（机械电子工程专业论文）密炼机液压系统故障机理研究及故障诊断系统设计.pdf

i 。f ttf， 原创性声明 彬 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丞篷薹j 建日期：垫q 年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：_ 堑狴筮导师签名：日期：垒盟年羔月卫曰 中南大学硕+ 学位论文摘要 摘要 密闭式炼胶机( 以下统称密炼机) 是当前世界橡胶工业的主要炼胶设备。密 炼机液压系统作为设备的动力源，起着十分重要的作用，由于国内对密炼机的研 究起步晚，在引进国外密炼机液压系统技术时照搬，使系统工作状态直观性差， 参数不易获取，一旦发生故障难以查找和排除，同时，液压系统故障预兆与故障 原因之间存在复杂的非线性映射关系，不能用简单的函数关系来描述，对使用传 统故障诊断技术造成一定的困难。 本文以“找出故障一分析故障一诊断与排除故障”为总线，针对密炼机液压 系统故障的特点，笔者首先分析了本系统中关键液压元件的故障机理，并引入 t s 模型的模糊故障树分析方法，对各液压零部件故障间的联系进行了分析，估 算了液压系统故障事件发生的概率；其次对系统进行建模及故障仿真，进一步揭 示了系统各种故障现象与故障原因的内在联系；然后建立了基于神经网络的液压 故障诊断专家系统，并通过对g k 型密炼机液压系统设置故障和现场诊断，证明 了该故障诊断系统能快速准确地对各类故障做出正确的诊断。 在故障诊断系统的设计过程中，利用a m e s i m 软件对密炼机液压系统故障现 象进行了仿真分析，有效地解决了知识“窄台阶”的问题，丰富了系统故障样本 库：使用v i s u a lb a s i c 进行人机交互界面和整体控制程序的设计，并采用a c c e s s 建立基于动态数据库的知识库，维护和管理其它数据文件；利用m a t l a b 进行神 经网络部分的训练、计算和仿真实验，将结果保存到a c c e s s 数据库中，这样使开 发的故障诊断系统具有良好的兼容性。 本文针对密炼机液压系统的故障机理进行了研究，并提出了一种用于液压设 备故障诊断的通用方案，对提高密炼机液压系统的使用与维护性能有一定理论意 义和实用价值。 关键词密炼机液压系统，模糊故障树分析，神经网络，专家系统，故障诊断 中南人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n t e rm i x e rh a sb e e nt h em a i nr u b b e rr e f i n i n ge q u i p m e n ti nt h e f i l e do fr u b b e r si n d u s t r i a ln o w a d a y s s i n c eb e g i n n i n go fs t u d i e sa b o u t i n t e rm i x e ri sl a t e ri no u rc o u n t r y , a n dc o p yt h et h ef o r e i g nh y d r a u l i c s y s t e mc o m p l e t e l yw h e ni m p o r t i n gt e c h n o l o g y ，i t sw o r k i n gs t a t u so ft h e s y s t e mi sn o ti n t u i t i v e ，p o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ep a r a m e t e ri sn o te a s y t oo b t a i n ，i ti sd i f f i c u l tt of i n da n dr e m o v ei nt h ee v e n to fb r e a k i n g d o w n ；m e a n w h i l e ，t h e r ei sc o m p l e xn o n - l i n e a rm a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e n f a u l ts i g na n dt h ec a u s eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，i tc a n n o tb ed e s c r i b e di n t h es i m p l ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s ，c a u s e sc e r t a i nd i f f i c u l tf o rt h ec l a s s i c a l