（机械制造及其自动化专业论文）矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着现代工业及科学技术的迅速发展，用于工业生产的各种生产设备也在 不断发展，这不仅表现在设备本身功能的不断完善上，更表现在设备的自动化 程度上，因此，目前工业生产设备正朝着高自动化集成的方向发展。 作为采矿业重要生产设备的矿运卡车在矿物运输过程中发挥着重要的作 用，尤其是对于地下矿物的运输，地下无轨矿运卡车的作用更是无可非议。在 2 0 世纪8 0 年代以前，国内的矿运卡车主要依靠进口。自8 0 年代以来，国内 诸多企业开始自己研制矿运卡车，并取得了一定的成果。但目前国内自主生产 的矿运卡车的自动化程度还比较低，尤其是设备的自我故障诊断能力上更是相 当薄弱，目前国内生产的矿运卡车的故障诊断还处于依靠技术人员经验的故障 排除方法上，因此这不但与当前工业生产设备的自动化发展方向相悖，也不利 于设备本身生产率的提高。因此，针对目前国内自主生产的矿运卡车的设计水 平及使用情况，很有必要对矿运卡车的自动故障诊断能力进行改进。液压系统 作为矿运卡车的重要组成部分，其工作性能的好坏直接影响着整个设备的工作 状态，而是否能及时地排除故障更影响着设备的生产效率。因此有必要对矿运 卡车液压系统的智能故障诊断作相应研究。 本文将结合目前矿运卡车在国内外的应用水平及发展趋势和矿运卡车液 压系统的结构特点、工作环境及目前常用的液压系统故障诊断方法，提出有效 的模糊神经网络故障诊断方法。在信息处理上给出较为有效的处理方法，并结 合矿运卡车液压系统详细阐述模糊神经网络故障诊断方法的具体实现，通过对 模糊神经网络故障诊断前后结果的比较论证了采用模糊神经网作为矿运卡车 液压系统故障诊断方法的正确性、有效性和可靠性。此外文章还对整个矿运卡 车液压系统状态监测及故障诊断系统的硬件和软件设计作了详细介绍。 关键词：模糊神经网络，液压系统，故障诊断，状态监测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a l lk i n d so f e q u i p m e n t sa r ed e v e l o p i n gc o n t i n u o u s l y , w h i c hi sn o to n l yo ne q u i p m e n t s f u n c t i o nb u t a l s oo nm e i ra u t o m a t i o nl e v e l s o ，n o w a d a y s ，t h ep r o d u c t i v ee q u i p m e n t so fi n d u s t r ya r e d e v e l o p i n gt o w a r d sh i 曲a u t o m a t i ci n t e g r a t i o nl e v e l m i n i n gt r u c kw h i c ha c t s a st h ei m p o r t a n tp r o d u c t i v ee q u i p m e n tp l a y sak e y f u n c t i o ni nm i n i n gi n d u s t r y , e s p e c i a l l yi nu n d e r g r o u n dm i n e r a lt r a n s p o r t a t i o n b e f o r e 19 8 0 s ，t h em i n i n gt r a c k su s e di nc h i n an e a r l yd e p e n d e do ni m p o r t ，b u ts i n c e19 8 0 s ， m a n yc h i n e s ec o m p a n i e sh a v eb e g u nt od e v e l o pm i n i n gt r u c k ，a n db i gp r o g r e s sh a s b e e nm a d et h r o u g haf e wy e a r s e f f o r t h o w e v e r , t h ea u t o m a t i o nl e v e lo ft h e i rm i n i n g t r u c k si ss t i l lv e r yl o w , e s p e c i a l l yo nt h e i rf a u l td i a g n o s i sa b i l i t y n o w , t h em i n i n gt r u c k s m a d ei nd o m e s t i cn e a r l yd e p e n do nt e c h n i c i a n se x p e r i e n c e st od i a g n o s ef a u l t s ，w h i c hi s n o to n l yi nc o n t r a r yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le