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贵州大学硕士研究生学位论文 基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统的故障诊断 摘要 挖掘机作为工程机械中的一个重要类别，已经越来越多的投入到工农业生产中。但 在长期的生产实践中，人们发现挖掘机的维护与保养一直是一个很难处理的问题。由于 挖掘机液压系统工作在一个封闭的回路内，它的状态监测变得很困难，除了少数几个状 态量可以通过传感器直接测量获得以外，富含有丰富信息的量值例如流量就由于测量成 本过高而很难获得。当挖掘机工作过程中出现异常情况时，只能凭借经验或简单仪器进 行排查，工作效率低、耗费时间长，相应维修成本也大幅上升。怎样从现有几个容易测 量的状态量中提取里面所蕴涵的故障信息，人们一直在不断努力和研究。 随着现代故障诊断理论的发展，尤其是人工智能技术的引入使故障诊断理论和方法 得到长足发展，新的故障诊断技术层出不穷，这为挖掘机工作装置液压系统的故障诊断 提供了一条新的途径。本文在总结现有挖掘机工作装置液压系统故障诊断系统的基础 上，结合人工神经网络与小波分析等先进数据处理技术，对挖掘机工作装置各液压元件 与系统进行了状态监测与故障诊断。在不增加测量参数的情况下，使诊断系统的监测精 度与监测范围大幅上升，诊断的准确性也有所增加。为了保证故障数据的准确测量与传 输，本文引入了c a n 总线技术。该现场总线的智能节点除了可以准确的采集所需要的信 号，还可以进行信号的初步处理，这可以有效的减轻主机的负担。c a n 总线特殊的串行 通信结构，可以降低挖掘机内部线束的复杂程度。在中央处理机的选用上，选择抗干扰 和抗震性较好的工控机作为车载电脑并根据具体硬件配置生成符合需求的w i n c e 操作系 统平台，在此平台上开发了液压系统故障诊断软件。整套故障诊断系统具有非常良好的 伸缩性，c a n 总线上的监测点可根据需要自由的增删，一个或几个错误的节点不会影响 数据传输网络的安全性，中央处理机可以根据需要连接各种扩展卡，操作系统也可以根 据硬件需求进行增删组件，如果更换故障库还可以将此套系统整体移植到其他工程机械 上使用。 关键词：挖掘机工作装置液压系统故障诊断人工神经网络c a n 总线w i n c e 图书分类号：t p 2 7 7 f 贵州大学硕士研究生学位论文 基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 f a u l td i a g n o s i sf o re x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c eb a s e do n a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s t h ee x c a v a t o ri sa ni m p o r t a n tc a t e g o r yi nt h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r y ，h a v i n ga l r e a d y t h r o w ni nt h ew o r ki na g r i c u l t u r ea n di n d u s t r y b u ti nt h el o n g , t e r mp r a c t i c e ，p e o p l ef i n di t v e r yh a r di nt h em a i n t e n a n c ea n dr e p a i r b e c a u s et h ee x c a v a t o rh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m w o r ki nac i r c l e ，i t ss t a t u sm o n i t o rc h a n g ed i f f i c u l tt oa c h i e v e ，b e s i d eah a n d f u lo ff e w q u a n t i s t yo fs t a t e st h a tc a nb em e a s u r e dt h r o u l g ht h es e n s o r ，m o s tc h a r a c t e rv a l u ew h i c h c o n t a i na b u n d a n ti n f o r m a t i o nf o re x a m p l ef l o ww a sh a r dt og a i nb e c a u s eo ft h eh i g i l m e a s u r i n gc o s t w h i l ea p p e a r i n ga ne x c r e s c e n tc i r c u m