f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y t h i sp a p e ru s e st h ei d e ao f d i s c o v e r i n gt h et r o u b l e a n a l y s i n g f a u l t f a u l td i a g n o s i sa n de l i m i n a t i o n ，i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n t e rm i x e rh y d r a u l i cs y s t e m sf a u l t ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ef a i l u r e m e c h a n i s mo ft h ek e yh y d r a u l i cc o m p o n e n t so ft h i ss y s t e ma tf i r s t ，a n d t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no ft - sm o d e lf u z z yf a u l tt r e ea n a l y s i sm e t h o dt o a n a l y z et h el i n kb e t w e e nt h ef a i l u r eo fh y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，e s t i m a t e t h ep r o b a b i l i t yo fh y d r a u l i cs y s t e mf a i l u r eo c c u r r e d ，f i n dt h er e l a t i v e l y w e a kl i n k so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ；f o l l o w e db ys y s t e mm o d e l i n ga n d f a u l ts i m u l a t i o n ，f u r t h e ra c c e s st h ei n n e rr e l a t i o n so fv a r i o u sf a u l t p h e n o m e n aa n d f a u l t c a u s e s ；f i n a l l y , h a s e s t a b l i s h e d h y d r a u l i c f a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e mb a s e do nt h en e u r a ln e t w o r k ，a n dt h r o u g hs e t b r e a k d o w na n dc a r r i e do nt h es c e n ed i a g n o s i st ot h eg ki n t e r n a lm i x e r h y d r a u l i cs y s t e m ，h a dp r o v e nt h i sd i a g n o s i ss y s t e mc a nm a k et h ec o r r e c t d i a g n o s i sa c c u r a t e l yf a s tt oe a c hk i n do ff a u l t t h ea u t h o ru s e dt h ef o l l o w i n gt o o l st oi m p l e m e n tt h es y s t e m ，u s e s a m e s i mt os i m u l a t ea n da n a l y s et h es m a l lp r o b a b i l i t yf a u l tp h e n o m e n o n o ft h ei n t e rm i x e rh y d r a u l i cs y s t e m ，h a ss o l v e dt h ep r o b l e mo ft h e k n o w l e d g e t h en a r r o ws t a i r e f f e c t i v e l y , h a se n r i c h e df a u l ts a m p l e l i b r a r y o ft h e e x p e r ts y s t e m ；u s e s v i s u a lb a s i ct ob u i l dt h e 