q u i p m e n t sb u t a l s on o t b e n e f i c i a lf o rt h ee n h a n c e m e n to fp r o d u c t i v ee f f i c i e n c yo fe q u i p m e n t s t h e r e f o r e ， a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nl e v e la n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o no fd o m e s t i cm i n i n gt r u c k s ，i ti s n e c e s s a r y t oi m p r o v et h e i rf a u l ts e l f - d i a g n o s i sa b i l i t y h y d r a u l i cs y s t e mi st h em a i np a r t o fm i n i n gt r u c k ，a n di t sf u n c t i o nd i r e c t l yi n f l u e n c et h ef u n c t i o no ft h ew h o l em i n i n g t r u c k ，m o r e o v e r , w h e t h e rh y d r a u l i cs y s t e mh a sas e l f - d i a g n o s i sa b i l i t yw i l li n f l u e n c e p r o d u c t i v ee f f i c i e n c yo fe q u i p m e n t ，h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v eh y d r a u l i cs y s t e m s f a u l ti n t e l l i g e n td i a g n o s i sa b i l i t y i nt h i sp a p e r , o n ef a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r kf o r h y d r a u l i cs y s t e mo fm i n i n gt r u c k h a sb e e ng i v e nc o m b i n i n gw i t ht h ea p p l i c a t i o nl e v e l ， c h a r a c t e ro fm i n i n gt r u c k sh y d r a u l i cs y s t e ms t r u c t u r e ，f a u l td i a g n o s i sm e t h o d si n c o n l l t l o nu s ei nh y a r a u l i cs y s t e ma n ds oo n t h r o u g hc o m p a r i n gt h ef a u l td i a g n o s i s r e s u l tu t i l i z i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r kw i t ht h ef a u l td i a g n o s i sr e s u l tu t i l i z i n gl o g i c ，i ti s p r o v e dt h a tt h er e s u l ta d o p t i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r kt oh y d r a u l i cs y s t e m f a u l td i a g n o s i s i sm o r ea c c u r a t e ，v a l i da n dr e l i a b l e m o r e o v e r , t h i sp a p e ra l s op r e s e n t sd e t a i l e d l yt h e a n a l y s i sm e t h o d so fa c q u i s i t i o nd a t aa n dd e s i g nm e t h o do fh a r d w a r ea n ds o t tw a r eo f t h ew h o l es t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m k e y w o r d s ：f u z z yn e u r a ln e t w o r k ，h y d r a u l i cs y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，s t a t em o n i t o r i n g 独创性声明 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。