基于廣義相位信息的擺臂系統(tǒng)喘行故障診斷

曹進華

(廈門大學嘉庚學院機電工程學院，福建漳州 363105)

0 前言

擺臂系統(tǒng)作為一種典型的往復(fù)機構(gòu)，廣泛用于塔架類大型母體建筑，用于支撐測試電纜、氣管、風管等柔性材料。工作過程中，擺臂在液壓動力驅(qū)動下進行變速往復(fù)運動。針對擺臂這類往復(fù)機械系統(tǒng)的性能檢測與故障診斷的研究，對提高其運行穩(wěn)定性和可靠性具有重要工程意義。長期以來，由于往復(fù)機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、激勵源多、機器故障產(chǎn)生大量沖擊和摩擦以及運行速度不穩(wěn)定等特點[1]，導致測試信號存在非平穩(wěn)特征。從國內(nèi)外研究情況來看，故障診斷的研究重點多限于旋轉(zhuǎn)機械，對往復(fù)機械的研究相對薄弱。目前應(yīng)用較多的技術(shù)手段主要有熱力參數(shù)分析、溫度分析、油液分析、振動分析等方法，上述方法各有其優(yōu)缺點[2-3]。針對擺臂系統(tǒng)喘行故障，本文作者提出一種基于廣義相位信息的往復(fù)機械系統(tǒng)故障診斷方法。

1 廣義相位概念的提出

在數(shù)學、物理學等領(lǐng)域，相位概念經(jīng)常用于描述機械振動、電學物理量的空間位置或時間先后關(guān)系。就機械振動系統(tǒng)而言，相位用于表示在給定時刻振動體被測點相對于固定參考點的位置，或描述不同部件之間的振動，如式(1)所示。也可以表示2個振動矢量在時間和空間上的相互關(guān)系[4]。

x=Asin(ωt+φ)

(1)

式中：x表示振動體的位移；A表示振幅；ω表示角頻率；φ表示初始相位，單位為rad或者(°)。

在復(fù)雜周期往復(fù)機械系統(tǒng)中，由于人為操作導致執(zhí)行機構(gòu)速度不穩(wěn)定，在不同的工作循環(huán)中，各機構(gòu)的狀態(tài)時域信號不穩(wěn)定?？紤]以某機件的工作行程周期為參考基準，將其他零件工作狀態(tài)信號繪制在該機件的相位坐標圖上，則此時各信號的相位信息反映的是系統(tǒng)各零件狀態(tài)參數(shù)信號相對于基準機件的時序關(guān)系。為區(qū)別于簡諧振動和周期信號的相位概念，這里將它稱為廣義相位，用φg表示。

根據(jù)上述定義，在該相位坐標圖中，各零件的狀態(tài)信號可以表示為

fi(t)=f[ωi(t)t+φgi]+g(γgi)

(2)

式中:ωi(t)為第i個零件的角速度；φgi為該信號的廣義相位，表示第i個零件在工作循環(huán)中相對于基準部件的相位差，反映系統(tǒng)時序關(guān)系；γgi表示第i個零件狀態(tài)信號物理意義上的相位差，例如同一零件的加速度、速度和位移信號在相位上就分別相差90°。由于2個相位物理意義不同，所以不能直接進行代數(shù)運算。

對于一個確定的往復(fù)機械系統(tǒng)，各零件廣義相位差的確定性與機械系統(tǒng)的動力傳遞順序和信號的物理特性有關(guān)。在正常工況下，各零件廣義相位差應(yīng)當保持確定的相關(guān)性，即為常數(shù)Ci，如式(3)所示：

(3)

當有零件工作不正?；虼嬖诠收蠒r，該零件及相關(guān)零件狀態(tài)信號的廣義相位差就會發(fā)生變化。根據(jù)這一原理，可以依據(jù)廣義相位特征信息來判斷在時間、空間上的運動時序關(guān)系變化，進而診斷出往復(fù)機械系統(tǒng)的故障原因。

2 擺臂系統(tǒng)工作原理分析

發(fā)射塔擺臂系統(tǒng)屬于典型的往復(fù)機構(gòu)，主要由液壓分系統(tǒng)和機械分系統(tǒng)兩部分組成。其整體結(jié)構(gòu)組成與局部結(jié)構(gòu)分別如圖1、2所示。

圖1 擺臂機械分系統(tǒng)

當擺臂系統(tǒng)運行時，其工作原理如圖3所示。交流電機帶動液壓泵提供壓力油，操作人員操縱換向閥，控制液壓油的流向，進而使液壓缸活塞桿前后伸縮運動；活塞桿另一端與齒條聯(lián)接，齒條與轉(zhuǎn)軸齒輪嚙合，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸上擺臂懸臂往復(fù)擺動，擺動角度范圍為90°。為提高液壓系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，液壓分系統(tǒng)采用并聯(lián)雙泵雙閥組結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證為液壓系統(tǒng)提供足夠的壓力，為機械分系統(tǒng)提供可靠的往復(fù)動力。

