礦用液壓機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)故障預(yù)防方法研究

賀繼偉

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042）

目前現(xiàn)代的液壓機(jī)械應(yīng)用廣泛，而礦用的液壓機(jī)械設(shè)備對(duì)液壓設(shè)備的可靠性要求更高，在使用中如果出現(xiàn)故障則容易造成嚴(yán)重后果，威脅工作人員的生命安全[1]。因此對(duì)液壓機(jī)械設(shè)備故障的預(yù)防方法是目前的研究重點(diǎn)。而目前的研究對(duì)液壓機(jī)械設(shè)備的故障預(yù)防方法是針對(duì)液壓機(jī)械的日常維護(hù)以及管理的改進(jìn)，雖然可以提高可靠性，但無(wú)法對(duì)液壓機(jī)械設(shè)備中出現(xiàn)的漸變性各種及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，而且維護(hù)中容易出現(xiàn)維護(hù)盲區(qū)，導(dǎo)致液壓設(shè)備中存在故障隱患。傳統(tǒng)方法往往僅僅通過(guò)一些視覺(jué)的檢測(cè)的方法，如觀看、手摸等手段，通過(guò)這些方法可以對(duì)液壓機(jī)械的情況有一個(gè)基本了解，并且通過(guò)測(cè)量?jī)x器的檢查，可以檢測(cè)流量以及油溫等情況，但是這種傳統(tǒng)的維護(hù)檢查方法對(duì)于以下比較細(xì)微的故障隱患容易疏忽。因此為了減少液壓機(jī)械設(shè)備中故障的頻率，要設(shè)計(jì)出一種可以對(duì)故障隱患進(jìn)行探測(cè)的預(yù)防方法。而在礦用液壓機(jī)械設(shè)備的使用中，會(huì)出現(xiàn)一定的振動(dòng)情況，這些振動(dòng)情況也反映著目前液壓機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)振動(dòng)狀態(tài)的探測(cè)，來(lái)分析液壓機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是否不良，液壓缸體是否存在裂痕等，以此來(lái)對(duì)液壓的故障進(jìn)行預(yù)防[2]。

1 礦用液壓機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)故障預(yù)防方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓機(jī)械的預(yù)防，對(duì)液壓機(jī)械的振動(dòng)情況進(jìn)行提取，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓機(jī)械情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以達(dá)到對(duì)液壓機(jī)械潛在故障的預(yù)防。設(shè)計(jì)的預(yù)防方法流程如下：

圖1 礦用液壓機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)故障預(yù)防方法流程

1.1 液壓工作情況模型

模型的建立首先從液壓工作中的第一階段開(kāi)始，當(dāng)液壓的缸體前后均在開(kāi)啟時(shí)，在制動(dòng)是將初始?jí)毫醋髂壳霸趦?chǔ)液腔中液壓油的壓力，而在第一階段制動(dòng)主缸壓力值可求得：

在（1）公式中，p0代表儲(chǔ)液腔中的油液壓力(N / m2)，Δpa1代表在第一階段時(shí)主缸后腔的壓力變化值(N / m2)，代pa2表第一階段時(shí)制動(dòng)主缸與前腔的壓力變化值(N / m2)。在考慮液體的連續(xù)性可得當(dāng)前主缸壓力變化方程：

（2）公式中，Am代表制動(dòng)主缸后缸活塞的有效面積單位為dx1代表橡膠的反作用盤(pán)直徑單位為m，dt 代表伺服氣室膜片的直徑m，2C 代表流量系數(shù)(m3/Ns )，而A 代表孔口通流截面積，單位為m。通過(guò)將（2）帶入（1）公式即可求出制動(dòng)主缸的壓力值，帶入后的公式如下：

而在液壓機(jī)械的第二階段中，液壓的活塞向遷移，關(guān)閉后腔，而在受到快速關(guān)閉閥的極限作用，將主缸與后缸的壓力可通過(guò)公式計(jì)算：

