液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究

張金玲 韓江

摘 ? 要：文章闡述了當(dāng)前液壓系統(tǒng)診斷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并深入闡述了液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的重要性，同時(shí)，根據(jù)診斷特點(diǎn)將其分為3個(gè)階段進(jìn)行研究，最后提出了未來(lái)發(fā)展液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的方向及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng);故障診斷技術(shù);研究現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、液壓系統(tǒng)技術(shù)與微電子技術(shù)等的不斷發(fā)展及其緊密結(jié)合，液壓技術(shù)逐步朝著自動(dòng)化、精密化和復(fù)雜化方向發(fā)展，而且液壓技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，涉及的領(lǐng)域也越來(lái)越多，如冶金、航天等。但其故障具有隱蔽性、多樣性以及不確定性等多種特點(diǎn)，一旦有故障發(fā)生，很難較快查找出原因，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備受損、全線停工，在一定程度上會(huì)威脅工作人員生命安全，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境污染，給企業(yè)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)損失，因此，需要強(qiáng)化液壓系統(tǒng)的故障診斷工作。

1 ? ?液壓系統(tǒng)故障診斷發(fā)展

根據(jù)液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)以及相應(yīng)特點(diǎn)，可將其分為3個(gè)階段開(kāi)展，分別為：原始診斷、模型診斷以及智能化診斷階段。

1.1 ?原始診斷階段

原始診斷階段設(shè)備較為簡(jiǎn)單，對(duì)于故障的診斷無(wú)需動(dòng)用任何診斷儀器，單憑相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家和技術(shù)人員通過(guò)自身豐富的工作經(jīng)驗(yàn)、感官和簡(jiǎn)單儀表，即可診斷故障并排除故障。在該階段常用的診斷方法主要有：感觀診斷方法、邏輯分析方法以及檢測(cè)圖論法。陸望龍等從實(shí)踐工程角度出發(fā)，闡述了主觀診斷法及原始診斷階段，能夠?qū)Σ煌\斷方法的使用進(jìn)行分析，進(jìn)而為現(xiàn)場(chǎng)工作人員以及液壓系統(tǒng)診斷提供了重要的技術(shù)支持。為獲得快速故障診斷，黃志堅(jiān)等提出邏輯分析方法、方框圖、魚(yú)刺圖，并且以實(shí)例具體說(shuō)明了邏輯分析等方法的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)液壓重要部件及系統(tǒng)的診斷方法和故障機(jī)理進(jìn)行深入研究，羅建民等采用這種故障診斷方法分析了流水線中砂壓實(shí)機(jī)的故障和磨床工作臺(tái)故障問(wèn)題。喬文剛等采用邏輯分析法和參數(shù)測(cè)量等兩種方法進(jìn)一步提高了液壓系統(tǒng)故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性，能夠顯著降低工作人員的技術(shù)要求。采用原始的診斷方法具有較大優(yōu)勢(shì)，比如在診斷過(guò)程中操作比較簡(jiǎn)單，而且分析過(guò)程結(jié)果很容易被外界認(rèn)可。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)于工作人員的經(jīng)驗(yàn)以及感官判斷能力的要求較高。

1.2 ?模型診斷階段

模型診斷階段在一定程度上也屬于計(jì)算機(jī)技術(shù)以及傳感器診斷，由于動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)和傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，使液圧系統(tǒng)故障診斷過(guò)程和各種診斷信號(hào)技術(shù)測(cè)量比較簡(jiǎn)單。近年來(lái)，危機(jī)信號(hào)處理技術(shù)不斷發(fā)展，顯著提升數(shù)據(jù)處理效率，因此，不同類(lèi)型的故障診斷方法和監(jiān)測(cè)手段紛紛出現(xiàn)，包括：時(shí)頻分析、時(shí)域分析、動(dòng)態(tài)分析、狀態(tài)空間分析等，比如Mehra等介紹了對(duì)液壓系統(tǒng)故障診斷的改進(jìn)方法，也被稱(chēng)為是重構(gòu)診斷方法，使用卡爾曼濾波器，能夠估計(jì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括參數(shù)變化量、構(gòu)造殘差序列等，將這些故障從中檢測(cè)出來(lái)，并進(jìn)一步進(jìn)行估計(jì)、分離及決策，再利用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，對(duì)液壓系統(tǒng)的故障給予分析診斷。這種診斷方法相比狀態(tài)估計(jì)的方法來(lái)說(shuō)，更有利于故障分離，能夠建立故障與過(guò)程參數(shù)之間的準(zhǔn)確關(guān)系，最后可以根據(jù)參數(shù)進(jìn)一步估計(jì)故障來(lái)源。姜萬(wàn)錄等利用小波變換器能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)出現(xiàn)故障過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)以及運(yùn)行中壓力信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次驗(yàn)證，結(jié)果證明該方法具有一定的可行性。