圖3 液壓系統(tǒng)工作原理

從上述分析可知，擺臂系統(tǒng)的液壓部分與機械部分有著明確的單向傳遞關(guān)系。在運行過程中，不考慮測試信號物理相位的影響時，機械系統(tǒng)部件狀態(tài)信號的廣義相位應(yīng)當落后于液壓系統(tǒng)狀態(tài)信號的廣義相位。以擺臂系統(tǒng)油缸活塞桿作為基準部件，其行程周期為參照基準?？紤]到各狀態(tài)信號廣義相位信息主要是通過各信號變化趨勢對比來讀取，與狀態(tài)信號的量綱無關(guān)，因此對各狀態(tài)信息變量進行歸一化處理。另外，為避免圖中曲線重疊混亂，將各類狀態(tài)信號沿y軸適當平移，以便更清晰分析其變化趨勢。由此，得到擺臂系統(tǒng)某次開合往復(fù)工作周期的液壓缸信號曲線如圖4所示。

圖4 開合過程液壓缸狀態(tài)信號曲線

圖4中的曲線表示液壓缸狀態(tài)信號的廣義相位信息，即在時間上的先后關(guān)系。以活塞桿行程為參照，各狀態(tài)信號間的廣義相位差保持不變，更能準確反映系統(tǒng)部件間的真實工況。當各部件相位差特征發(fā)生改變時，說明該擺臂系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進而可以診斷出運行狀態(tài)異常的原因。

3 擺臂系統(tǒng)故障診斷實例

某型發(fā)射塔剛建成不久，其擺臂系統(tǒng)在試運行時便出現(xiàn)喘行現(xiàn)象，表現(xiàn)為：無外力作用條件下，擺臂開合過程存在速度不均、間歇性停頓現(xiàn)象，嚴重程度與運行速度表現(xiàn)出相關(guān)性。由于是新建系統(tǒng)，可以初步排除液壓系統(tǒng)元件老化泄漏等原因，擺臂喘行主要受系統(tǒng)動態(tài)特性影響。因此，擬通過試驗測試和信號分析的方法，利用信號的廣義相位特征量來判斷故障原因。

從該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點和工作原理分析，導致喘行故障的原因有3個：液壓系統(tǒng)動力性能、液壓缸與齒條齒輪機械傳動特性、水平擺臂機構(gòu)動態(tài)特性。針對上述可能影響因素，綜合考慮擺臂系統(tǒng)的空間布局、測點選擇、傳感器參數(shù)等因素[5-7]，擺臂系統(tǒng)測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 擺臂測試系統(tǒng)組成

利用該測試系統(tǒng)，對擺臂系統(tǒng)開、閉運行過程進行多通道同步測試并記錄數(shù)據(jù)，測得擺臂液壓系統(tǒng)電機工作電壓和電流、擺臂旋轉(zhuǎn)角位移與角速度、齒條相對液壓缸位移、液壓缸進出油口壓力和流量以及活塞桿相對液壓缸位移等信號數(shù)據(jù)。

對某一組擺臂開合過程的測試信號進行分析，通過前期信號濾波消噪預(yù)處理，可得到相應(yīng)測試信號，并進行以下分析。

(1)液壓系統(tǒng)動力特性

從圖6可以看出：驅(qū)動電機的功率曲線表明驅(qū)動電機的功率輸出基本平穩(wěn)，沒有明顯波動，說明液壓動力系統(tǒng)提供驅(qū)動力矩穩(wěn)定，液壓驅(qū)動系統(tǒng)動力特性不是造成擺臂喘行的原因；此外，盡管液壓缸前后缸內(nèi)壓力波動劇烈，但電機功率曲線保持平穩(wěn)，說明液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力滿足負荷要求，在溢流閥的調(diào)節(jié)下，沒有影響電機負載變化；從流量曲線來看，液壓缸后腔是壓力液體流入腔，由于活塞桿的存在，前后腔體截面積存在差異，使得后腔流入流量大于前腔流出流量，也符合實際情況，流量曲線總體平緩，其廣義相位特征信息不能提供更多信息；從壓力曲線來看，液壓缸前腔壓力變化劇烈，持續(xù)于整個打開過程中，后腔壓力變化相對平穩(wěn)。如圖7所示，前腔壓力曲線的廣義相位領(lǐng)先于后腔壓力曲線，說明前腔壓力變化先于后腔壓力變化，這與壓力油從后腔接口進油的實際情況是矛盾的。另外，擺臂到位后，液壓缸停止供油，由于慣性影響，擺臂出現(xiàn)往復(fù)振蕩，擺臂機構(gòu)反向力作用于活塞桿，此時前后腔壓力只受擺臂機械慣性力影響，相位特征保持一致。