s t a n c ei nt h ee x c a v a t o rw o r k i n gp r o c e s s ， c a nw i t he x p e r i e n c eo rt h es i m p l ei n s t m m e n tt oc h e c k ，t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yi sl o wa n d c o n s u m e sl a r g e l y ，c o r r e s p o n d i n gt h em a i n t e n a n c ec o s tt oa l s or i s es i g n i f i c a n t l y h o wt og e tt h e f a u l ti n f o r m a t i o nf r o me x i s t i n gs e v e r a lq u a n t i s t yo fs t a t et h a tm e a s u r ee a s i l yi sw h a tp e o p l e a r es t u d y i n gc o n t i n u o u s l yf o r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mf a i l u r ed i a g n o s i st h e o r y ，e s p e c i a l l yt h ea r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，m a k et h ef a i l u r ed i a g n o s i st h e o r ya n dm e t h o dg e tas u b s t a n t i a ld e v e l o p m e n t ，t h e n e wf a i l u r ed i a g n o s i st e c h n i q u ea p p e a ro n ea f t e ra n o t h e r ，t h i sp r o v i d e dan e w p a t hf o rt h e f a i l u r ed i a g n o s i so ft h ee x c v a v t o rw o r k i n gd e v i c eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m t h i st h e s i sw a s b a s e d e do nt h ee x i s t i n ge x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c ef a i l u r ed i a g n o s i ss y s t e m ，c o m b i n i n gw i t h a d v a n c e dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e ss u c ha sa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sa n dw a v e l e ta n a l y s i s e t c ，c a r r y i n go nt h es t a t u sm o n i t o ra n df a i l u r ed i a g n o s i st oe a c hh y d r a u l i cc o m p o n e n ta n dt h e s y s t e mo fe x c v a v t o rw o r k i n gd e v i c e u n d e rt h ee x s t i n g m e a s u r e m e n tp a r a m e t e r ，t h em o n i t o r a c c u r a c ya n dt h em o n i t o rr a n g e r i s es i g n i f i c a n t l y ，t h ea c c u r a c yo ft h ed i a g n o s i sa l s oh a s i n c r e a s e f o rt h es a k eo fa c c u r a t em e a s u r ea n dd e l i v e ro ff a u l ti n f o r m a t i o nd a t a ，t h i st h e s i s i n t r o d u c ec a ne l e c t r i cm a i n s t h ei n t e l l i g e n c ep o i n to ft h ef i e l db u si