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dd e s i g nt h ew h o l ec o n t r o l l i n gp r o g r a m ，u s e s a c c e s st oe s t a b l i s ha n dm a i n t a i nk n o w l e d g el i b r a r yb a s e do nt h ed y n a m i c d a t a b a s e ，a n dm a n a g e so t h e rd a t af il e ，t h e r ei s an a t u r a lr o u t i n ei n t e r f a c e b e t w e e na c c e s sa n dv b ；u s e sm a t l a bt oc o m p l e t et h et r a i n i n g 、c o m p u t e a n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fa n n ，t h e np r e s e r v ei nt h ea c c e s sd a t a b a s e ， t h i se n a b l e st h ef a u l t i n t e l l i g e n td i a g n o s i ss y s t e m t oh a v et h eg o o d c o m p a t i b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h ef a i l u r em e c h a n i s mo fi n t e rm i x e rh y d r a u l i cs y s t e m i ss t u d i e d ，a n dd i s t r i b u t e sg e n e r a lp r e c e p to ff a u l td i a g n o s i sf o rh y d r a l i c s y s t e m ，w h i l eh a sc e r t a i nt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u et o i m p r o v e t h eu s ea n dm a i n t e n a n c ep e r f o r m a n c eo ft h ei n t e rm i x e rh y d r a u 1 i cs y s t e m k e y w o r d s i n t e rm i x e rh y d r a u l i cs y s t e m ， f u z z yf a u l tt r e e a n a l y s i s ，n e u r a ln e t w o r k s ，e x p e r ts y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s 1 1 1 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题来源与研究背景1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 课题研究背景1 1 2 密炼机液压系统的主要故障问题论述3 1 3 国内外对液压系统故障的研究现状及发展动态4 1 3 1 液压系统故障机理的研究现状与发展4 1 3 2 液压故障诊断方法的研究现状与发展。6 1 3 3 密炼机液压故障机理及故障诊断方法的研究现状7 1 4 本课题研究的方法、意义和主要内容8 1 4 1 本课题的主要研究方法8 1 4 2 本课题的研究意义9 1 4 3 本文的主要研究内容9 第2 章密炼机液压系统的故障机理研究1 1 2 1 密炼机液压系统结构与工作原理概述1 l 2 2 密炼机液压系统的根层故障机理研究1 3 2 2 1 比例换向阀的液压卡紧故障分析1 3 2 2 2 节流孔或阻尼孔堵塞故障分析1 6 2 2 3 系统液压冲击故障分析1 7 2 3 基于t - s 模型的密炼机液压系统故障关系分析1 8 2 3 1 基于t - s 模型的模糊故障树简述1 9 2 3 2 基于t - s 模型的系统动力源故障树分析2 l 2 3 3 基于t - s 模型的上顶栓液压回路故障树分析2 4 2 4 基于a m e s i m 的密炼机液压系统故障仿真分析3 0 2 4 1 密炼机液压系统建模3 0 2 4 2 密炼机液压系统的故障仿真研究3 8 2 5 密炼机液压系统故障样本知识总结与论述4 6 2 6 本章小结4 9 第3 章基于神经网络与专家系统的故障诊断系统设计5 0 3 1 神经网络与故障诊断专家系统理论基础5 0 3 1 1 人工神经网络理论5 0 3 1 2 神经网络应用于故障诊断的理论分析5 1 3 1 3 故障诊断专家系统原理5 3 3 1 4 神经网络与专家系统的结合应用分析5 4 3 2 密炼机液压故障诊断系统的设计方案5 5 3 3 密炼机液压故障诊断知识库的设计5 7 3 3 1 知识库中的知识分类5 7 中南大学硕十学位论文 目录 3 3 2 知识库中的知识表示5 8 3 3 3 知识库转化为数据库5 9 3 。