据我所知，除了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 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：活互 导师签名：矽卷蟛 日期：矽衫年弓月z 歹日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 矿运卡车作为采矿运输的重要工具，在采矿生产中发挥着重要作用叫们。 国外早在上世纪6 0 年代就开始采用地下无轨采矿运输设备，近3 0 年来，随着 采矿技术的不断发展，无轨化采矿方式已被越来越多的矿山所采用。由于无轨 矿运卡车机动灵活、安全可靠、性能卓越等特点，近年来，无轨矿运卡车得到 了国外采矿工业比较发达的国家，如瑞典、美国、加拿大、德国等国家的广泛 应用。国外对无轨矿运设备的研究也比较早，到目前已取得显著成就，其中对 无轨矿运卡车研究较有名气的公司主要有芬兰的t a m r o c k 公司、美国w a g n e r 公司、德国g h h 公司等，这些公司在不断的研究开发后都形成了自己的系列 产品。目前，国外企业对矿运卡车的自动化性能十分重视，不断开展设备的自 我故障诊断技术的研究，整个矿运卡车正朝着远程遥控的无人驾驶方向发展。 而在国内，从上世纪7 0 年代中期开始使用矿运卡车，先后从美国w a g n e r 公司、 德国g h h 公司等引进了无轨矿运设备，在引进的同时，国内部分厂家也开始 自行研制开发，但是由于技术和配置方面的原因，8 0 年代中期这些研制设备 已经基本停止使用。8 0 年代末9 0 年代初期，长沙矿山研究院、北京矿冶研究 院、北京科技大学、金川有色金属公司第二机械厂、衡阳冶金机械总厂、南昌 通用机械厂等单位分别引进技术，重新拟定总体研制方案，相继研制出w j 和 c y 两大系列的铲运机。9 0 年代中期，北京科技大学、金川有色金属公司第二 机械厂、太原矿山机器厂、长沙矿山研究院、北京矿冶研究院等单位在引进国 外矿用汽车设计技术的条件下，分别研制开发出符合我国矿山实际的j k q 一2 5 、 j k q 一1 0 、j z c - l o 、u k - 1 2 矿运卡车。这些研制产品整体品质较好，性能稳定可 靠，且价格仅为国外同类产品的l 2 2 3 ，已经逐步占领了国内市场。在 经过了近3 0 年的发展后我国无轨矿运卡车的生产技术日趋成熟，接近或达到 世界当代水平。但是，就国内企业自主研发生产的矿运卡车而言，其自动化程 度相当低，自我故障诊断能力也十分薄弱，不过，现在国内企业也开始对这方 面重视起来，并展开了一定研究。因此，国内自主研发的矿运卡车也正朝着高 电子科技大学硕士学位论文 自动化程度的方向发展，以最终实现远程遥控的目标。 随着现代工业及科学技术的迅速发展，以及采矿业对矿运设备提出的更高 要求，尤其是对工作于恶劣地下环境下的矿运卡车的新要求，使得矿运卡车功 能越来越完善，自动化程度也越来越高。相反，这也使得矿运卡车的结构越来 越复杂，而液压系统作为矿运卡车的重要组成部分，其复杂性也随之增强，这 不仅表现在液压系统的结构上，还表现在液压系统信息传递上，这就使得设备 液压系统的不同部分之间互相关联、紧密耦合，而且液压系统与设备其他部分 之间也存在着紧密的联系，在运行过程中形成一个整体，从而表现为液压系统 故障的联锁反应特性，若液压系统一处发生关键故障，有可能产生一系列连锁 反应，导致整个设备甚至整个生产过程不能运行，造成巨大的经济损失或灾难 性的人员伤亡和社会影响。在当今技术竞争日趋激烈的环境中，工业企业成功 所必需的关键因素之一是产品制造运行过程中的质量控制，同时要使设备具有 较高的安全性、可靠性和保障性。为了避免严重的灾难性事故的发生，我们必 须采取以“设备状态监测与故障诊断”为技术核心的防范措施。 1 2 液压系统故障诊断技术的研究现状及发展趋势 液压系统的故障诊断技术相比其它领域来讲比较落后，其研究方向大致可 以分为离线故障诊断技术的研究和在线故障诊断技术的研究。液压系统离线故 障诊断技术主要有感观诊断法、逻辑分析法、仪器检测法等【5 】。其中感观诊断 法主要依据人的感官观察结果对液压系统作一定的判断，如通过看、听、摸、 闻、查、问等方式检测液压系统的异常现象，再根据技术人员的工作经验对故 障原因进行推理。逻辑分析法是根据液压系统中产生的各种故障现象，采取逻 辑分析和推理的方法，逐渐逼近产生故障的部位，找到产生故障的原因。仪器 检测法是采用一些专门的检测仪器，对液压系统作定量的检测，这些方法结构 简单，工作可靠，成本低廉，可操作性好，因此在液压系统离线的故障诊断中 使用得很多，但这种方法在液压系统的在线故障诊断中却无能为力。 如今工程机械正朝着自动化的方向发展，要求设备具有故障自诊断能力， 这就促进了在线故障诊断技术的发展。由于液压系统是集机械、电气和液压与 一体的复杂系统，系统中的信息传递复杂，各部分间存在耦合性，因此可能出 现一种故障征兆导致多种故障现象，一种故障现象由多个故障征兆引起的现 2 第一章绪论 象，因此对液压系统的在线故障诊断技术上有其独特一面。