si na d d i t i o nt oc a n c o l l e c ts i g n a la c c u r a t e l y ，c a r la l s ow i t ht h ei n i t i a lt r a n s a c t i o no ft h es i g n a l ，t h i sc a nb eu s e f u l t oe a s et h eh o s t t h es p e c i a lc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r eo fc a ne l e c t r i cm a i n s ，c a nl o w e ri n n e r i v 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 c a b l eo fe x c a v a t o ro fc o m p l i c a t e dd e g r e e o nt h ec h o i c eo fc e n t e rc o m p u t e r ，w es e l e c tt h e i n d u s t r yp ca st h ec a rc o m p u t e rb e c a u s eo ft h eb e t t e ra n t i j a m m i n ga n d a n t i v i b r a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t eh a r d w a r ea r r a n g e m e n t ，t h ew i n c eo p e r a t i o n s y s t e mp l a t f o r mw a sb u i l t ，a n dd e v e l o pt h ef a i l u r ed i a g n o s i ss o f t w a r eo fh y d r a u l i cp r e s s u r e s y s t e mo nt h i ss y s t e m t h ef a i l u r ed i a g n o s i ss y s t e mh a sv e r yg o o df l e x i b i f i t y ，t h em o n i t o r i n g p o i n to ft h ec a n e l e c t r i cm a i n sc a na c c o r d i n gt on e e dt ob ei n c r e a s eo rd e l e t ef r e e l y o n eo r m o r ep o i n t so fb u g sw i l ln o te f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h ed a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h ec e n t e r c o m p u t e rc a na c c o r d i n gt on e e dt ob el i n k v a r i o u se x p a n dc a r d ，t h eo p e r a t es y s t e mc a na l s o i n c r e a s eo rd e l e t em o d u l ea c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ed e m a n d i fr e p l a c i n gt h ef a u l t d a t a b a s e ，t h i ss y s t e mc a nb et r a n s p l a n tt oo t h e re n g i n e e r i n gm a c h i n e r i e s k e y w o r d ：e x c a v a t o r ，w o r k i n gd e v i c e ，h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m ，f a i l u r ed i a g n o s i s ，a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k s ，c a nf i e l db u s ，w i n d o w sc e c l a s s i f i e di n d e x ：t p 2 7 7 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 第一章绪论 本章论述了该课题的来源及研究意义，分析了国内外挖掘机液压系统故障技术上的发展现状 并在此基础上提出了本课题所要研究的主要内容及技术方案。 