4 密炼机液压故障诊断系统的软件设计6 l 3 4 1 系统开发工具的选择6 1 3 4 2 系统软件的结构与性能6 2 3 5 系统关键技术的研究与实现6 9 3 5 1 神经网络诊断工具的实现6 9 3 5 2 特征信号的提取与数据传输7 6 3 5 3 推理机的实现7 8 3 5 4 解释器的实现8 0 3 6 本章总结8 1 第4 章现场实验与研究8 2 4 1 实验目的8 2 4 2 实验条件8 2 4 3 实验内容与结果分析8 2 4 3 1 现场实验流程8 2 4 3 2 专家系统推理诊断8 4 4 3 3 神经网络诊断研究8 5 4 4 本章总结8 8 第5 章全文总结与展望8 9 5 1 全文总结8 9 5 2 展望8 9 附录1 密炼机液压系统原理图9 l 附录2 系统主要设计程序9 2 参考文献1 0 0 致谢1 0 5 攻读硕士期间主要研究成果1 0 6 v 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源与研究背景 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 本论文来源于湖南省科技计划项目基于液压上顶栓压力的密炼机混炼机理 及智能控制研究中的故障机理研究与故障诊断部分。 1 1 2 课题研究背景 近年来，我国橡胶工业正以高于世界橡胶工业两倍的速度向前发展，特别是 这两年，国内汽车工业的迅猛发展直接带动了轮胎产业的发展，同时也推动着橡 胶工业设备的不断进步。据统计，2 0 0 9 年以来我国汽车占有量及汽车市场销售 量稳居世界第一，1 0 年后，中国橡胶消费量将达到7 5 0 万吨，占全世界橡胶消 费量的3 5 4 0 。无论是橡胶还是塑料，它们的加工过程都离不开混炼工序， 也是最重要的一道工序，密炼机就是这道关键工序的加工设备。密炼机的核心部 分为液压动力系统，长期以来的生产实践统计得出，密炼机因故障停机8 0 以上 的原因是液压系统失效。因此，在密炼机的设计与生产过程中，密炼机液压系统 的故障机理研究及故障诊断方法，一直是研发人员所关注的焦点【1 1 1 2 1 。 密炼机在各个不同的发展阶段，其液压系统呈现出的故障问题不尽相同。自 1 8 2 0 年密炼机问世以来，其结构和工作性能不断得到了更新与完善，种类也在 不断增多1 3 j 。1 9 3 6 年至1 9 8 5 年期间，橡胶工业得到了迅速发展，从而对密炼机 的要求变得十分迫切，德国w e m e rp f l e i d e r e r 设计的g k 系列密炼机从此登上历 史舞台。但此时的密炼机液压系统只控制加料门，卸料机构及锁紧机构，由于当 时液压密封技术及电液比例技术的落后，上顶栓机构采用了气动控制方式，整个 液压统相当简单，在这一阶段，密炼机液压系统故障主要集中在泄漏、污染严重 等系列问题上1 4 j 。 从1 9 8 6 至今，是密炼机技术发展更加完善的阶段。随着液压传动密封性问 题得以改善、电液比例精度提高及液压油对污染敏感度的降低，气压上顶栓逐步 被液压上顶栓取而代之，各种类型的密炼机液压系统得到了广泛应用。但在生产 过程中人们发现，液压上顶栓的压力控制精度要求很高，上顶栓液压系统出现轻 微故障，都将影响到炼胶的质量，同时此类液压故障不易彻底排除，这给系统故 障诊断带来了较大的困难【2 】【5 】【6 1 。 新世纪以来，随着我国进口液压元件和对外技术交流的日益增多，自行研发 的液压密炼机的工作性能有了不断的提高。目前我国密炼机的液压控制系统已发 中南人学硕+ 学位论文 第1 章绪论 展成较为成熟的机、电、液耦合智能化系统，但与此同时，设备的维护和检修难 度也相应的增加了很多，密炼机液压系统故障成为当前影响橡胶与塑料产业经济 效益的关键因素f 7 】【引。图1 1 所示为湖南益阳橡胶塑料机械集团公司生产的 g k 2 5 5 型密炼机。 液压系统的故障机理研 究与故障珍断技术已经历了 半个多世纪的发展，并产生 了许多相关的研究成果。但 我国橡胶工业起步较晚，密 炼机液压系统的故障机理研 究与故障诊断技术，还远跟 不上液压控制系统本身的发 展需求。密炼机液压系统相 对于普通机械设备的液压系 统，有许多相同的性质，但 也有其特殊的方面，如g k 型密炼机上顶栓液压控制系 统的某些故障外在症状很难 图1 - 1g k 型密炼机 让人发觉，但对胶料质量影响大，统计发现上顶栓液压系统故障占整个密炼机液 压系统故障的6 5 以上，同时现代密炼机液压系统已发展为机电液耦合系统，它 本身结构复杂，一旦出现故障，难以迅速查找和排除。 