如今，各企业界对 液压系统在线故障诊断技术上更注重于液压系统故障的智能诊断方法的研究。 由于液压系统故障在线智能诊断方法不但可以实时跟踪设备的运行状态，还具 有对设备潜在故障的预测功能，因此，目前对这种方法的研究较多，而且也取 得了一定成果。常见的故障智能诊断方法有基于专家系统的故障智能诊断法、 基于神经网络的故障智能诊断法、基于模糊逻辑的故障诊断法、基于故障树分 析的故障诊断法、基于实例推理的故障诊断法等1 。这几种方法都有其各自的 优点，比如基于专家系统的故障智能诊断法能充分利用领域内专家的经验知 识，神经网络具有良好的自学习、自适应、联想、记忆等优点，模糊逻辑可以 清晰地用语言的方式将系统中的模糊性概念表达出来，故障树可清晰地表达故 障及其征兆的层次关系等等，因此这些方法在液压系统故障智能诊断中得到了 广泛的应用。但是，这几种方法也存在各自的不足，如基于专家系统的故障智 能诊断法中专家知识的获取存在“瓶颈”现象，神经网络故障诊断学习样本获 取在某种场合不方便，对模糊性概念无法用语言来表达，模糊逻辑不具有学习 能力等等，从而导致这些方法在使用上存在一定的局限性。因此目前，液压系 统故障智能诊断方法更多采用混合型故障诊断法，即将这几种中某两种或某几 种方法综合起来，彼此扬长避短，从而到达更佳的故障诊断效果。而这种对液 压系统故障混合型诊断方法的研究也是目前液压系统故障智能诊断技术的发 展方向。 1 3 研究项目的提出及关键技术 1 3 1 研究项目的提出及其意义 无轨采矿技术与装备是提高采矿技术与生产效率的重要手段，以地下无轨 矿运设备和自卸式运矿卡车为代表的无轨矿运设备，在国内外已成为采矿技术 发展的主流。近年来，我国地下矿山以地下无轨矿运设备和矿运卡车为核心的 采矿装备得到了极大的发展，先后研制成功2 0 多种规格的地下无轨矿运设备， 其斗容从0 3 8 m3 发展到6 m3 ，矿运卡车从8 t 发展到2 5 t 。地下无轨矿运设备 的发展和广泛运用，加速了凿岩台车和自卸式运矿卡车等各种无轨矿运设备的 推广应用，并推动地下采矿工艺也发生了深刻的变革，极大地提高了井下作业 3 电子科技大学硕士学位论文 的安全性和生产效率。 目前，世界范围内各制造企业均普遍对无轨矿运设备进行自动化和电子信 息化改造，以推动产品升级换代。与全球技术领先的制造企业的产品相比，国 内公司相应的无轨矿运设备在设备运行信息监测、操作自动化、故障自动诊断 等方面与国外先进技术相比存在一定差距。尤其在自动检测和故障诊断方面存 在着检测手段落后，不能检测地下无轨矿运设备运行的各相关参数，不能提早 发现和预告设备的故障，从而表现为无轨矿运设备故障率高、安全性差、维修 成本高、工作效率低等不足。针对国内某公司无轨设备的现状，该公司与电子 科技大学机械电子工程学院合作，对该公司生产的地下矿运卡车进行结构化和 信息化的改造，设计开发出自动监测和故障诊断系统，解决地下矿运卡车存在 的以上问题，从而提升该公司无轨矿运设备产品的层次，保持或扩大市场竞争 力。 而液压系统是矿运卡车的重要组成部分，由于液压系统在结构和信息传递 上的独特性，因此如何解决液压系统的状态监测与故障诊断是整个矿运卡车状 态监测与故障诊断系统的关键，本论文所要讨论的“矿运卡车液压系统状态监 测与故障诊断系统的研究 也是基于此提出的。 1 3 2 项目研究的关键技术 在整个系统的研究设计中，主要存在以下关键技术： 1 特征信号的选取 由于液压系统独特的结构特点及信息传递方式，因此，如何选取特征信号 是状态监测和故障诊断的基础，也是整个系统准确性的根本保证。只有正确的 测量矿运卡车液压系统运行中的真实其有代表性的信号，对特征信号以后的处 理与分析才有真正的意义。所以，特征信号选取的合理与否是整个系统成败的 关键。 2 基于模糊神经网络的诊断方法的研究 由于用于检测整个设备液压系统参量的传感器较多，检测参量也就比较 多。如果能够充分利用多传感器信息进行设备液压系统故障诊断，那么必然能 够有效地提高故障诊断的准确性。因此，如何将多个传感器的检测信息充分融 合利用是整个系统故障诊断系统开发的重点和难点。 4 第一章绪论 3 系统硬件设计及其防护 由于矿运卡车工作在潮湿、强振动、多灰尘的恶劣地下环境，加上整个设 备用于安装检测系统的空间有限，因此如何分布检测系统的硬件及对硬件安全 性的防护是保证整个系统正常工作的关键，针对于此，本文提出采用分布式模 块化的硬件设计方法，并对各环节采取防水、防振、防尘等防护措施，以保证 系统的正常工作。 4 软件系统的开发方法 软件系统是整个系统的神经中枢、控制中心，一旦出现问题，那么整个系 统将处于瘫痪的状态。因此，提高软件的质量和可靠性是至关重要的。 针对研究项目的实际，整个系统的软件设计采用组态软件作为开发软件， 由于组态软件在工业控制领域的广泛应用及二次开发难度较小等特点，采用组 态软件作为本研究项目的开发软件将有助于降低软件开发难度，缩短开发时 间，降低开发成本，提高软件的可靠性和可维护性等优点。 5 系统中数值分析核心算法和解决 作为一个具有信号分析和故障诊断功能的系统，必然涉及到大量复杂的数 值分析算法的设计问题。如果对这些算法通过编程方法进行软件实现，那么必 然造成编程工作量大，编程难度高，调试困难，算法的可靠性难以保证等一系 列问题。 