1 1 课题的提出及意义 该课题来源于导师正在进行的省基金项目挖掘机工作装置液压系统的建模与仿 真和校立项目高效大功率挖掘机液压系统的研究。 应用基于人工神经网络的故障诊断系统对挖掘机工作装置液压系统的工作状态 进行实时监测，一经发现系统工作异常，立即进行故障诊断，查明故障原因，给出 修复故障的最优方法。它可以改善对挖掘机液压系统的维护，由于实时监控，可以 减少机械在不良状况下运行时间，从而延长挖掘机的寿命，快速诊断减少了修复系 统的时间，提高了生产率，降低了运行成本。而且，将故障知识库中的知识进行更 改，还可以为其他工程机械液压系统进行故障诊断，所以它是一个通用的实时工况 监测和故障诊断系统。 该课题涉及现代挖掘机液压系统故障诊断的前沿技术，将神经网络和领域专家 知识结合是进行液压系统故障诊断的有效途径，有利于实现挖掘机工作装置液压系 统故障诊断的智能化，提高系统故障诊断能力和准确性，为实现挖掘机的机电液一 体化提供支持。先进的c a n 总线技术保证了故障信号的保真传输，为计算机的自动 化处理提供了可靠的数据。嵌入式系统的引入使挖掘机车载设备的可靠性大大提高， 由于采用了工业p c 使在线处理大规模数据成为了可能，这大大提高了数据处理的实 时性，可以使故障信号得到快速的处理，并为车载g p s 及其它电子设备的开发提供 了高- j 靠性的应用平台。 1 2 主要研究内容 1 对现代挖掘机进行分析，选出一款具有代表性的挖掘机工作装置液压系统作为研 究的目标，摸清现代液压挖掘机设计上存在的不足，分析液压系统容易出现故障 的部位，并以此作为故障诊断系统的研究与实施对象。 2 根据挖掘机工作装置液压系统工作过程中容易出现故障的元件及各种故障的表 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 现形式，结合领域专家知识，应用现代测量技术对液压元件与系统进行故障分析， 找出能够有效识别故障种类的数字特征，并根据现代理论将该特征通过转换变成 可供计算机自动处理的特征识别算法。 3 根据液压系统可能发生的故障形式及故障特征参数，在工作装置上选取监测点， 要求监测点能准确的对故障参数进行测量，并根据特征参数和监测点的位置设计 故障诊断流程； 4 根据液压系统的特点，选择合适的传感设备对监测量进行采集，并结合c a n 总 线技术，完成c a n 智能节点及传输网络的设计； 5 根据挖掘机实际工作环境以及成本要求，选用符合实际需要的车载电脑硬件设 备，并完成c a n 总线与该硬件设备的接口设计； 6 根据选定的硬件设备及系统实时性要求配置生成w o n d o w sc e 操作系统，并 根据故障诊断方法以及测试系统硬件结构，结合神经网络原理编制故障诊断软 件； 1 - 3 国内外研究现状 目前，液压系统的故障诊断技术已成为该行业的热门研究方向，对液压系统进 行故障诊断已成为液压系统运行维护中一个重要的环节，根据分析，国内外液压系 统的故障诊断技术主要经历了以下几个阶段： 一、手工检测阶段 在检测设备和检测技术不完善的时候主要依靠实践经验丰富的工程技术人员到 现场进行勘察，通过“觉检”来进行推断。“觉检”法包括问诊、视诊、触诊、听 诊、闻诊。其中： ( 一) 问诊：问诊是故障诊断者向挖掘机操作员进行的现场实地调查，以概括地获取 故障信息。问诊的内容有： 1 问清挖掘机投入使用的时间，从使用到现在运行的状态，即大中小故障发生 次数、原因和处理方法； 2 问清液压油的更换周期及近期换油的日期，以及油液的牌号，液压油的存放 时间情况； 3 问清挖掘机在发生本次故障前，是否有人为的故障，发生故障前有何预兆， 现在有何故障现象，哪些功能不全、失效、或失控； 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 ( 二) 视诊：视诊是故障诊断者用视觉对液压设备进行观察，以获得故障信息。视诊 的内容有： 1 观察挖掘机液压系统各种仪表的显示情况；油温是否在允许范围内，局部压 力是否超过极限值，吸油系统是否工作不良，滤油器和吸油管是否堵塞等； 2 查看油箱液面高度是否合乎要求，液压泵吸油时是否因吸油波动而使油箱液 面下降，从而造成吸油管和滤油器瞬时露出液面，查看油箱和回油管是否有 气泡； 3 观察液压油的颜色以检测其污染度。一般用透光玻璃瓶盛工作油液静置1 h 后进行观察，如果现场条件不足还可以使用一种简单的方法，就是将油液滴 在一张白纸上，污染度越高，留在白纸上的黑点越多，这种方法可以粗略估 计油液污染度的大小。 4 观察液压泵、发动机以及其他一切可以观察到的液压元件，查看他们的振动 情况，以判别其振动的原因。 5 查看液压系统的外泄漏情况，如观察泄漏滴油现象，以判别其泄漏情况； 6 观察换向阀电磁铁的吸合情况，以判别电磁铁的工作状态。 ( 三) 触诊：触诊是故障诊断者用触觉对液压设备进行检测。