農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的故障表現(xiàn)與維修技術(shù)

張春雨

(肇州縣朝陽(yáng)溝鎮(zhèn)人民政府，黑龍江 肇州 166405)

0 引言

自帕斯卡爾提出靜態(tài)液體壓力傳遞的基本規(guī)律以來(lái)，電液控制系統(tǒng)在各個(gè)方面的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展了近4個(gè)世紀(jì)[1]。電液控制系統(tǒng)具有功率密度高、輸出力大、易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)液壓和移動(dòng)液壓機(jī)械中。該系統(tǒng)主要包括控制流量、壓力或執(zhí)行器的液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。電液控制系統(tǒng)中控制閥門(mén)有很多種類(lèi)型，如比例閥、噴嘴擋板閥，或其他帶電子控制器的閥。隨著材料、制造、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電液控制系統(tǒng)逐步向智能化方向發(fā)展。

工業(yè)4.0是德國(guó)從一個(gè)高科技戰(zhàn)略項(xiàng)目中提出的，其本質(zhì)是促進(jìn)制造業(yè)的智能化發(fā)展。其中，電液控制系統(tǒng)也正在逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的特性。由于電液控制系統(tǒng)安裝在農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程終端，未來(lái)方便對(duì)其進(jìn)行控制和監(jiān)控，工業(yè)4.0下的電液控制系統(tǒng)應(yīng)該增加自我檢測(cè)、故障診斷、功能重新定義和集成的能力。數(shù)字技術(shù)可以使電液控制系統(tǒng)集成了數(shù)字控制器和各種傳感器等硬件，可以通過(guò)CANopen或其他通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷，還可定制和擴(kuò)展功能。

本文從工業(yè)4.0的角度對(duì)農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，主要包括目前農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)狀態(tài)采集和診斷的傳感器技術(shù)，并提出一些間接的狀態(tài)采集方法。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了電液閥的集成通信技術(shù)和管理軟件，實(shí)現(xiàn)了電液閥在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制、故障診斷與維修技術(shù)。研究結(jié)果對(duì)于提高農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)智能化故障檢測(cè)與高效維修提供理論參考與技術(shù)借鑒。

1 農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)狀態(tài)采集是實(shí)現(xiàn)電液控制數(shù)字化、智能化的基礎(chǔ)。電液控制系統(tǒng)需要通過(guò)獲取每個(gè)零部件的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)自主控制、遠(yuǎn)程故障診斷和物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建?，F(xiàn)有的農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)狀態(tài)采集方法有兩種，一種是由傳感器直接獲?。涣硪环N是通過(guò)間接獲取技術(shù)獲得的。從電液控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程可以看出，閥口壓力、閥口流量、閥芯位移和閥體溫度是運(yùn)動(dòng)控制和故障診斷中最重要的狀態(tài)變量。隨著傳感器技術(shù)和間接采集技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)有望獲得各個(gè)關(guān)鍵零部件完整狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制[2]。

1.1 農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)狀態(tài)直接采集法

為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制或監(jiān)測(cè)每個(gè)閥的狀態(tài)，需要使用傳感器來(lái)獲取閥或電液控制系統(tǒng)中其他元件的狀態(tài)。傳感器有很多種類(lèi)型，如壓力傳感器、流量傳感器、位置傳感器、污染傳感器、顆粒物傳感器等，可以為電液控制系統(tǒng)建立系統(tǒng)狀態(tài)采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制功能和故障診斷功能。外部傳感器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、IO-Link、傳感器管理器等多種通信方式將系統(tǒng)狀態(tài)信息傳輸給閥門(mén)，使閥門(mén)成為具有傳感功能的元件。然而，外部傳感器給硬件安裝、維護(hù)和維修帶來(lái)了困難，也給電纜和通信發(fā)射機(jī)帶來(lái)了額外的投入成本。