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司推出的交互式计算机软件，它面向科学计算， 具有强大的矩阵运算和数值分析功能，加上该软件的不断完善，以广泛应用于 各个领域。因此采用m a t l a b 强大的数值运算和分析功能来完成软件核心算 法的设计，那么必然大大减少软件的开发难度，减少编程工作量，同时提高软 件算法的可靠性。 1 4 论文的研究内容和结构 随着工业设备向高速度、高效率、高可靠性、大型化的趋势发展，传统的 故障诊断技术越来越难以满足复杂设备诊断的需求。同时，这些复杂设备往往 装配有多个传感器，因此采用多传感器信息融合技术融入到故障诊断领域，以 提高设备故障诊断的有效性，减少误诊、漏诊。 本文正是以此为出发点，在分析了矿运卡车液压系统这一实际的基础上， 电子科技大学硕士学位论文 提出基于模糊神经网络的故障诊断方法，从理论上论证了模糊神经网络故障诊 断方法的可行性和有效性，并建立了模糊神经网络故障诊断的一般框架。 下面简要介绍一下各章的内容安排： 第一章在对国内外矿运卡车应用现状及发展趋势有一定了解后，提出对矿 运卡车液压系统进行故障诊断的必要性和意义，并介绍了目前液压系统常见的 故障诊断方法及其发展趋势。 第二章在深入分析了矿运卡车液压系统的结构特点和常见失效形式的基 础上提出了基于模糊神经网络的故障诊断方法和面向液压子系统对象的模块 化故障诊断结构。 第三章根据矿运卡车液压系统各个子系统的结构特点和常见故障确定了 各子系统监测点分布。并就各监测信息的预处理方法( 包括标度变换、数字滤 波、奇异项剔除等) 作了一定说明。 第四章较详细地介绍了模糊逻辑理论和神经网络理论及模糊神经网络的 构建方法，为第五章液压系统故障诊断的模糊神经网络实现奠定了基础。 第五章依据第二章提出的矿运卡车液压系统模糊神经网络故障诊断策略 和模块化设计策略阐述了矿运卡车液压系统故障诊断系统的具体实现方法。并 对采用模糊神经网络故障诊断方法和传统的逻辑判断法作了比较，突出了采用 模糊神经网络故障诊断方法的优势。 第六章对整个故障诊断系统的硬件和软件设计方法作了一定介绍，着重说 明了硬件设计的基本方法和设计原理，以及人机界面设计的方法。 第七章对全文作了一个总结，阐述了在整个项目研究中所提出的一些创新 点、不足和改进措施。 6 第二章矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断策略的研究 第二章矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断策略的研究 矿运卡车是一种广泛应用于采矿业中矿物运输的设备，本文要讨论的矿运卡 车是一款正应用于某公司的地下无轨矿运卡车。矿运卡车从结构上主要包括发 动机、传动系统、液压系统、电气系统、司机驾驶室和车斗等部分。由于液压 系统具有工作平稳、反应快、动力传动比大、动作灵敏、冲击小、易于操纵等 特点，在工程机械中得到广泛应用。而在矿运卡车中，由于矿运卡车吨位不断 上升，传统的机械动力传递很难满足要求，而液压系统能很好地解决这方面的 问题，此外，由于液压系统的工作平稳、反应快等特点【7 】，使矿运卡车能较容 易地实现快速启动、制动和频繁的换向等操作，从而一方面提升了矿运卡车的 工作效率，另一方面保证了矿运卡车的工作安全。但是，液压系统也存在自身 不可避免的缺点，如液压传动对油温敏感、泄露现象不可避免、系统抗油液污 染能力差、发生故障不易检查出原因和难以排除故障等，因此如何尽量避免这 些弊端或在这些弊端发生时能得到尽快解决是目前众多科研人员对液压系统的 主要研究方向。这些研究主要表现在两方面，一是注重液压系统元器件的研究， 设计开发出性能更好、集成度更高的产品，从而尽量避免液压系统诸如泄露现 象不可避免和系统抗油液污染能力差的缺陷；另一方面是开展对液压系统的状 态监测与智能故障诊断方法的研究，实现在液压系统发生诸多故障时系统能自 我监测、诊断和预测，对液压系统的故障能在故障初期就得到处理，从而提高 液压系统的工作性能。 目前，国内自主研发生产的矿运卡车在状态监测上主要依靠于传统的仪器仪 表，而且仪表的分布较分散，监测参量也比较少，不能实时观察设备的运行状 态。而在设备的故障诊断方面更主要依靠技术人员的个人经验，在故障诊断中 参与了大量的人工力量，这与当前矿运卡车正向自动化的发展方向相悖。由于 液压系统是矿运卡车的重要组成部分及液压系统在矿运卡车中的重要作用，开 展对矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断方法的研究具有重要意义，这不仅 体现在为矿运卡车自动化能力的提高提供一种途径上，更体现在提高了设备生 产单位在该领域的技术水平，提高了设备的市场竞争力，因此具有很强的社会 意义。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 矿运卡车液压系统的组成及工艺特点 2 1 1 矿运卡车液压系统的组成 从结构上，矿运卡车液压系统可分为工作系统、制动系统和双变循环系统陋钔。 1 工作系统：工作系统包括举升系统和转向系统。