如图1 2 所示，密炼机在橡胶制品生产中起着关键的作用，一旦密炼机在混 炼过程中出现故障，将导致整个橡胶生产线全线停产，胶料凝固作废，造成巨大 的经济损失【9 】【1 0 】。 网一 图1 - 2 橡胶制品生产工艺流程图 因此，有待于应用各类机械设备液压故障机理的研究理论，研究密炼机液压 系统故障发生机理，故障事件之间的相互关系，以揭示故障深层原因，并进一步 设计出高效实用的液压故障诊断系统，提高密炼机液压系统工作的可靠性及日常 维护性能。 丽耀厂阱盖|一 早鑫避翮一圊 二j哥工预一甲霎 硼掣隔箸 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 密炼机液压系统的主要故障问题论述 目前，国内密炼机的最大生产商为湖南益阳橡塑机械集团及大连冰山橡塑股 份有限公司，图1 3 为课题组研发的g k 2 5 5 型密炼机液压系统，系统原理图见 附录l ，它主要包括系统动力源，上顶栓液压控制回路及下顶栓液压回路；密炼 机液压系统作为一个高压，大功率的复杂系统，其主要故障可归纳为以几个方面： 1 密炼机液压元器件故 障。上顶栓液压系统是一个压 力闭环控制系统，国内的大型 密炼机生产商，普遍采用进口 b o s c h 电液比例阀，与p l c 控制器及压力传感器组成闭 环控制【1 1 】【13 1 ，电液比例阀要 求油液的过滤精度高 ( 3 0 u r n ) ，虽然液压系统压力 油路中一般安装了高压精滤 过滤器，但由于密炼机工作环 境恶劣，若长期运行后系统的 图1 - 3g k 2 5 5 型密炼机液压系统 密封性能下降，颗粒污物、飞尘等容易混入系统中，造成比例阀阀芯卡死或阻塞 孔堵塞。 此外，系统在绝大部分时间内处于保压( 压力一般在1 8 m p a 左右) 炼胶工 况，系统安全阎和各回路的溢流阀长期负荷工作，常出现泄压、弹簧变形、压力 调节失效，压力调节不准确等问题。各个控制回路电磁换向阀也常出现电磁铁失 效，密封元件损坏引起泄漏等故障问题【1 4 】。 2 密炼机液压系统压力与流量供给不正常。密炼机炼胶工况时，液压上顶栓 应以给定压力作用在密炼室的胶料上，以满足生胶混炼工艺要求，系统通过电液 比例阀及压力传感器，p l c 控制器组成压力闭环控制系统，但由于比例阀响应速 度问题、传感器精度问题、不同系统油路设计问题，当胶料( 负载) 在密炼室转 子的挤压与剪切力作用下，突然下掉或上涌，导致系统工作压力不稳定，直接影 响胶料质量。另外，当比例阀换向快、比例阀流量控制板的斜坡输入信号故障或 上顶栓液压缸行程终了时，导致液压系统产生较高的液压冲击，破坏密封件，引 起压力继电器、发出误信号。正是因为系统多数情况下处于保压工作状态，所以 系统油源一般采用油泵断续补油，蓄能器保压方法工作，密炼机液压系统长期运 行后，若密封性能下降或液压元件内泄使系统泄漏加大，将导致油泵起动补油频 繁，油温急剧上升，蓄能器蓄放周期缩短，系统能耗上升。 3 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 3 系统油液发热严重，噪音大【1 3 】【1 4 1 。g k 型密炼机液压系统设计有冷却回 路，一般情况下，系统油液工作温度在控制范围内，但系统工作压力高，油液循 环周期长，一旦溢流阀、油泵等元件在工作压力下内泄，冷却油路故障，将导致 系统油温急剧上升。另外，类似普通机械设备液压系统，密炼机液压系统有时也 会产生其他相似故障，如油缸动作异常，电控系统失效等等。密炼机液压系统各 部分故障现象与故障原因将在下章进行详细分析。 总结上述密炼机液压系统的常见故障，不难发现它们的共同特点【”】【1 6 】： 1 故障的隐蔽性。密炼机液压系统采用无管集成装备方法，各液压元件是在 封闭的油路内工作，液压装置的损坏与失效，往往发生在内部，其工作状态与内 部结构无法从外面直接观察到，给故障的观察、检测带来难度。 2 故障的多样性和复杂性。密炼机液压系统故障原因是各种各样的，在同一 时间内可能只出现比例阀失效故障，也可能出现阀、泵等几个故障同时出现，或 是机械部分与电气、液压部分故障同时发生。 3 故障的因果关系复杂。故障的发生可能由几个原因一起造成，也有可能一 个原因造成系统多个故障同时发生，故障的症状与原因之间存在着重叠与交叉。 4 故障的产生与使用条件密切相关。密炼机液压系统在不同工作条件下运 行，可能产生不同的故障。如环境温度过低，油液粘度过大，油泵吸油困难；而 环境温度过高，油液粘度下降，使系统泄漏与压力不足等等。液压系统结构与功 能复杂，随着液压设备自动化程度越高，功能越多，发生故障的机率也随之增加。 由上述故障发生的特点可知，只有深入研究密炼机液压系统的故障机理，掌 握故障发生的深层原因，弄清各根层故障与系统故障之阳j 的相互关系，才能进一 步分析如何诊断与排除故障。 