圖6 打開過程液壓動力系統(tǒng)信號曲線

圖7 液壓缸前后腔壓力曲線局部細節(jié)

(2)液壓缸與齒條齒輪機械傳動特性

作為液壓系統(tǒng)動力輸出的關(guān)鍵執(zhí)行部件，液壓油缸中活塞桿直接與傳動部件齒條連接，其傳動特性包含了擺臂工作過程的負載與驅(qū)動系統(tǒng)相互作用的信息?；钊麠U和齒條位移曲線如圖8所示。由圖9、圖10可知：在擺臂喘行時刻和打開結(jié)束時刻，活塞桿與齒條位移曲線存在明顯的不同步現(xiàn)象，這說明活塞桿與齒條之間的機械連接不是緊配合，兩者間存在間隙。

圖8 活塞桿和齒條位移曲線

圖9 起始段位移曲線局部細節(jié)

圖10 終了段位移曲線局部細節(jié)

(3)水平擺臂機構(gòu)狀態(tài)分析

在擺臂系統(tǒng)中，水平擺臂是整個擺臂系統(tǒng)的傳動最末端。正常情況下，液壓系統(tǒng)的廣義相位應(yīng)領(lǐng)先于水平擺臂的廣義相位。為進行對比，選取上擺臂的速度曲線和液壓系統(tǒng)執(zhí)行部件液壓缸的壓力曲線進行對比分析(見圖11)。可以看出：上端擺臂的速度與液壓缸前腔壓力波動有明顯的對應(yīng)關(guān)系，但是在相位順序上，上端擺臂速度曲線上A1、A2兩點相位要領(lǐng)先于液壓缸前腔壓力曲線上B1、B2兩點的相位。由此可見，擺臂系統(tǒng)打開過程中，水平擺臂運行先出現(xiàn)異常，隨后才通過機械傳動，將反作用力傳遞到液壓缸。液壓缸前腔與回路通路相連，回油壓力較低，提供阻尼小，所以前腔油壓容易受水平擺臂速度波動的影響。

圖11 擺臂上端速度與液壓缸前腔壓力信號對比

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)工作過程中，驅(qū)動電機輸出功率總體平穩(wěn)，提供驅(qū)動力矩沒有明顯波動，可以判定擺臂喘行故障與驅(qū)動電機及液壓泵的運行狀態(tài)無關(guān)；

(2)液壓缸活塞桿與齒條聯(lián)接處存在間隙，兩者相對于液壓缸體的位移不完全同步，活塞桿推齒條往復(fù)運動時，存在時斷時續(xù)的狀態(tài)，導致水平擺臂處于短時低阻尼的工作環(huán)境；

(3)工作過程中，上端擺臂速度曲線廣義相位領(lǐng)先于液壓缸前腔壓力，液壓缸前腔壓力廣義相位又領(lǐng)先于后腔壓力變化，這說明水平擺臂的動態(tài)特性是喘行現(xiàn)象的根本原因。由于擺臂機械部分屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，它具有的柔性特性在擺臂運行過程中會表現(xiàn)出來。根據(jù)結(jié)論(2)可知，活塞桿與齒條連接處存在間隙，使得水平擺臂在工作過程中短時處于無阻尼或小阻尼狀態(tài)，進而出現(xiàn)振顫、速度不均的喘行現(xiàn)象。

因此，為減弱或消除擺臂喘行現(xiàn)象，一是要消除齒條與活塞桿之間間隙，使液壓缸在提供驅(qū)動力矩的同時，還可以提供部分阻尼，以減弱水平擺臂固有柔性特性的影響[8]；二是改造擺臂機械結(jié)構(gòu)，增加若干個阻尼器，提高擺臂機構(gòu)運動平穩(wěn)性[9-10]。

4 結(jié)論

根據(jù)往復(fù)機構(gòu)的工作特點和運行規(guī)律，提出了一種基于廣義相位信息特征的故障診斷分析方法。將該方法運用于典型往復(fù)機構(gòu)發(fā)射塔擺臂系統(tǒng)的故障診斷中，找出了擺臂系統(tǒng)喘行故障原因，提出相應(yīng)的改進措施?；谛盘枏V義相位特征信息分析方法的研究，為往復(fù)機械系統(tǒng)的性能檢測與故障診斷提供了一種新的研究思路，具有重要的實際工程意義。