转向系统的设计采用了国 际上先进的全液压转向系统，该系统由转向器、流量放大器、液压泵等组成，而 流量放大器又由液控换向阀、缓冲阀、优先分配阀、限压阀等集合而成。与传统 的转向操作系统相比，该系统可以实现和工作液压系统合流，当车辆在行驶时， 系统通过优先分配阀优先满足转向系统工作；当车辆进行举升和卸载作业时，系 统又通过分配阀把转向和工作系统合流以满足工作系统大流量用油。同时，当车 辆进行急转弯操作或在路面不平的道路上行驶时，通过缓冲阀的作用，可以消除 系统的瞬间高压或吸空现象，保证转向系统安全可靠的工作。这种系统结构紧凑、 操作灵敏轻便、性能稳定可靠。该系统的主要液压元件选用了力士乐、克莫索和 丹弗斯等国际优秀的液压元件。其结构原图如图2 - 1 所示。 1 油箱：2 吸油滤清器：3 双联泵：4 放大器：5 举升控制阀：6 先导供油阀：7 先导阀： 8 集流块：9 转向器：1 0 安全阀：1 1 单向节流阀：1 2 举升缸：1 3 转向缸 图2 - 1 工作系统结构 第二章矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断策略的研究 2 制动系统：制动系统性能的稳定可靠性直接影响着行车及停车的安全性。 矿运卡车的制动系统主要由制动器和制动液压系统两部分组成，以完成行车制动、 停车制动等功能。矿运卡车制动系统采用了国际比较先进的全封闭多盘湿式制动 器，它与传统的蹄式制动器和钳盘式制动器相比具有工作性能十分稳定、散热性能 良好、制动器的使用寿命比较长、较小的制动压力下能获得较大的制动力矩等优 点。因此，全封闭多盘湿式制动器彻底解决了井下多泥水引起的制动衰退现象和 重载斜坡道运行时出现的热衰退现象，充分保证了整车制动性能的安全稳定性。 在制动液压系统的设计上，采用了全液压双管路蓄能制动回路，它与传统的气 动式和气液式制动回路相比，采用蓄能器充液保压，从而保证了制动系统的制动 压力稳定，即使在发动机突然熄火的状态下，仍然能在短时间内应急制动。在制 动系统中，还采用了双管路设计，各个车轮的制动器管路是完全分开的，互不影 响，如果某一制动管路损坏后，其它制动器仍具有制动能力，因此，该制动系统 具有十分可靠的工作性能。其结构原理图如图2 - 2 所示。 1 油箱：2 吸油滤清器：3 单向阀：4 制动动力泵：5 冷却泵：6 高压滤清器：7 充液阀：8 1 0 蓄 能器：1 1 主蓄能器：1 2 液压继电器：1 3 停车制动阀：1 4 工作制动阀1 5 停车制动缸；1 6 后 桥：1 7 前桥：1 8 溢流阀：1 9 回油滤清器 图2 - 2 制动系统结构 9 电子科技大学硕士学位论文 3 双变循环系统：矿运卡车采用液力机械传动系统，该系统由液力变矩器( 克 拉克公司的c 5 4 7 2 型) 、动力换档变速箱( 克拉克公司的r 3 6 4 2 0 型) 、传动轴和驱 动桥等组成，与机械式传动系统、液压式传动系统相比具有以下优点：( 1 ) 利用 液力变矩器改善了动力装置的输出特性，使无轨设备在正常作业时，其发动机功 率能得到充分的发挥；( 2 ) 当外载荷突然增加时，变矩器能在一定范围内降低转 速，增大输出扭矩，这样可以避免发动机因外载荷的突然增大而熄火，对设备的 行车安全性具有十分重要的意义；( 3 ) 在液力机械传动系统中，发动机与传动系 统间采用柔性连接，能吸收来自外界及发动机和传动系统产生的冲击和振动，使 传动系统动载荷降低，提高了设备的使用寿命。其结构原理图如图2 3 所示。 6 1 补油泵；2 滤清器：3 压力调节阀：4 方向选择阀：5 前进档离合器：6 倒退档离合器：7 档位 选择阀：8 一档离合器：9 二档离合器：1 0 三档离合器：i i 四档离合器：1 2 安全阀：1 3 变矩 器：1 4 冷却器：1 5 变速箱油底壳 图2 3 双变循环系统结构 l o 第二章矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断策略的研究 从功能上，矿运卡车液压系统可分为液压控制系统部分和液压动力系统部分。 1 液压控制系统部分：控制系统中由电液伺服阀控制各执行机构，实现设备 的举升、转向、制动和变速等操作。为了提高控制系统的响应性能，采用了电液 伺服阀控制油缸的一腔( 工作腔) ，另一腔( 背压腔) 则由动力系统部分提供一定 背压。 2 液压动力系统部分：在矿运卡车液压系统中，液压动力系统的功能是为液 压控制系统提供压力稳定的、清洁的工作介质，为电液伺服阀提供稳定的阀前压 力，保证电液伺服系统的控制性能，同时也为控制系统中的执行油缸背压腔提供 压力稳定的工作介质。为了保证系统工作介质的清洁度、温度等，矿运卡车液压 系统的动力系统中设置了吸油滤清器、高压滤清器、回油低压滤清器和冷却器等 部件。 2 1 2 矿运卡车液压系统的工艺特点 液压系统的可靠运行是整个设备正常运行的保证。由于液压系统是一复杂的 机、电、液综合系统，机械系统、电气系统和液压系统中任一系统或其某一部件 的故障都会引发整个系统产生故障，因此，液压系统的维护和故障诊断具有相当 的难度。 在现代矿运卡车液压系统中的一些基本参量如油箱液位、油温、滤清器堵塞报 警、压力等都设计了监测点，此外，还有直接参与控制的液位和压力信号等。