1 3 国内外对液压系统故障的研究现状及发展动态 对液压系统故障的研究主要包括两个方面：首先是对液压系统的故障机理 进行研究，其次是对液压系统的故障诊断方法的研究。 密炼机液压系统相对于普通机械设备的液压系统来说，有它的独特性，但 对于故障机理的研究方法以及液压系统的故障诊断技术，许多方面是可以借鉴 和通用的，故本节中先对各类液压系统的失效理论，故障诊断方法的研究现状 及发展动态展开论述。 1 3 1 液压系统故障机理的研究现状与发展 1 液压元件的失效机理研究 一般情况下，液压系统故障是由最基本的元件故障直接或间接引起的【1 7 】， 只有先对液压元件的原理、结构、功能、失效机理等进行深入的认识后，才能 4 中南人学硕士学位论文 第1 章绪论 顺利地对故障进行诊断与排除【1 4 】。 早期采用经典的控制理论如传递函数分析方法，对液压液压系统及元件进 行建模和失效分析，但它只适用于单输入单输出的线性系统，而实际上液压系 统及元部件很多情况下是非线性的，不可避免地有一定的误差；1 9 8 1 澳大利亚 d r d r a n s f i e l d 提出的液压控制系统的功率键合图分析法，状态空间建模法也相 继提出，使针对于液压元件的数学解析模型的分析方法更为全面，这些方法被 广泛用于动态特性分析，失效理论分析；到目前为止，基于解析模型的故障机 理分析与诊断方法成为发展最全面的研究方法【1 7 】【1 引。 1 9 7 3 年，c k s m 汕等人l l9 j 研制出了第一个面向液压领域的液压仿真软件 h y d s i m ，采用了液压元件功率口模型方式进行建模分析，此后，f l u e n t 、 a m e s i m 等液压仿真软相继出现，为液压元件的建模与失效分析提供了很好的 平台，它们的共同特点都是基于数学模型的建模分析方法，至今为止，在航天、 汽车、工程机械等各个领域，工程研发人员在分析简单液压故障机理问题时， 都不约而同地会采用计算机仿真分析方法对液压系统进行建模分析，但对液压 元件失效机理进行深层次的理论分析还有其局限性。 2 液压系统的故障相互关系研究 液压系统故障的产生，可能由单个元件故障引起，也可能由多个液压元件同 时故障引起，同时一个元件故障可能导致几个不同故障现象同时产生，故障现象 与故障原因的映射关系错综复杂。 液压系统故障相互关系的不确定性很难表达清楚，直以来，国内外对各类 机械液压系统的故障关系研究都通过概率理论对进行度量，1 9 6 2 年，美国贝尔 电报公司的电话实验室开发出了故障树分析( f t a ) 技术，它是以布尔代数和概率 论为基础的故障树分析方法：传统的故障树由事件和门组成，用它对液压系统进 行故障分析，一般将液压系统各级故障事件用故障概率表示，门用来描述各故障 事件之间的相系统关系，但它在对整个液压系统的故障发生概率进行定量分析 时，要求精确获得零部件的故障概率，同时，在实际工程中，许多情况下系统的 故障机理并不清楚的情况下，各故障事件间的联系具有不确定性，难以用“与门、 或门等来描述【1 7 】【2 0 】。 1 9 6 5 年，z a d e h 提出了模糊集理论，用来处理现象不精确和模糊的问题，国 内的姚成玉等人结合智暴法b r a i n s t o r m i n g 、德尔斐法( d e l p h i ) 提出了基于梯形 模糊数的故障树分析方法，并将其应用于压装机等液压系统的故障分析f 1 7 】，这类 方法将模糊集理论和可能性理论引入到故障树分析中，将液压系统元件故障事件 发生的概率描述为模糊数和模糊可能性，通过模糊数的运算来估计顶事件的故障 概率和底事件的重要度，克服了传统液压系统故障树分析在工程应用中的难题， 5 中南人学硕十学位论文 第1 章绪论 但仍然采用传统的逻辑门，这使得利用模糊故障树法分析密炼机液压系统故障事 件之间的相互关系时，仍需分析系统各个部分的故障机理【2 1 】【2 3 1 。 1 9 8 5 年，日本学者高木和关野1 7 】【2 4 】提出了著名的t a k a g i s u g e n o 模型( t - s 模型) ，将t - s 模型引入故障树分析中，提出一种基于t - s 模型的模糊故障树分 析方法，构造t - s 模糊门，用t - s 模糊模型描述事件间的联系，可分析液压系统 故障事件联系的不确定性问题，使故障树的建立不再依赖大量的故障数据，无需 依赖对故障机理的深入研究。新世纪以来，国内的赵静一、李志勇等人 2 4 1 1 2 5 1 对 t a k a g i s u g c n o 模型的模糊故障树分析法在液压传动领域的应用进行了研究，效 果较为理想。 1 3 2 液压故障诊断方法的研究现状与发展 自来2 0 世纪6 0 年代故障诊断技术在美国诞生以来，其发展经历了三个阶段： 简易诊断技术，故障测试仪技术及计算机故障诊断技术。