基于模型診斷階段的診斷方法需建立較為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，雖然實(shí)踐中也取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但其診斷過(guò)程存在局限性。液壓系統(tǒng)在一定程度上來(lái)看，也屬于一種非線性的可變系統(tǒng)，具有一定的耦合性、滯后性、參數(shù)識(shí)別等非線性特點(diǎn)，并且數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜或者根本不存在，對(duì)噪聲特性統(tǒng)計(jì)也不夠理想，與此同時(shí)，存在過(guò)程不確定等因素，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障特征參數(shù)的提取變得非常困難，很難完成精準(zhǔn)的在線狀態(tài)估計(jì)或者參數(shù)的估計(jì)。

1.3 ?智能化診斷階段

智能化診斷階段是將人工智能研究成果運(yùn)用于液壓系統(tǒng)的故障診斷中，是以常規(guī)診斷技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，以人工智能為核心技術(shù)，來(lái)構(gòu)建出智能診斷模型和診斷系統(tǒng)。在診斷液壓系統(tǒng)時(shí)，能夠利用現(xiàn)代知識(shí)處理、代替原有的數(shù)據(jù)處理作為核心。目前，基于人工智能條件的液壓系統(tǒng)故障診斷，可以使用兩個(gè)方法：專(zhuān)家系統(tǒng)診斷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷。

1.3.1 ?專(zhuān)家系統(tǒng)診斷

專(zhuān)家系統(tǒng)診斷主要根據(jù)工作人員日常工作過(guò)程中所積累的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論知識(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序，診斷結(jié)果比較直觀，很容易被理解，能擺脫采用模型診斷中過(guò)分依賴(lài)模型的問(wèn)題。采用專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，通常步驟為：首先，根據(jù)液壓系統(tǒng)故障產(chǎn)生機(jī)理以及相應(yīng)的參數(shù)，建立故障規(guī)則庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù);其次，對(duì)液壓系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)故障特征及現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集和處理，將此數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)推理機(jī)，確定故障發(fā)生部位及其原因;最后，將結(jié)果在人機(jī)界面中顯示。有文獻(xiàn)專(zhuān)門(mén)針對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)的推理方式、知識(shí)獲取以及總體進(jìn)行分析，能夠?qū)Σ煌簤合到y(tǒng)進(jìn)行專(zhuān)家診斷、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠獲得良好效益。但由于使用專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在很多問(wèn)題，包括很難獲取知識(shí)理論，在存在較多規(guī)則條件下，推理時(shí)會(huì)出現(xiàn)匹配沖突或者組合爆炸問(wèn)題，導(dǎo)致推理效率、診斷率降低[1]。

1.3.2 ?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高度功能，包括具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性、自學(xué)能力、自適應(yīng)性、分布式、合并完成數(shù)據(jù)處理等，能夠有效處理專(zhuān)家系統(tǒng)中出現(xiàn)的組合爆炸等相關(guān)問(wèn)題，并大大提高了計(jì)算速度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能診斷應(yīng)用方式有以下幾個(gè)方面：（1）從模式識(shí)別角度上來(lái)看，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于分類(lèi)器故障診斷。（2）從預(yù)測(cè)角度上來(lái)看，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，并對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性動(dòng)態(tài)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)映射故障診斷。（3）從知識(shí)處理角度來(lái)看，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家診斷系統(tǒng)一旦出現(xiàn)新問(wèn)題，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的自學(xué)習(xí)對(duì)權(quán)值不斷調(diào)整，以提高故障診斷率，有效降低誤報(bào)率或者漏報(bào)問(wèn)題的產(chǎn)生。同時(shí)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Χ喾N類(lèi)型的液壓閥、泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)、能源系統(tǒng)、增速回路故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷的方法也存在很多問(wèn)題，包括：學(xué)習(xí)算法收斂速度慢、很難獲取訓(xùn)練樣本、無(wú)法快速解釋、推理結(jié)果等[2]。