但 这些信号的监测方式基本都是采用传统的仪表方法，而且仪表分布在设备各个位 置，因此，对于液压系统的一些简单故障，可以根据这些信号的状态，由有经验 的操作技术人员进行故障判断处理。然而，矿运卡车液压系统是一个集机、电、 液于一体的综合控制系统，系统的故障形式和原因也是多方面的，从功能上，系 统不仅有静态性能指标，还有动态性能指标。系统中的信号也是复杂多样的，有 一部分是随时间变化较慢的缓慢信号( 如油箱液位、油温等) ，而另一些是瞬变的 高频信号。同时，由于液压系统本身的特点( 如动力传递的封闭性、参数的可测 性差等) ，因此，只凭经验，仅仅靠这些比较孤立的信号还不能对液压系统的故障 进行分析处理，无法对系统进行全面、准确的故障诊断和预测。为此，必须依据 设备的结构特点和故障机理增加一些监控点，以获取能反映系统各种功能的状态 信号，并采用先进的故障诊断技术( 如信息融合技术等) 进行矿运卡车液压系统 的状态监测和故障诊断。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断的策略 2 2 1 矿运卡车液压系统工作背景 本文所要研究的矿运卡车是国内某公司1 9 9 9 年推出的新款矿运卡车，这一大 吨位设备的推出也填补了我国矿运卡车无大吨位设备的空缺。而且此款矿运卡车 在设计上是本着高起点、高配置的思想，因此这款设备无论在设计上还是工作性 能上都完全能满足我国现在矿井采矿的需要。自1 9 9 9 年推出开始使用以来，己逐 步代替了同类进口设备，成为了矿运卡车的主流设备。 由于矿运卡车的工作环境十分恶劣，高潮湿、高粉尘、强振动和高温为设备的 正常运行和故障维护带来了极大的困难和昂贵的保养维护成本。根据实地的调查， 该公司对矿运卡车的日常使用上建立了严格的保养措施( 日常检修、每周两次综 合检查，每月一次检修以及每年一次的大修制度) ，对设备易损件和润滑油等定期 更换，而设备的故障维修则主要依靠技术工人的实际经验，主要采用手摸、耳听、 眼看、鼻闻等单纯依靠直觉的方法进行， 设备的维护周期，降低设备的工作效率， 这样不仅加大了保养和维护成本，延长 加大工人的工作强度，而且对设备的一 些潜在故障不能及时发现，从而导致一些恶性故障的产生，降低设备的工作安全 性。 2 2 2 基于模糊神经网络的故障诊断策略 液压系统的故障诊断技术以吸收和应用其它领域的一些成果为基础，特别是信 号处理、模式识别、模糊推理和神经网络等领域的理论方法，结合液压系统特有 的失效形式和故障机理，建立相应的知识库和规则库，对提取得状态监测信号进 行模式识别或分类，对系统故障进行诊断、故障原因分析、故障定位和故障预报 等。许多应用实例表明，结合人工智能和领域专家知识的智能型专家系统是进行 液压系统故障诊断的有效途径n 阳q 1 射。 故障诊断的过程是根据诊断对象出现的异常征兆，基于先验知识( 故障样本库) 通过一定的推理规则，判断对象的故障部位并查明引起故障的可能原因。模糊逻 辑可基于规模较小的故障样本库和推理规则，快速判断故障，然而，由于其隶属 函数和模糊规则不易调整和修改，存在知识获取的瓶颈、推理的不确定性及自学 习困难等问题。另一方面，神经网络有很好的学习能力，可通过现场系统的状态 1 2 第二章矿运卡车液压系统状态监测及故障诊断策略的研究 监测数据进行学习，对未知知识进行处理和补充。但神经网络以权值表达的知识 形式不易理解，不能充分利用领域专家大量的语言表达知识。而模糊逻辑可以较 好地利用语言知识，且知识表达形式易于理解，表2 - 1 给出了模糊逻辑和神经网 络各自优缺点n 射。 表2 - 1 模糊逻辑和神经网络比较 特点神经网络模糊逻辑 组成神经元互连模糊逻辑模糊规则 映射关系点对点之间的对应块与块之间的对应 知识存储方式连接权值 规则的方式 知识表达能力弱强 容错能力强较强 学习能力能进行学习不能学习 精度高较高 计算量多少 因此，将模糊逻辑和神经网络相结合，可以充分发挥它们各自的优势，为液压 系统的故障诊断提供更有效的途径。 由于模糊神经网络故障诊断法是对传感器采集的多个信息的综合分析，因此， 这种故障诊断方法可以避免由于单个信息所具有的信息量不足而导致故障的漏 诊、误诊等弊端，从而大大提高了故障诊断的准确度和可靠性。 2 2 3 诊断系统的模块化结构策略 如前所述，从结构上，矿运卡车液压系统分为工作系统、制动系统、双变循环 系统，而且各个部分相对独立，因此对矿运卡车液压系统的状态监测与故障诊断 可以分为三个子系统( 诊断模块) 。诊断系统“模块化“具有以下优点： 1 模块化诊断系统中各模块要比相应非模块化诊断系统简单的多，因此，各 诊断模块的知识库( 状态信息、推理规则等) 容量可以大大缩减，诊断系统易于 构造，当利用神经网络进行系统的自学习时，其学习性能和泛化特性易于得到保 证。 2 相对于整个系统，各模块的输入输出信息大大简化，且推理路径得到缩短， 因此，各自模块的推理速度、学习能力等可以大大提高，利用并行处理技术，可 以实现系统故障诊断的实时性要求。 电子科技大学硕士学位论文 3 模块化诊断系统的诊断结论更易于解释，因为诊断系统中各诊断模块的任 务明确，功能确定，且各诊断模块间的关系清楚，使得整个诊断系统的工作过程 更为明朗。 4 模块化结构有利于今后将其它子系统的状态监测与故障诊断模块互相融 合，开展整个液压系统的故障诊断与状态监测技术的研究，增强了故障诊断系统 的可扩展性。 