在（4）公式中pb1代表在第二階段中，制動(dòng)主缸后缸的壓力值(N / m2)，而l1代表主缸后缸長(zhǎng)度單位m，而c 表示為聲波速度這里的v0表示為制動(dòng)主缸后腔液壓油通過(guò)旁通孔的速度對(duì)主缸和后缸的計(jì)算中，要考慮到由于旁通孔的關(guān)閉而產(chǎn)生的壓力脈沖的能力，而對(duì)于壓力脈沖的計(jì)算相對(duì)困難，而由于壓力脈沖對(duì)主缸與后缸壓力的影響較小，因此這里將其忽略不計(jì)。在建立了液壓工作情況的模型后，即可對(duì)液壓工作時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，以此來(lái)對(duì)液壓工作時(shí)出現(xiàn)的非正常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做好液壓機(jī)械故障的預(yù)防。

1.2 液壓振動(dòng)信號(hào)采集與分解

對(duì)液壓機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)采集，根據(jù)液壓在正常狀態(tài)下的振動(dòng)頻譜，信號(hào)能量大多集中在3～5kHz頻段[3]。因此對(duì)液壓振動(dòng)信號(hào)的采集也針對(duì)此頻段，振動(dòng)頻率大，可以有效的得到更多設(shè)備的運(yùn)行情況，有助于特征提取。在完成信號(hào)采集后對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行EEMD分解，通過(guò)EEMD分解得到的振動(dòng)信號(hào)更方便提去特征參數(shù)，且可靠性更高。有助于接下來(lái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻域特征的提取。

1.3 振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域特征提取

在不同狀態(tài)下，振動(dòng)時(shí)的頻帶內(nèi)的信號(hào)差別往往較大。因此在對(duì)信號(hào)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，要進(jìn)行頻帶能量特征提取，已確定當(dāng)前信號(hào)的穩(wěn)定情況。首先對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行小波分解，然后再對(duì)信號(hào)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)，這里將重構(gòu)信號(hào)設(shè)為S3j( j =0,1,...,7)，計(jì)算各頻帶的能量公式為：

（1）公式里，對(duì)S3j對(duì)應(yīng)的能量設(shè)為E3j( j =0,1,...,7)，xjk代表重構(gòu)信號(hào)，而S3j代表離散點(diǎn)幅值，dt 代表振動(dòng)時(shí)的峰值，而k 在這里代表元素構(gòu)造能量特征向量。通過(guò)計(jì)算不但可以得出各頻帶的能量數(shù)值，還能得出，對(duì)特征向量K 要進(jìn)行歸一化處理，公式為）

而歸一化后的向量K ，這里用T*來(lái)表示，即。在將振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征進(jìn)行提取后，以及將振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，來(lái)判斷不符合正常運(yùn)作情況下的振動(dòng)信號(hào)的原因。

1.4 液壓振動(dòng)特征參數(shù)確立

在對(duì)液壓機(jī)械數(shù)據(jù)提取時(shí)，首先主要是主要對(duì)液壓機(jī)械在使用時(shí)的振動(dòng)情況和頻率進(jìn)行提取，作為分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。而在提取時(shí)，其特征參數(shù)主要包括波形指標(biāo)Sf、裕度指標(biāo)CLf等。不過(guò)特征參數(shù)與工作相關(guān)的關(guān)系不大，因此，特征參數(shù)是作為提高故障預(yù)防的精度，因此在進(jìn)行特征提取時(shí)僅去特征參數(shù)的概率密度函數(shù)p( x )，并將其引入特征向量中。在確立了液壓振動(dòng)中的特征參數(shù)，即可對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻進(jìn)行特征提取。

1.5 根據(jù)數(shù)據(jù)分析可能導(dǎo)致故障的隱患

在對(duì)液壓機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)的采集中，要建立一個(gè)采樣模式，對(duì)其振動(dòng)的信號(hào)每分鐘采樣800個(gè)點(diǎn)，采樣的頻率為2kHz ，這樣每個(gè)小時(shí)都可以得到60組振動(dòng)信號(hào)，而對(duì)液壓機(jī)械的故障預(yù)防方法要以?xún)蓚€(gè)小時(shí)作為時(shí)間點(diǎn)，在120組信號(hào)數(shù)據(jù)中分別提取特征參數(shù)，并且將結(jié)果作為歷史記錄，對(duì)液壓泵進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析，可以對(duì)尚未發(fā)生的漸變性故障進(jìn)行探測(cè)，并且根據(jù)情況進(jìn)行維護(hù)避免故障的出現(xiàn)。而在不同情況下，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)完全可以對(duì)液壓機(jī)械狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)大致的分析，不過(guò)需要對(duì)樣本來(lái)進(jìn)行收集，可以使用向量機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算和學(xué)習(xí)，向量機(jī)學(xué)習(xí)樣本矩陣為：