触诊的主要内容有： 1 用触觉定性或粗略定量的检测温度，即用手指触摸泵、缸等元件及液压油液， 以判别其发热升温和振动情况 2 用手指触摸油管，根据油管的振动情况可简单判断出有无油液流动； 3 触摸液压元件外漏处，可判别其泄漏情况； 对液压系统而言，温度所包含的信息量最大，内漏、机械磨损、缺油、油的牌号不 对、油液污染严重，冷却器故障等都会造成温度升高温度升高会使油液的粘性降低， 元件的泄漏系数增大，工作效率降低同时液压油在高温下还会和一些元件的材料发 生化学反应，生成不溶于油液的污染物，从而影响系统的工作稳定性。 ( 四) 听诊：听诊是液压故障诊断者用听觉获取声学信息，以判断液压系统技术状态 和液压故障。以泵和马达为例，他们是液压系统中非常重要的两个元件，它们 正常工作的时候发出的振动是有规律性的，频率一般保持在特定值范围内，而出 现故障后频率就会发生变化，直接表现出来的就是振动声音不同，经验丰富的维 修人员可以根据这些声音来大致判断他们的工作状态 4 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 ( 五) 闻诊：闻诊是液压故障诊断者用嗅觉对液压设备进行检测，以获取故障信息。嗅 检液压油时，如果闻到有焦臭味，那可能是某些液压元件发热使油液局部烧灼恶 化的结果，如果是恶臭味或刺鼻辣味则说明液压油已经严重污染和恶化，不能再 继续使用。 经过以上问、视、触、听、闻这五步，如果仍然无法检测到故障所在，则需要 从泵开始，沿着管道向执行元件依次拆卸下来检查。挖掘机一般都工作在野外，将 元件拆卸下来检测也不方便，所以，这些方法已不适应现代挖掘机对故障诊断技术 的要求。 二、便携式故障诊断仪与检测划1 6 】【切 根据该诊断仪是否有动力源可分为有动力式和无动力式两种，故障诊断仪工作 原理很简单，它就是根据传动介质的压力、流量、温度和液压元件运动速度之间的 关系来确定其工作状态。该类故障诊断设备结构与工作原理可能不全相同，但无论 是那种类型的测试仪器都是通过不同的方法测得液压系统中的以上四个参数来进行 诊断的。 图1 - 1 为一种典型的无动力式液压系统障诊断仪。它由6 部分组成，1 为单向 阀，用来防止油液反向流动。2 为温度计，用来测量油液的温度。3 为压力表，用来 测试油压。4 为滤油器，用来对油液进行过滤，以便观察油液的污染程度，并起保 护后边节流阀的作用。5 为流量计，用来测量进入诊断仪的流量。6 为节流阀，用来 对系统进行加载。m 口和o u t 口分别为诊断仪的进出油口，其中，玳口连接挖掘 机的压力测试口，o u t 连接油箱。这种类型的典型设备有美国的p f m 系统和解放 军理工大学研制的液压测试仪。 23 45 6 图1 - 1 无动力式液压系统障诊断仪 液压系统的t e e 测试法【2 l ：应用诊断仪对系统进行诊断最常用的是t e e 测试法，所 贵州大学硕士研究生学位论文 基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 谓t e e 法就是将检测仪与被测回路进行并联，如图1 2 所示，此时，流经诊断仪的 流量是泵的流量减去被测回路中各元件的泄漏量。压力为泵的出口压力值。，对待测 系统进行有步骤的测试可逐渐缩小故障的所在范围，最后可找出故障点。 图1 - 2t e e 测试法原理 图1 3 是用诊断仪对泵进行性能检钡g t 4 ，安装时先将泵的出口连接到诊断仪的 in 口，out 口接到油箱，检测时将节流阀6 全部打开，泵工作平稳以后，调节 节流阀6 ，使阀口减小，观察压力表3 ，使其达到泵的额定工作压力，通过流量计5 读取额定压力时的流量，根据泵的理论流量和实际流量计算出泵的容积效率，并与 标准值进行比较，这就是泵的容积效率检测法，无论泵b 内部出现何种故障，其变 化最明显的就是容积效率。，所以根据这种方法可不用拆开元件对其性能进行检测。 图1 - 3 泵的性能检测 图1 4 是对溢流阀进行性能检测【4 】，溢流阀f 额定开启压力为1 4 m p a ，检测时 先将节流阀6 完全打开，待泵b 工作稳定后，逐渐减小阀口，当流量突然发生较大 变化时，表明阀f 已经开启，记下此时的压力表数值，这就是溢流阀f 的实际开启 压力，将它与标准值进行比较便可知道阀f 的性能变化。应用t e e 法进行故障诊断 通常按照图1 5 的程序进行。 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 1 23 4 56 图1 4 溢流阀的性能检测 开始 回路检查试验 看蓐趴否 很大吗? ， 进行泵试验i l 苎苎! 查! 昱苎兰 p 哐匾壶讲陲至蜀 毫j 司结束+ 高基束 否堵塞或进空气li 垂鲨鐾量l 是否吸油不足 职_ 结束 否i 检查吸入 1 空气情况 图1 - 5t e e 故障诊断流程 此外，一些挖掘机在结构上还留有一些压力测试点，并在手册上给出了该点的 压力参数，所以可以将诊断仪的阀6 全部关闭，用压力表测量该点的压力并与给定 参数进行比较，然后根据各点的压力值缩小故障范围。 图1 - 6 为有动力式故障诊断仪，对于挖掘机而言，有的时候出现故障后，设备 无法正常启动或者在没有搞清故障原因之前不敢贸然启动，以免造成重大损失。