2 ? ?液壓故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)人工智能以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)等快速發(fā)展，未來(lái)液壓故障診斷技術(shù)其發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

2.1 ?云計(jì)算為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)故障診斷

網(wǎng)絡(luò)化實(shí)施故障診斷主要是利用專(zhuān)用網(wǎng)以及因特網(wǎng)，可以將液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)傳送到相應(yīng)的監(jiān)控平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、分析、監(jiān)測(cè)、提供重要的技術(shù)支持等。由于受到數(shù)據(jù)傳輸量等因素的影響，目前故障診斷技術(shù)只能夠?qū)ι倭繑?shù)據(jù)故障進(jìn)行診斷，因此，會(huì)影響診斷精確度。將云計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行融合，可實(shí)現(xiàn)不同特征信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸、采集、診斷，能夠準(zhǔn)確定位故障部位，對(duì)液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)也成為液壓系統(tǒng)故障診斷的主要發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 ?多種智能故障診斷

不同智能診斷方法有其各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，將不同的智能診斷方法進(jìn)行融合能夠顯著提升故障診斷的綜合性，這也是未來(lái)故障診斷必然發(fā)展趨勢(shì)，比如可以將兩種不同智能故障診斷方法進(jìn)行融合，或?qū)煞N方法結(jié)合后進(jìn)行復(fù)合，之后通過(guò)中間權(quán)值來(lái)選擇獲取最佳結(jié)合方式，完成相應(yīng)的液壓系統(tǒng)故障診斷。同時(shí)，不局限于常見(jiàn)的幾種方式融合，可以將人工免疫、灰色理論、混沌理論等多種方法引入到液壓系統(tǒng)的故障診斷中。

2.3 ?全面融合的智能故障診斷

當(dāng)前，混合故障診斷應(yīng)用于液壓故障診斷系統(tǒng)，從其診斷能力上來(lái)看，相比單獨(dú)診斷來(lái)說(shuō)診斷效果要好，但最終診斷能力也僅限于兩系統(tǒng)之間，與實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家思維的融合和靈活運(yùn)用還存在較大差別，現(xiàn)有混合診斷技術(shù)只能在事先確定好組合的情況下進(jìn)行知識(shí)模型結(jié)合，無(wú)法體現(xiàn)動(dòng)態(tài)融合，更無(wú)法適應(yīng)不同故障類(lèi)型和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的變化。

2.4 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是多媒體技術(shù)發(fā)展之后在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域被研發(fā)出來(lái)的，具備以下4個(gè)特點(diǎn)：交互性、自主性、多感知性以及多存在感。在一定程度上與多媒體技術(shù)具有相同點(diǎn)，比如采用圖文并茂的方式，更容易被客戶(hù)認(rèn)可。事實(shí)上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠?qū)?fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作和數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而形成一種新的方式，相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō)更具有直觀性。隨著該技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)將其應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的故障診斷中，將給液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)帶來(lái)一次新的技術(shù)性革命。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

液壓系統(tǒng)是集合液、機(jī)、電為一體的耦合系統(tǒng)，在該系統(tǒng)故障診斷過(guò)程中，具有較大的隨機(jī)性、復(fù)雜性、隱蔽性。液壓設(shè)備通常結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)于精準(zhǔn)度的要求也比較高，盡管?chē)?guó)內(nèi)的外專(zhuān)家在液壓系統(tǒng)故障診斷過(guò)程中，取得了一些顯著的成效。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在很多問(wèn)題，因此，為進(jìn)一步提高液壓系統(tǒng)的故障診斷效率，需要將知識(shí)理論與相關(guān)學(xué)科技術(shù)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)故障診斷中，并實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的融合，給液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙子旭，楊海龍.液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].大科技，2017（32）：66-68.

[2]許春燁.液壓系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技風(fēng)，2018（36）：183.