（6）式中m為模型的嵌入維數(shù)，x代表樣本的序號(hào)，在完成了向量機(jī)的分析，即可對(duì)振動(dòng)信號(hào)里所代表的液壓機(jī)械的問(wèn)題來(lái)得出結(jié)論，然后根據(jù)液壓機(jī)械中存在進(jìn)行維護(hù)或修復(fù)，以此來(lái)對(duì)液壓機(jī)械中的問(wèn)題做到預(yù)防。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇

為了反映本文故障預(yù)防方法的有效性，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，考慮到雙出桿雙作用液壓缸在工程機(jī)械中應(yīng)用廣泛，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇為雙出桿雙作用液壓缸。對(duì)雙出桿雙作用液壓缸的擬定指標(biāo)為：系統(tǒng)工作壓力為7Mpa，活塞運(yùn)動(dòng)速度為150mm/ s ，缸筒內(nèi)徑為100mm。在雙出桿雙作用液壓缸中，使用的壓力傳感器為AK-4型壓力傳感器，位移傳感器選擇為QH400/SGC-5型封閉式光柵位移傳感器。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)使用了4個(gè)雙出桿雙作用液壓缸，兩個(gè)一組每天12小時(shí)運(yùn)行。使用本文的故障預(yù)防方法，每?jī)商鞂?duì)液壓缸進(jìn)行必要性維護(hù)，并且使用預(yù)防方法，來(lái)進(jìn)行每天對(duì)裝置振動(dòng)情況檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)進(jìn)行針對(duì)性的維護(hù)，由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境受到干擾較少，因此不進(jìn)行小波降噪。而傳統(tǒng)的故障預(yù)防方法是通過(guò)增加維護(hù)次數(shù)來(lái)進(jìn)行故障預(yù)防，在實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)故障預(yù)防方法的維護(hù)次數(shù)為每天一次，在出現(xiàn)故障維修后會(huì)再次進(jìn)行維護(hù)。實(shí)驗(yàn)記錄以每周的情況為準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)周期為7周。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

表1 液壓故障預(yù)防方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)

由表1可知在七周的實(shí)驗(yàn)周期中本文出現(xiàn)的故障數(shù)為0次，而傳統(tǒng)維護(hù)方法出現(xiàn)的故障數(shù)為8次，而本文故障方法中原計(jì)劃的56次維護(hù)，因發(fā)現(xiàn)了裝置中的隱患，因此增加到67次。而傳統(tǒng)的故障預(yù)防方法因出現(xiàn)的故障因此原計(jì)劃的98次維護(hù)，增加至106次。而因本文的故障預(yù)防方法可以在故障發(fā)生前就對(duì)潛在的故障隱患進(jìn)行排除，因此本文故障預(yù)防方法對(duì)比傳統(tǒng)故障預(yù)防方法更加有效。但實(shí)驗(yàn)中由于經(jīng)費(fèi)原因，因此實(shí)驗(yàn)裝置僅為4個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性受到影響，不過(guò)通過(guò)實(shí)驗(yàn)仍可證明此故障預(yù)防方法的可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)礦用液壓機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)故障預(yù)防方法研究，通過(guò)液壓機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中的振動(dòng)信號(hào)，來(lái)分析液壓機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況，并且判斷液壓機(jī)械設(shè)備中是否存在會(huì)造成故障的隱患，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)防。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，來(lái)判斷該方法的可行性，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，本故障預(yù)防方法可以有效的避免故障的發(fā)生，而且實(shí)驗(yàn)中，本方法的維護(hù)次數(shù)對(duì)比傳統(tǒng)方法更少，提高了維護(hù)的效率。但是實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比設(shè)備較少，容易存在差異性，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅供參考，并且沒(méi)有對(duì)比兩者的液壓設(shè)備的檢測(cè)時(shí)間以及成本，仍需要進(jìn)一步的研究。