隨著電子技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代傳感器的小型化和集成化水平越來(lái)越高。許多制造商將各種傳感器集成到閥門(mén)中，以提高閥門(mén)的狀態(tài)采集能力。Atos AGMZO-RES在先導(dǎo)油口集成了一個(gè)壓力傳感器，以實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)級(jí)閥的閉環(huán)壓力控制。Eaton Axis Pro配備了集成的傳感器適配板，獲取每個(gè)端口的壓力和T端口的溫度，以提供過(guò)程控制和智能系統(tǒng)診斷。伊頓CMA 200系列在每個(gè)端口集成了內(nèi)部膜壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)每個(gè)端口獨(dú)立的閉環(huán)壓力控制。多個(gè)換向閥集成位移傳感器采用線性變差變壓器(LVDT)，具有良好的兼容性和便捷性，傳感器的精度越高，尺寸越小，安裝方式越好，閥門(mén)的狀態(tài)采集能力逐漸提高，這是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)發(fā)智能化、現(xiàn)代化發(fā)展的必要條件。

1.2 農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)狀態(tài)間接采集法

采用直接采集的方法可以解決狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的一些問(wèn)題，如端口壓力和閥體溫度。但是，監(jiān)測(cè)某些閥門(mén)的狀態(tài)會(huì)帶來(lái)額外的困難和成本，或者導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中傳感器的精度和采樣率不能滿足工作要求[3]。許多研究人員使用間接采集的方法來(lái)檢測(cè)農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。

成熟的LVDT位移測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)中。然而，LVDT技術(shù)在先導(dǎo)比例閥先導(dǎo)級(jí)閥芯位移檢測(cè)方面仍存在許多困難。很多研究集中在分析線圈的電流、電壓和電感來(lái)估計(jì)閥芯的位移，后期逐漸提出了一種通過(guò)獲取螺線管在大電流區(qū)域的電感增量來(lái)估計(jì)螺線管位置的方法，并通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，解決了位置估計(jì)問(wèn)題，在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)上實(shí)現(xiàn)了位置估計(jì)過(guò)程，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)計(jì)算。該方法適用于任何慢動(dòng)單相磁阻運(yùn)動(dòng)裝置；但是，位置估計(jì)的精度依賴于器件的電感—位置—電流特性。Braun等人提出了一種通過(guò)建立觀測(cè)器來(lái)估計(jì)閥芯位移的方法，采用差動(dòng)電感法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)電磁閥電感與閥芯位移關(guān)系的分析方法進(jìn)行了不同的修改，使之更準(zhǔn)確、更快。間接排量采集技術(shù)可以彌補(bǔ)傳感器的局限性，節(jié)約成本，提高閥門(mén)的狀態(tài)采集能力。

2 農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)管理與故障診斷方法

2.1 人機(jī)交互系統(tǒng)

農(nóng)機(jī)工作需要建立一個(gè)覆蓋整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的傳感、測(cè)量和控制網(wǎng)絡(luò)。因此，電液控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要控制部件，還需要具有壓力、流量等信號(hào)的測(cè)量功能。同時(shí)，控制功能需要根據(jù)工作條件進(jìn)行快速調(diào)試和集成，以及通過(guò)總線或以太網(wǎng)進(jìn)行通信的快速信息交換。

2.1.1 基于CAN總線的通信模式

CAN總線技術(shù)使液壓閥成為一個(gè)獨(dú)立的控制元件，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的分散控制和集中管理。同時(shí)，電液壓閥和電液壓缸可以通過(guò)CAN總線形成分散獨(dú)立的軸向控制器。CAN總線將電液閥及其壓力、流量、位置傳感器組成的通信單元與其他液壓?jiǎn)卧?、電子單元和中央工業(yè)控制單元連接起來(lái)，形成數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的控制和基本信息的收集。

