hù)人員首先全局排查沿線接口、各段管路是否有損壞、泄漏；然后，依照潤(rùn)滑泵站-主分配器-二級(jí)分配器-潤(rùn)滑點(diǎn)的次序進(jìn)行逐項(xiàng)隔離檢修。這種辦法效率較低，且在拆裝隔離時(shí)易造成二次故障[13]。因此，開發(fā)故障診斷系統(tǒng)應(yīng)盡量避免拆裝，可通過添加傳感器并結(jié)合一定的算法，達(dá)到故障預(yù)警和定位的目的。本文擬通過引入故障樹的方法，將系統(tǒng)各硬件及其關(guān)系轉(zhuǎn)化為故障因果模型，再結(jié)合潤(rùn)滑領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和策略，構(gòu)造出該故障診斷模型，集中潤(rùn)滑故障診斷系統(tǒng)構(gòu)架如圖3所示。

圖2 125型動(dòng)力平板車潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 集中潤(rùn)滑故障診斷系統(tǒng)構(gòu)架

2 基于故障樹的知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

故障樹是在研究系統(tǒng)失效與引起失效的各種直接事件和間接事件之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立的反映這些事件間邏輯關(guān)系的樹狀模型[14]，其建立方法通常有演繹法和合成法[15]。本文的潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用演繹法可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加徹底地分析，同時(shí)兼顧環(huán)境條件及人為因素對(duì)系統(tǒng)的影響。

頂事件是故障樹的入口，是最不希望發(fā)生的故障，對(duì)于本文的潤(rùn)滑系統(tǒng)，選取潤(rùn)滑點(diǎn)無(wú)油脂作為頂事件。引起該頂事件的原因宏觀上分為潤(rùn)滑系統(tǒng)故障和潤(rùn)滑點(diǎn)故障，潤(rùn)滑系統(tǒng)故障又進(jìn)一步分為4種不同的情況，其相互間存在邏輯“或”關(guān)系，逐項(xiàng)細(xì)分直到事件不能被繼續(xù)分解，由此便得到集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的故障樹，如圖4所示。

圖4 集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的故障樹

該故障樹清晰地反映了造成潤(rùn)滑失效的各種可能事件以及它們之間的關(guān)系，通過模塊化處理，可將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序可調(diào)用的知識(shí)庫(kù)，即標(biāo)記出故障樹中各個(gè)獨(dú)立模塊，然后以數(shù)據(jù)表的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。首先對(duì)故障樹中的事件進(jìn)行編碼，然后采用基于Tarjan算法的深度優(yōu)先遍歷方法進(jìn)行獨(dú)立模塊識(shí)別，通過遍歷搜索對(duì)每個(gè)事件設(shè)置5個(gè)標(biāo)記。

首次搜索到該事件時(shí)的步數(shù)記為i，再次搜索到該事件時(shí)的步數(shù)記為j，最后一次搜索到該事件時(shí)的步數(shù)記為k。

如果i=j，則該事件為底事件。

對(duì)于中間事件N，則iN

如果iNmax，則N為獨(dú)立模塊，存儲(chǔ)時(shí)type記為0。

按照以上算法可以得到事件潤(rùn)滑點(diǎn)故障和事件終端油路故障等故障樹的非獨(dú)立模塊。

最后，采用“兄弟孩子表示法”建表存儲(chǔ)，生成知識(shí)庫(kù)，方便程序查詢。

除此之外，知識(shí)庫(kù)中還包含了由潤(rùn)滑領(lǐng)域?qū)＜液凸こ處熖峁┑脑\斷結(jié)論表，即故障樹中各底層故障對(duì)應(yīng)的解釋和維修建議等信息。該內(nèi)容通過故障ID與故障樹存儲(chǔ)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可直接被解釋機(jī)制調(diào)用，通過人機(jī)接口為用戶提供診斷結(jié)果。