简易诊断技术指是在密 炼机液压系统故障现场，工作人员直观诊断的方法，它是至今为止发展时间最长， 应用最广的方法，虽简单，但故障诊断效率不高；以传感器与信息处理技术的现 代设备诊断技术，一般没有将检测对象看作一个整体，大多将检测对象所表现出 来的特定信号用以诊断特定类型的故障，对多故障同时发生和各种故障之间可能 存在的联系及影响难以理解【2 6 】；随着计算机技术及人工智能技术的发展，基于知 识处理的智能诊断技术逐渐应用到了液压系统的故障诊断中1 2 列。 1 9 6 5 年，a 费根鲍姆等人在总结通用问题求解系统的成功与失败经验的基 础上，研制了世界上第一个专家系统d e n d r a ，续而首批专家系统在美国麻省理工 大学问世，至今为止，故障诊断专家系统是在工程机械液压系统中应用最广的一 类智能诊断系统【2 酣。上世纪术，国外的g i a r r a t a n o 2 8 1 , 及b e c r a f t t 2 9 】等学者，对专家 系统技术应用于液压故障诊断进行了系统的研究，国内诸如孙召瑞、胡军科及卢 学军等【2 7 】【3 0 】- 【3 1 场艮多学者，也对液压故障专家诊断系统进行了研究与应用，但目 前专家系统仍有不足之处：缺乏有效的诊断知识表达式和不确定性推理方法，推 理效率低：存在知识获取的“瓶颈 问题、“知识窄台阶 问题，学习能力、自 适应能力差，在线诊断困难，实时性差【3 0 1 1 3 1 1 ，这些缺点使得它在液压系统中的 应用具有局限性。 1 9 4 3 年，m c c u l l o c h 和p i t t s 3 2 1 提出了第一个人工神经元m p 模型，随 后人工神经网络理论得到了空前的发展，并应用于多个领域中。人工神经网络 是模仿人的大脑神经元结构特性，而建立的一种非线性动力学网络系统，它将 已有数据和已知故障模式作为样本，通过学习得出数据与故障模式间的映射关 系，实现了对人类经验思维的模拟。国外的a b d e l h a m e d l 3 3 】及国内学者虞和济【3 4 】 等对液压故障的神经网络诊断理论进行了较系统的研究，但神经网络也有如下 6 中南火学硕士学位论文第1 章绪论 问题：对奇异模式的判别能力弱、对结论及其过程缺乏解释能力，忽略了领域 专家的经验知识等【2 9 l 【3 5 】【3 6 1 。 此外，自从z a d e h 提出模糊集理论以后，基于模糊逻辑的诊断方法，也常应 用于各类机械设备的液压系统故障诊断。基于模糊逻辑的诊断方法，在处理复杂 控制系统的大时滞、时变及非线性方面，具有它的优越性【1 7 】，液压系统在工作过 程中，系统及元件的动态信号大多具有不确定性和模糊性，所以可将模糊逻辑引 入到系统故障诊断中。故障树分析( f t a ) 技术诞生后，国内外许多研究人员针对 液压系统故障的层次特性，采用故障树分析法对液压系统故障形成原因采用从整 体到局部按树枝状逐渐细化分析的方法，通过分析系统的薄弱环节，实现了对液 压系统故障的预测和诊断【2 0 】【3 7 】。 国内外对各种智能诊断技术的研究及应用表明，采用单一的智能诊断技术 对液压系统进行故障诊断，不同程度地存在着某些缺陷。当前，将不同的智能 诊断技术结合起来的混合诊断系统，。是智能故障诊断研究的一个发展趋势【3 8 】。 采用混合诊断系统对液压系统故障进行诊断，可以结合利用各智能诊断技术的 优点，取长补短，提高诊断效率。结合方式主要有基于规则的专家系统与神经 网络的结合：实例推理与基于规则的专家系统与神经网络的结合；模糊逻辑、 神经网络与专家系统的结合等。其中模糊逻辑、神经网络与专家系统结合的液 压系统故障智能诊断模型是最具发展前景的，也是目前人工智能领域的研究热 点之一。 1 3 3 密炼机液压故障机理及故障诊断方法的研究现状 1 密炼机液压故障机理的研究现状 2 0 世纪8 0 年代以前，美国的f a r r e ls h a wc o 、德国的w p c o 及英国的 f a r c i ss h a wc o 等密炼机研发公司的工程师们，在对f 型、g k 型、k 型密炼机 液压系统的故障机理进行分析时，均采用了基于数学解析模型的推理方法进分 析，国内对密炼机液压系统设计与故障理论研究始于2 0 世纪7 0 年代初【l 】，起 步虽晚，但却完全照搬了国外的整套方法。 至今为止，包括各主要密炼机液压系统生产商在内的橡胶工业设备研发与 制造商，其工程人员在分析简单液压故障机理问题时，都不约而同地会采用计 算机仿真分析方法对液压系统进行建模分析，但这种方法对液压元件失效机理 进行深层次的理论分析还有其局限性。基于t - s 模型的模糊故障树分析法已在 国内外部分液压系统的研发与生产机构中应用，效果显著，但这种方法到目前 为此还未用于橡胶炼胶设备液压系统的故障分析。 2 密炼机液压故障诊断方法的研究与应用现状 从我国进口的西德g k 型密炼来看，4 0 0 以上型号部分装备了基于专家系 7 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 统的智能故障诊断与报警系统，操作方便但故障诊断范围较窄，而且在液压故 障诊断方面功能较少。 