2.1.2 基于藍(lán)牙的通信模式

在某些農(nóng)機(jī)生產(chǎn)中，由于電液控制系統(tǒng)沒(méi)有足夠的空間放置通信電纜，需要將通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化。另一方面，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可以方便工程師調(diào)試閥門(mén)和監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。針對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的需求，一些企業(yè)已經(jīng)發(fā)布了集成藍(lán)牙的產(chǎn)品，如sun7904a24比例插裝閥。HAWE RV2S-BT集成了藍(lán)牙技術(shù)，使電液控制系統(tǒng)的控制、監(jiān)控和管理更加方便、智能。

2.1.3 基于IO-Link的通信模式

不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式與地理環(huán)境的CAN總線標(biāo)準(zhǔn)很多，這使得用戶在一個(gè)項(xiàng)目中使用不同的通信接口連接傳感器、執(zhí)行器和閥門(mén)成為一個(gè)難點(diǎn)。IO-Link具有一個(gè)開(kāi)放的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，因此集成了IO-Link的產(chǎn)品幾乎可以與任何使用不同CAN總線的設(shè)備連接，使這些產(chǎn)品更容易與其他具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)合。但是，其只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，沒(méi)有IO-Link Master或IO-Link Hub，它不能將多個(gè)設(shè)備組合成一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1.4 人機(jī)交互軟件

作為硬件基礎(chǔ)，相關(guān)電液控制接口可以構(gòu)建一個(gè)巨大的通信網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上，用戶可以使用ATOS Z-SW、Parker ProPxD、MOOG Valve和泵組態(tài)軟件等PC軟件遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)地控制、監(jiān)測(cè)和管理電液控制系統(tǒng)。同時(shí)，該軟件可以遠(yuǎn)程診斷一些系統(tǒng)故障，如通信故障、硬件故障、電源電壓過(guò)載等。

2.2 智能故障診斷

農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性與可靠性是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要基礎(chǔ)[4]。隨著統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)工具的發(fā)展，利用數(shù)學(xué)工具可以定量計(jì)算農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。相關(guān)電液控制系統(tǒng)制造商已開(kāi)始進(jìn)行產(chǎn)品可靠性測(cè)試和故障診斷。目前，市場(chǎng)上的產(chǎn)品大多集中于一些簡(jiǎn)單故障的診斷，如電氣故障和通信故障。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，電液控制系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)遇到一些內(nèi)部深層故障，導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)法檢測(cè)到這些故障。

2.2.1 電流控制系統(tǒng)故障診斷平臺(tái)

Marco Münchhof等為農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)建立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和個(gè)人操作失誤，會(huì)導(dǎo)致農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，同時(shí)，沒(méi)有合適的測(cè)量裝置進(jìn)行自動(dòng)判別，無(wú)法監(jiān)測(cè)閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，只有在故障明顯時(shí)才能檢測(cè)到故障。因此，研究農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的智能故障診斷對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，防止系統(tǒng)失控具有重要意義。因此，如何從多傳感器信號(hào)中提取故障特征并判斷異常狀態(tài)是故障診斷的研究重點(diǎn)與發(fā)展難點(diǎn)。根據(jù)故障診斷的理論和方法，電液控制系統(tǒng)領(lǐng)域常用的診斷方法可分為兩類(lèi)，基于數(shù)據(jù)的診斷方法和基于模型的診斷方法。

2.2.2 基于數(shù)據(jù)的故障診斷方法

基于數(shù)據(jù)的故障診斷方法通過(guò)各種數(shù)據(jù)分析方法挖掘數(shù)據(jù)中的隱藏信息，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè);然而，大量數(shù)據(jù)的采集成本較高，數(shù)據(jù)的不確定性和不完全性會(huì)影響該方法的準(zhǔn)確性。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)閾值來(lái)診斷故障是一種很實(shí)用的方法。一些電液閥產(chǎn)品，如伊頓公司的AxisPro，在電液控制系統(tǒng)安裝傳感器以提高狀態(tài)采集能力，并采用數(shù)值閾值監(jiān)測(cè)閥的運(yùn)行狀態(tài)。然后，檢查閥門(mén)的狀態(tài)量，看是否超過(guò)預(yù)設(shè)的閥值，從而進(jìn)行故障診斷。

