氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的故障診斷分析

陳聰 陳久恩 張洪建 朱良鴻

摘要：當(dāng)前我國工業(yè)自動化程度不斷加深最直接的表現(xiàn)就是氣動執(zhí)行器，該儀器系統(tǒng)在工業(yè)流程中具有重要的作用。本文首先研究了氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的常見故障，接著重點(diǎn)研究了氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的故障診斷方法，旨在保證氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的運(yùn)行安全，進(jìn)而為自動化流程工業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供一個穩(wěn)定的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：氣動執(zhí)行器系統(tǒng);故障;診斷

引言：當(dāng)前我國工業(yè)飛速發(fā)展，各種先進(jìn)技術(shù)得到了充分應(yīng)用。氣動技術(shù)具有無污染、成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。氣動執(zhí)行器系統(tǒng)很容易出現(xiàn)各類故障，因此必須加強(qiáng)對故障診斷方法的探究，減少故障發(fā)生率、提高故障維修效率，保證氣動技術(shù)的運(yùn)用水平，保證工業(yè)自動化發(fā)展。

1.氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的常見故障

1.1電氣轉(zhuǎn)換器堵塞

電氣轉(zhuǎn)換器的供氣噴嘴如果清理不及時，很容易造成各類雜質(zhì)的堆積，噴嘴會遭到堵塞，供氣氣壓無法通過噴嘴進(jìn)入薄膜氣室當(dāng)中，無法為氣動執(zhí)行器系統(tǒng)中的各個部件提供運(yùn)行動力;同時電氣轉(zhuǎn)換器的堵塞也很可能導(dǎo)致所供氣體受到污染，所攜帶的污染物如果通過噴嘴，很有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)中其他部件的故障。

1.2位置反饋信號傳感器故障

當(dāng)閥門定位器中的反饋桿發(fā)生扭曲時，反饋桿的位置很可能會發(fā)生改變，這就導(dǎo)致傳感器無法正確地反饋出閥桿位移情況，影響反饋的準(zhǔn)確性。該故障是長期逐漸發(fā)生的，主要發(fā)生原因是反饋桿長期受到外力或內(nèi)力壓迫，進(jìn)而產(chǎn)生形變。形變嚴(yán)重時，反饋桿將完全失去測量閥桿位移狀況的作用，傳感器也無法顯示出位移數(shù)據(jù)。

1.3供氣氣壓故障

供氣氣壓故障的發(fā)生往往比較突然。當(dāng)負(fù)責(zé)供氣的氣泵產(chǎn)生故障后，就會導(dǎo)致供氣氣壓不足，最終導(dǎo)致供氣無法推動閥桿進(jìn)行運(yùn)動，影響閥桿的運(yùn)行情況;氣泵與閥門定位器之間導(dǎo)管破裂造成的漏氣也會導(dǎo)致這一故障發(fā)生[1]。供氣氣壓故障嚴(yán)重時，供氣氣壓會完全消失，閥桿也會完全停止運(yùn)轉(zhuǎn)，會造成氣動執(zhí)行器系統(tǒng)當(dāng)中嚴(yán)重的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。

1.4閥體堵塞

閥體堵塞故障主要是指閥桿卡死造成的氣流完全堵死的現(xiàn)象，是氣動執(zhí)行系統(tǒng)中比較嚴(yán)重的故障現(xiàn)象。閥體堵塞故障的成因主要有三種：一是調(diào)節(jié)閥的流體介質(zhì)當(dāng)中存在直徑過大的顆粒物;二是閥桿本身產(chǎn)生故障，失去移動能力;三是閥座表面存在沉積物，影響了閥桿的運(yùn)動。除去上述四種故障現(xiàn)象，氣動執(zhí)行器系統(tǒng)中還存在多種故障，都會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的故障診斷方法

2.1基于信號進(jìn)行故障診斷

基于信號對故障進(jìn)行診斷，主要是通過信號的外在表現(xiàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)，例如頻譜、小波變換、函數(shù)等，對氣動執(zhí)行器系統(tǒng)中各個部位的運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷。例如，系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸承出現(xiàn)故障時，振動信號就會發(fā)生一定變化，相關(guān)管理人員就可以通過信號的變化判斷軸承的具體故障情況。當(dāng)前基于信號的故障診斷方法主要可以分為三種：主元分析法、小波變換法、算子與信息準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的檢測方法。主元分析法主要通過對信號信息正常時的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)建立模型，通過將實(shí)際信號與模型進(jìn)行比對，如果發(fā)現(xiàn)沖突現(xiàn)象，就說明氣動執(zhí)行器系統(tǒng)中出現(xiàn)了故障。小波變換法需要對信號頻率進(jìn)行多次分析，對信號進(jìn)行連續(xù)多次的小波變換，能夠發(fā)現(xiàn)信號比較微小的變化。最后一種故障診斷方法主要是通過δ算子和相關(guān)信息準(zhǔn)則推導(dǎo)出信號變化波形，通過測量信號與波形的誤差判斷故障現(xiàn)象。基于信號的故障診斷方法較為傳統(tǒng)，正在逐步被其他故障診斷方法所取代，但在一些并非十分復(fù)雜的故障診斷工作當(dāng)中仍能發(fā)揮出有效作用，同時也能節(jié)約故障診斷成本，目前仍然具有一定應(yīng)用空間。