2 3 本章小结 1 引入了模糊神经网络作为液压系统故障诊断方法 由于液压系统是集机、电、液为一体的复杂系统，液压系统中各部分和液压系 统和其它系统存在密切联系，因此，液压系统中某个环节发生故障，将会导致其 它环节监测参量偏离正常范围。所以，如果仅依据单个监测参量来判断系统故障 将会带来极大的误判、漏判现象。而采用模糊神经网络将这些多个异质传感器监 测参量融合处理，将会避免误判、漏判的现象，从而提高故障诊断系统的准确性 和可靠性。 2 提出了矿运卡车液压系统面向对象系统的“模块化”故障诊断策略 通过分析实际矿运卡车液压系统的组成、工艺特点及液压系统的实际运行维护 特点，提出了“模块化”故障诊断的策略，并应用于整个液压系统的故障诊断， 以提高故障诊断系统的可靠性和可维护性。 1 4 第三章矿运卡车液压系统状态监测信号及其处理技术的研究 第三章矿运卡车液压系统状态监测信号及其处理技术的研究 3 1 引言 设备液压系统故障诊断通常包括三个主要步骤n 耵，即检测信号状态特征的获 取、设备故障征兆的提取、依据故障征兆对设备进行故障诊断并依据诊断信息判 断设备的运行状态。其诊断过程如图3 - 1 所示。 图3 - 1 设备液压系统故障诊断过程 如图3 1 所示，矿运卡车液压系统的运行状态是通过安装在液压系统中多个异 质传感器来监控的。各传感器将各特征信息提取出来，一方面经过一定的信息处 理技术对特征信号进行处理，提取出故障征兆，再采用智能故障诊断方法作故障 诊断，判别设备液压系统的运行状态。另一方面，通过对传感器检测的特征信息 作实时趋势分析来作为液压系统运行状态判断的依据。采用一定故障决策规则对 故障诊断信息和趋势分析结果对设备运行状态作故障诊断决策，即可得出诊断结 果，根据故障决策即可以对液压系统做出相应的控制命令。 当矿运卡车液压系统发生故障时，各传感器监测参量的值将偏离正常范围，而 设备故障诊断的目的就是通过找寻引起这些异常征兆的可能原因，这实际上就是 电子科技大学硕士学位论文 采用合适的状态识别和分析方法，依据系统的征兆和状态进行推理，判断系统的 运行状态及其发展趋势，并以此作出正确的诊断决策。而在整个故障诊断过程中， 除了需要一种有效的故障诊断方法外，对各传感器监测信息的特征提取也是相当 重要的。因此，对系统故障征兆的提取方法是设备液压系统故障诊断需要解决的 首要问题。 本章将结合矿运卡车液压系统的结构工艺特点，基于系统的功能指标，研究矿 运卡车液压系统状态信息的监测方法，并结合现代信息处理技术，研究液压系统 故障征兆的提取方法。 3 2 矿运卡车液压系统的状态特征信号 由于液压系统结构的复杂性，液压系统的失效形式也是多种多样的，既有传统 机械设备中存在的机械磨损、冲击断裂、形变等失效形式，也有液压系统独有的 油液污染、泄露、气蚀、噪声、管路谐振等失效形式n 卯。因此，在液压系统故障 诊断中常有的监测量就有压力、流量、油温、液位、振动、噪声等，通过对这些 量的监测，都可以在一定程度上反映液压系统的工作状态，不过在故障分析过程 中为了得到比较理想的故障诊断效果，不能仅简单对某一个或某一种监测量进行 分析，这是因为这几种监测量间本来就存在着千丝万缕的内在联系。因此，本文 在确定矿运卡车液压系统状态特征信号前，先对其中几种监测量存在的内在联系 作一定分析，从而尽量优化系统状态特征信号的确定方法。 液压系统的主要功能是提供传递动力的转换，而液压系统的动力是靠液压油来 传递的，因此液压油品质的好坏对整个液压系统工作性能具有重要影响，据统计， 液压系统7 5 的故障是由于液压油问题引起的n6 1 ，主要是因为液压油的污染变质导 致，而其中又有9 0 的故障是由于液压油中含有杂质导致的。目前，已经有很多方 法来实现对液压油品质的分析，如铁谱分析法、光谱分析法等，不过这些方法更 多是应用于检测平台，对于本文不太适合。但是温度异常是一个导致液压油污染 的重要原因n 7 1 8 1 ，因此，通过对矿运卡车液压系统液压油温度的监控，可以在一定 程度上反映液压油的品质变化情况。此外，在液压系统中，油温是一个十分重要 的监测量，它的正常与否直接关系到系统的工作情况，这主要表现在油温的异常 将会影响到液压油的品质，从而影响到系统压力和流量，进而影响液压系统执行 机构的正常工作n 钔昭0 1 。同时，通过对油温的监测，还能反映系统油箱液位的情况， 因为若液压油过少，系统不能得到及时的冷却，系统油温自然会上升，因此，通 1 6 第三章矿运卡车液压系统状态监测信号及其处理技术的研究 过对油温的监测可以反映系统多方面的工作状况。 液压系统的执行机构的工作都是通过带有一定压力的液压油来驱动的，因此液 压系统中压力是一个重要的因素。正常情况下，液压系统压力的变化规律总是从 一个很小的值逐渐增大，并在一定范围内波动，随后由于停止操作，压力丧失。 但在液压系统中，引起压力异常的原因很多，如各元器件的工作状态、液压油的 温度、油箱液位、管路或元器件泄露情况等。因此，在液压系统中，结合压力和 其它监测量信息，能有效地对液压系统进行故障诊断。 流量也是液压系统中的一个重要性能指标，流量的异常能有效地反映液压系统 中的泄漏情况。 足够的液压油是保证液压系统正常工作的大前提，液压油过少会导致系统压 力、流量和油温的