3 推理機(jī)的構(gòu)建

推理機(jī)是故障診斷系統(tǒng)的核心[16]，其任務(wù)是獲取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，利用知識(shí)庫(kù)按照一定的診斷策略對(duì)故障進(jìn)行預(yù)警、分析處理以及結(jié)合解釋機(jī)制輸出診斷結(jié)果?，F(xiàn)有的遞進(jìn)式潤(rùn)滑系統(tǒng)，在其主分配器處安裝霍爾傳感器以配合控制器完成循環(huán)記數(shù)，而無(wú)故障診斷和定位功能，因此配合上述知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)故障診斷必須添加檢測(cè)元件。本文遵循添加元件數(shù)量最少、對(duì)原系統(tǒng)影響最小以及經(jīng)濟(jì)適用的原則，在各二級(jí)分配器尾片上加裝霍爾傳感器，在主油路出口添加二位三通閥，其出口A為原油路，出口B接壓力繼

圖5 故障診斷流程

電器，并添加泵電機(jī)電壓電流檢測(cè)器。該系統(tǒng)的推理規(guī)則為：正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，二位三通閥為A路常開，電壓電流均在閾值范圍內(nèi)，各霍爾傳感器會(huì)依次響應(yīng)。當(dāng)平板車出現(xiàn)潤(rùn)滑點(diǎn)無(wú)油脂故障時(shí)，二位三通閥切換至B路，重啟泵站，如壓力繼電器響應(yīng)則泵站正常，反之泵站故障。然后，根據(jù)電壓電流采集值、霍爾傳感器信號(hào)序列等與知識(shí)庫(kù)比對(duì)，可推斷鎖定故障樹中對(duì)應(yīng)底層事件。對(duì)于不確定的故障則顯示轉(zhuǎn)人工檢測(cè)，但此時(shí)故障檢測(cè)范圍已大幅縮小，而已確認(rèn)的故障通過解釋機(jī)制在人機(jī)接口顯示相應(yīng)的結(jié)果和解決方案，至此，便完成了故障診斷。故障診斷流程如圖5所示。

4 故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

該潤(rùn)滑系統(tǒng)與動(dòng)力平板車液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相互獨(dú)立，因此對(duì)其可單獨(dú)進(jìn)行功能驗(yàn)證?；诎踩统杀究紤]，本試驗(yàn)在車體停機(jī)只運(yùn)行潤(rùn)滑系統(tǒng)的狀態(tài)下，通過人工現(xiàn)場(chǎng)模擬故障的方式來(lái)進(jìn)行。潤(rùn)滑故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的硬件組成如表2所示。為提高試驗(yàn)的可靠度，采集潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)傳感器的真實(shí)數(shù)據(jù)，并與相應(yīng)的通過NI DAQ數(shù)據(jù)采集卡輸出給診斷系統(tǒng)的模擬傳感信號(hào)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，兩組單因素試驗(yàn)的方案及結(jié)果如表3所示。由表3可看出：本文方法可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)與診斷。

表2 潤(rùn)滑故障監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)硬件組成

表3 兩組單因素試驗(yàn)的方案及結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以125型動(dòng)力平板車為例，根據(jù)其潤(rùn)滑點(diǎn)需求設(shè)計(jì)了配套的集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，以硬件布局為基礎(chǔ)構(gòu)建了故障診斷系統(tǒng)框架。采用演繹法建立潤(rùn)滑系統(tǒng)故障樹模型，然后基于故障樹生成診斷知識(shí)庫(kù)，最后通過推理機(jī)完成故障診斷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)故障的自動(dòng)檢測(cè)和快速定位，提高了潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性，降低了維護(hù)成本，提高了自動(dòng)潤(rùn)滑產(chǎn)品的智能化水平。

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河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃基金項(xiàng)目(142102210107);華北水利水電大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃基金項(xiàng)目(YK2015-14)

劉潤(rùn)(1991-),男,回族,河南南陽(yáng)人,碩士生;上官林建(1972-),男,通信作者,河南信陽(yáng)人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事干油集中潤(rùn)滑與潤(rùn)滑脂流動(dòng)數(shù)值模擬方面的研究.

2016-10-09

1672-6871(2017)03-0014-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.03.004

TH137;TP277.3

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