此 时无动力式诊断仪就无法应用挖掘机液压系统的压力来进行诊断，而需要采用有动 力源的检测设备。图1 - 6 所示仪器集成了原动机、泵、阀等元件，可产生高压油。 应用此种设备可在挖掘机停机情况下进行t e e 法检测。 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 图1 - 6 有动力式故障诊断仪 三、 基于传感器的信息融合故障诊断技术 目前，国内外挖掘机厂商大多采用基于传感器的故障诊断技术，美国卡特彼勒 公司已有6 0 以上的产品配置了电子监测系统，能对机器运行情况连续监测，根据 不同工况进行三级报警：一级报警时面板上发光二极管闪烁提示故障部位，二级报警 时面板上大灯同时亮，三级报警时蜂鸣器同时响，要求司机立即停车检查。德国0 k 公司开发的b o r d 电子监测系统，能监测与液压挖掘机作业和维修有关的全部重要参 数，它利用微处理机检查挖掘机作业数据、快速监测、评估和显示所计算的数据，可 识别发生故障和超出极限值的趋势，在重大事故前显示报警信息。此系统中的智能 芯片可记录和保存作业状态数据，还能提供维修和计算成本等重要数据。b o r d 系统 的监测项目有：发动机燃油油位、机油压力、温度和换油期限、水箱的水位和冷却水 温、发动机空气滤清器的污染度、蓄电池电压和充电情况，分动箱中的油温和污染 度、液压油温、油位、滤清器污染度、l 4 号主泵污染度、1 2 号回转泵的污染度、 油压、油温、壳体温度。o & k 公司还开发出电子监测油耗装置，可测得实际油耗值、 每隔5 s 的修正值和平均油耗，辅助装置空转作业时间和负载作业时间。日本日立建 机公司在e x 3 5 0 0 挖掘机上安装了电子监控系统和显示系统，可随时显示机器的各种 工况，对己出现或即将出现的故障发出警报，显示出应采取的措施和维修保养事项， 防止事故发生，有利于液压挖掘机高效而安全地工作。神户制钢所在s k 2 0 0 m a r ki 型挖掘机上安装了监控系统后，可实现自诊断和多种故障报警。当挖掘机出现发动 机机油压力低、机油油位过低、冷却水温过高、冷却水位过低、空气和机油滤清器 堵塞、动臂缸回路压力过大、燃油与液压油位过低、蓄电池充电系统和发动机一泵 8 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 调节系统失灵、电子油门调节失效等故障中的一种或多种时，液晶显示屏上即出现 相应的故障图标，同时蜂鸣器呜叫，提示司机注意。系统还能提示发动机预热以及 定期提示司机更换机油。 基于传感器的故障诊断系统基本结构如图1 7 所表示【1 1 【；5 1 1 1 8 1 1 2 6 ，当它开始工作时， 首先通过传感器对特征信号进行采集，这些特征信号可以是泵的振动频率、油液的温 度、污染度、各主要元件的工作压力、流量以及一切能够反映系统各部分状态的参 数，传感器采集来的信号输入单片机进行数据的分析处理，经过处理后，可以选择是否 信 a 幽掣 匹匝 一 号 处 d 鞋 理转 十 一l 匦亟寸一 模换 i 与 块器 圈离 n 再石翮 图1 7 基于传感器的故障诊断系统结构 存入存储器或显示在屏幕上，键盘用来对处理过程和显示进行设定，起到人机交互的 作用，实时时钟是用来提供记数的装置，可以用在屏幕上显示系统的工作时间以及其 它需要记数的的场合通讯接口可以根据需要将处理后的数据传输到其他设备上或 者通过该接口从外界输入数据这种故障诊断技术通常和专家系统配合使用。 专家系统主要由知识库、数据库、推理机组成1 3 3 ，知识库中存放的是专家的经 验知识，它有多种表示方法，常用的有产生式规则、网络、框架、决策树、谓词逻 辑等，其中产生式规则最为常用。数据库由动态数据库、静态数据库两部分组成。 静态数据库中存放的是液压系统的设计参数，如泵的额定工作压力、流量，溢流阀 的开启压力等。动态数据库中存放的是机械运行时的状态参数，如某天某时的压力、 流量、温度等等。推理机的功能是根据一定的推理策略从知识库中选择有关的知识， 对用户提供的事实进行推理，直到得出相应的结论，它有推理方法和推理策略组成。 推理过程如下：系统根据采集来的特征信号在知识库中寻找与之相匹配的规则，若 找到，就将该知识块的结论作为中间结果，利用这个中间结果继续寻找与之匹配的 规则直到找到故障原因，因此，推理机的工作过程就是模式匹配过程。 除了以上介绍的3 种主要发展阶段以外，近年来还出现了一些大量实用的诊断 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 方法。例如1 、热力学诊断法f 埘，它是根据温升与液压系统液体介质的粘性、压力 损失、润滑状况和工作情况的关系，通过建立能量平衡方程和对液压系统进行故障 诊断；2 、基于油液颗粒污染度检测的故障诊断法，它是根据经验或专家知识，建立 基于油液颗粒污染度与液压系统及其元件状态参数间的关系库，通过测定挖掘机油 液的污染度来推断出系统可能存在的故障，这种技术的关键是准确对油液污染度的 测量；3 、基于油液理化性能参数检测的故障诊断法，该种方法与基于油液颗粒污染 度诊断法类似，但它所监测的目标是油液的理化性能指标，这包括油中金属、非金 属的含量和黏度、酸碱值等理化指标。 