后期對(duì)該方法進(jìn)行了推廣，根據(jù)采集的大量數(shù)據(jù)，有效降低了故障診斷的閾值范圍，對(duì)于特定比例閥，控制信號(hào)與閥芯位移之間的關(guān)系隨工況的改變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)發(fā)生變化。如果出現(xiàn)故障，對(duì)應(yīng)關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)給出相同的控制信號(hào)時(shí)，執(zhí)行器或閥芯位移會(huì)超過(guò)指定的閾值，可用于故障診斷。

2.2.3 基于模型的故障診斷方法

基于模型的故障診斷方法將故障特征與模型參數(shù)緊密聯(lián)系起來(lái)，建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。由于模型經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，可以得到更精確的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，利用物理模型計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)，有效降低了對(duì)模型修正數(shù)據(jù)的要求。圖1模擬了模型故障診斷方法的工作原理。為了提高電液閥控制缸系統(tǒng)模型的精度，可以最小二乘法對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，也可將識(shí)別出的參數(shù)與正常工況下的參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行故障診斷。Samadani等也采用參數(shù)估計(jì)的方法識(shí)別電液伺服閥中電磁力放大系數(shù)和閥芯運(yùn)動(dòng)摩擦力。另一種直接方法是直接利用開(kāi)環(huán)模型仿真與實(shí)際物理系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)得到的偏差進(jìn)行故障診斷。由于缺乏保證模型無(wú)偏性的數(shù)學(xué)機(jī)制，該方法在建模過(guò)程中需要使用更為復(fù)雜的非線性模型，而且需要更多的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模型修正。

3 農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)維修技術(shù)

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間使用環(huán)境較為惡劣，農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)各個(gè)零部件在配合過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、磨損、零件變形、疲勞及腐蝕等現(xiàn)象，為了維持農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)在田間正常運(yùn)行與延長(zhǎng)壽命，應(yīng)該對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行定期保養(yǎng)，對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行清潔、檢查、潤(rùn)滑、加緊、調(diào)整或及時(shí)更換已經(jīng)磨損的零部件，檢查各個(gè)零部件運(yùn)行狀態(tài)，保持農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行維修，首先注意對(duì)各個(gè)關(guān)鍵零部件是否存在裂隙進(jìn)行檢查，主要是將零部件浸泡在煤油中，檢查是否有縫隙流油[5]。

圖1 基于模型的故障診斷方法

4 結(jié)論

農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從純機(jī)械結(jié)構(gòu)到機(jī)電液一體化的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程，目前正與數(shù)字技術(shù)和各種通信技術(shù)相結(jié)合。農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)具有智能狀態(tài)獲取信息、監(jiān)測(cè)和在線診斷能力，并提供更有效的控制。本研究從傳感器、執(zhí)行器和電子控制器三個(gè)方面闡述了農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的硬件發(fā)展，提出高精度集成傳感器和強(qiáng)大的計(jì)算數(shù)字控制器是未來(lái)農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。精確的模型構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)曲線擬合方法在間接狀態(tài)感知方面取得了良好的效果，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的逐漸發(fā)展及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，間接狀態(tài)獲取方法的準(zhǔn)確性和計(jì)算復(fù)雜度得到了顯著提高。采用CAN總線、藍(lán)牙、IO-Link等集成通信接口的電液控制系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)搭建硬件基礎(chǔ)，再通過(guò)軟件將控制系統(tǒng)的可視化狀態(tài)傳遞給用戶，最后，采用基于數(shù)據(jù)和模型的故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了電液控制系統(tǒng)內(nèi)部故障的實(shí)時(shí)診斷，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、集成化、智能化發(fā)展，推動(dòng)農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展與穩(wěn)步提升，研究結(jié)果對(duì)于提高農(nóng)機(jī)電液控制系統(tǒng)的智能化與現(xiàn)代化發(fā)展提供技術(shù)借鑒與理論基礎(chǔ)。

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