国产密炼机液压系统一般未配置故障诊断系统，一旦出现故障，维护人员 往往不得不根据自已经验，将可能发生故障部位的液压元件一一拆下，这种传 统的诊断方法，扩大了检修范围，导致检修时间延长，耽搁了设备的正常生产 时间，造成经济损失巨大。 2 0 0 6 年至2 0 0 8 年间，国内湖南益阳橡机集团公司博士后工作站采用人工神 经网络系统理论，建立了g k n 型密炼机液压故障诊断系统，并进行了相关技术 的研究，该系统故障诊断效果良好，但设计复杂，对系统进行故障训练工作量大。 结合上节对液压系统故障诊断方法的分析，针对密炼机液压系统的特点，本 课题拟采用基于神经网络与专家系统的混合故障诊断技术，对密炼机液压系统进 行故障诊断与排除。 1 4 本课题研究的方法、意义和主要内容 1 4 1 本课题的主要研究方法 液压系统故障理论的研究，基本都是围绕着“发现问题一分析问题一解决问 题 的思路进行的。本课题以g k 型密炼机液压系统为研究对象，研究方法如下： 1 采用基于数学解析模型推理的方法，分析密炼机液压系统根层故障的产生机 理。这种方法是通过建立液压元件的数学解析模型，根据模型输入，推导出影响 模型正常输出的各个因素，对液压元件失效机理进行研究，从而揭示出液压元件 故障的深层原因。 2 引入t - s 模型的模糊故障树分析方法，对元件故障程度与系统故障发生概率 之间的相互关系进行研究。采用基于t - s 模型的模糊故障树分析法，对密炼机液 压系统各层故障事件之间的相互关系进行研究，无需准确的液压元件故障发生概 率，通过估算各液压元部件故障发生概率的大小，与系统故障发生概率大小的关 系，以及研究各液压元部件故障程度与上层故障事件的故障程度之间的关系，使 各层事件故障关系的分析更加透彻，为故障诊断样本提供可信的依据。 3 采用a m e s i m 软件对密炼机液压系统进行建模和故障仿真分析，节约实验成 本，验证仿真结果与前面故障分析结果的一致性，同时弥补故障诊断样本的不足。 密炼机液压系统故障机理的研究为后述故障诊断系统的建立奠定了基础。 4 用知识库管理系统软件( a c c e s s ) 建立关系型故障知识库 故障知识库是进行故障诊断推理的基础，在一个完整的液压故障诊断系统 中，只有采用一定的方法对知识库中的知识进行表示、获取、维护和管理，才能 实现液压故障诊断系统对知识的认知【3 9 】。故应对诊断密炼机液压系统故障所涉及 8 中南大学硕十学位论文第1 章绪论 的知识进行整理以方便获取，并采用产生式规则的表示方法对知识进行描述，然 后输入有效的a c c e s s 中，实现对密炼机液压系统故障知识库的建立。 5 面向对象的程序设计方法。 本课题将采用面向对象的设计方法建立密炼机液压故障诊断系统，通过面向 对象的程序设计v b 语言来实现诊断系统的数据库结构技术、设计思想及知识表 示方法等。 6 神经网络算法与专家系统相结合。 诊断系统的故障诊断过程采用神经网络算法与专家系统相结合的技术，以实 现符号推理与神经网络推理相结合，具有层次清晰、容易理解、推理效率较高等 优点，使密炼机液压故障诊断系统能够模拟技术人员的逻辑和形象思维能力。 1 4 2 本课题的研究意义 近年来，随着我国汽车行业的井喷，橡胶工业的发展突飞猛进，轮胎需求量 直线攀升，而生产轮胎原材料的主流炼胶设备液压密炼机的需求量也不断加大， 同时国内原有液压密炼机保持量相当巨大，如何使密炼机正常可靠运行，出现故 障快速诊断与排除，成为直接影响橡胶工业发展的重要因素。 综上所述，研究密炼机液压系统的故障机理及故障诊断方法，对橡胶机械的 生产，乃至整个汽车工业的发展都具有重要意义： 1 密炼机液压系统故障机理的研究，对同行业故障分析有一定指导意义。 2 对密炼机液压系统进行建模仿真，解放工程技术人员，降低劳动强度，节约 实验成本，并丰富了系统的故障诊断知识库。 3 开发切实可行的密炼机液压故障诊断系统，解决系统故障难以排除，故障排 除费时，要求维修技术高等问题。 4 液压故障诊断系统大大提高了国内现有密炼机的使用与维护性能，间接产生 了巨大的经济价值，推动了国内汽车工业的发展。 1 4 3 本文的主要研究内容 本文针对g k 型密炼机液压系统常见故障现象，深入研究其失效机理，并在 此基础上总结密炼机液压故障样本知识，然后设计出基于神经网络的诊断专家系 统，以实现对密炼机液压系统故障的诊断与排除。本文主要工作如下： 1 参阅大量国内外文献，深入学习了相关理论知识，并分析了密炼机液压系统 工作原理。 2 参与设计、制作及调试一台g k 型密炼机液压系统，现场采集了相关的系统 及液压元件参数，为故障实验和仿真研究提供可靠的数据。 3 对密炼机液压系统的故障机理进行了较深入的研究，丰富故障诊断系统与故 9 中南火学硕十学位论文第1 章绪论 障样本知识库，为故障诊断系统的设计奠定基础。 4 利用知识库管理系统软件建立故障诊断系统的关系型故障知识库。 5 以人工神经网络、专家系统的基本理论基础，结合液压流体力学相关知识， 建立了密炼机液压故障诊断专家系统。 6 以现场实验的手段验证故障诊断专家系统的正确性与实用性。 l o 第2 章密炼机液压系统的故障