2.2基于解析模型進(jìn)行故障診斷

解析模型方法是指使用辨識技術(shù)建立數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的變化可以反映出氣動執(zhí)行器系統(tǒng)在輸入和輸出方面的變化，方便相關(guān)管理人員判斷是否存在故障。解析模型基礎(chǔ)上的故障診斷方法又可以被分為狀態(tài)估計(jì)法與參數(shù)估計(jì)法。其中狀態(tài)估計(jì)法注重構(gòu)建氣動執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)，通過計(jì)算實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)構(gòu)建狀態(tài)之間的差距，可以得出殘差序列;管理人員通過殘差序列的實(shí)際數(shù)值變化程度，就可以判斷出氣動執(zhí)行器系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。參數(shù)估計(jì)法則更加注重研究參數(shù)的變化情況，主要通過預(yù)構(gòu)建模型的參數(shù)表現(xiàn)來判斷氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的輸入輸出狀況，以判明系統(tǒng)的故障情況[2]。解析模型基礎(chǔ)上的故障診斷方法重點(diǎn)在于數(shù)學(xué)模型的建立，要重點(diǎn)注意數(shù)學(xué)模型的科學(xué)性與準(zhǔn)確性;同時也要對殘差值所代表的意義進(jìn)行明確，避免出現(xiàn)對故障判斷出現(xiàn)錯誤的現(xiàn)象，影響氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的正常運(yùn)行。解析模型基礎(chǔ)上的故障診斷方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但由于其殘差判斷和模型建立可能具有主觀性，其準(zhǔn)確性往往得不到充分的保障，但仍然能夠?qū)收系纳善鸬交A(chǔ)的提示作用，能發(fā)揮出優(yōu)秀效果。

2.3基于知識進(jìn)行故障診斷

基于知識的故障診斷方法在當(dāng)前的氣動執(zhí)行器系統(tǒng)故障診斷工作當(dāng)中越來越常用，正處于不斷發(fā)展的過程當(dāng)中。該診斷方法主要依托專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯等理論進(jìn)行。其中專家系統(tǒng)是指包含長時間跨度內(nèi)大量專家知識的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要依靠知識的長時間積累而形成，能夠解決一些數(shù)學(xué)方法難以解決的故障問題，通過經(jīng)驗(yàn)對故障做出診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指儲存了大量氣動執(zhí)行器系統(tǒng)故障診斷方法的大型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相比專家系統(tǒng)具有更強(qiáng)的自主運(yùn)算能力，能夠幫助相關(guān)工作人員選用出最佳的診斷方案;其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其強(qiáng)大的運(yùn)算能力和多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為當(dāng)前使用最廣泛的氣動執(zhí)行器系統(tǒng)故障診斷方法之一。模糊邏輯是指通過內(nèi)部知識結(jié)構(gòu)對于狀況難以得到具體表達(dá)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析的診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對故障現(xiàn)象進(jìn)行合理推理，幫助工作人員理解故障現(xiàn)象的診斷結(jié)果。在實(shí)際診斷過程中，為了保證診斷的全面性，三種方法往往是混合使用的。知識基礎(chǔ)上的故障診斷方法應(yīng)用最為廣泛，但也存在誤差較大、學(xué)習(xí)速率有一定局限性的缺陷，仍然需要得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

結(jié)語：綜上所述，我國工業(yè)自動化進(jìn)程中的氣動執(zhí)行器系統(tǒng)運(yùn)用水平仍然有提高空間，因此需要充分對故障診斷技術(shù)進(jìn)行探索，使氣動技術(shù)的優(yōu)勢能夠得到足夠發(fā)揮。當(dāng)前我國越來越重視工業(yè)自動化進(jìn)程中各類儀表的發(fā)展，只有提高氣動執(zhí)行器的運(yùn)用水平，才能保證工業(yè)自動化的發(fā)展程度，促進(jìn)工業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊亮，安娜.氣動執(zhí)行器灰鑄鐵支架斷裂失效分析[J].石油化工設(shè)備，2021，03：76-79

[2]王正陶.氣動執(zhí)行器柔順控制及其應(yīng)用的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.