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 第二章典型挖掘机液压系统分析 本章论述了挖掘机液压系统结构，并以国内某1 8 m 3 挖掘机为例分析了其工作装置动作原 理，在此基础上挑选了典型的量值作为挖掘机故障诊断系统的监测量。 2 1 挖掘机系统结构的发展与演变1 3 9 1 挖掘机是一种历史悠久的工程机械，早在1 9 世纪末期就已应用在矿山开采工程 中，经过1 0 0 多年的发展，在科技不断进步的作用下，挖掘机的驱动形式与设备结 构都发生了重大变化，由原来的手动逐步经历蒸汽驱动、电力驱动、内燃机和全液 压驱动等一系列形式。挖掘机是土方工程中的主力机械，它在工业与民用建筑，道 路建设，水利，矿山，市政工程等土方工程中占有重要地位，大约完成6 0 “, 6 的土方 工作量，是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设中不可缺 少的施工设备。 挖掘机按其结构功能，一般分为履带式、轮胎式、特种用途( 如步履式、水陆两 用、隧道用、伸缩臂等) 正反铲挖掘机：按其吨级，一般将6 吨级以下挖掘机称为微 型挖掘机，6 4 0 吨级称为中型挖掘机，超过4 0 吨级称为大型挖掘机。国内制造 销售的2 0 2 3 吨级挖掘机占挖掘机市场份额的8 5 以上，国内一般将1 0 吨级以下 称为小型挖掘机。 以履带式挖掘机为例，它由工作装置、回转装置、动力装置、传动机构、行走 装置及辅助设备等组成。工作装置由整体式弯动臂、整体式斗杆、铲斗及两个动臂 油缸、一个斗杆油缸、一个铲斗油缸和连杆机构构成。铲斗有正铲和反铲之分，铲 斗油缸通过摇杆、连杆相连，并与斗杆一起组成六连杆机构。各部件间全部采用铰 接，通过油缸的伸缩实现挖掘机工作过程中的各种动作。回转机构由转台、回转支 撑和回转机构组成。履带行走装置由整体式行走架、组合式履带、驱动轮、引导轮、 拖链轮、支重轮和液压张紧装置等组成。工作装置的各种运动、履带行走、转台回 转均为液压传动。 挖掘机工作装置是挖掘机的重要组成部分，是实现其功能的部件，工作装置发 生的故障并不是独立于其他部件而独立存在的，这是因为驱动工作装置的液压系统 是一个统一的整体，挖掘机的各装置都由一套液压系统驱动，不同的组成部分功能 贵州大学硕士研究生学位论文 基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 虽然不同，但驱动系统都由相同的油路存在，并且，某一部件故障很可能造成其它 部件无法正常工作，如果是公共油路上的元件出现故障，例如油泵，则液压系统中 的各个执行元件无法动作，因此，对挖掘机工作装置的故障诊断，不能只从与工作 装置相连接的几个元器件诊断，还要从其他一切能够影响工作装置的液压油路和对 整个液压系统造成影响的元件入手，综合分析整个液压系统，找出故障原因，而且 故障与征兆并不完全是一一映射的，有时一个故障可能是由多个原因共同造成的， 或者一个原因造成多个故障。因此在对工作装置故障进行分析时要从整体分析，根 据故障征兆猜测故障可能存在的位置，然后逐一筛选，最后确定一个或几个可能的 故障点，再用反推法看能否从故障原因推出故障征兆。 图2 - 1 为斗容1 8 m 3 的某种全液压挖掘机工作装置液压系统图，该液压系统由 分功率变量泵组调节回路、减压阀式先导操纵控制回路、动臂回路、斗杆回路及铲 斗回路组成。 主液压回路是双泵双回路分功率变量泵系统。液压泵组1 包括两台轴向柱塞式 恒功率变量泵和一台齿轮泵。前者为工作主泵p 1 、p 2 ( 工作压力为2 1 m p a ，转速 2 3 5 4 r r a i n ) ，后者为操纵油供液压泵p 3 ( 工作压力为2 5 m p a ) 。斗杆液压缸1 2 由主 泵p 1 、p 2 驱动，铲斗液压缸由泵p 2 驱动，动臂液压缸9 、1 0 由主泵p l 、p 2 驱动。 多路阀内的换向阀油路并联。操纵油供液压泵p 3 的压力油除一部分供操纵换向阀 外，还有一部分进入液压泵组调节器，作为外控指令调节相应的主泵使其进行恒功 率变量。两台主液压泵都装置有自己的调节器，互不干扰，实现分功率调节供油。 工作回路除采用恒功率变量泵与液压缸组成容积调速外，尚有恒功率变量泵与换向 阀阀口开度变化组成的容积一一节流调速和对动臂、斗杆液压缸进行双泵合流的有 级调速。因此，该机调速范围大、低速性能好、功率利用合理。 2 2 典型液压挖掘机动作分析 各先导操作阀与执行元件的动作顺序如下所示： ( 1 ) 动臂缸伸出 液压泵p 3 排出压力油经滤油器1 8 后流向先导阀；搬动先导阀使a 3 接通； 压力油一部分使多路阀2 、3 中a 卜a 3 的a 3 接通，另一部分流进泵p l 、p 2 的调 节器使其恒功率变量，泵p 1 、p 2 排出的压力油流进多路阀2 、3 中，压力油经 阀2 、3 中a 卜a 3 的a 3 端，多路阀2 、3 中排出的压力油经合流后经平衡阀1 4 1 2 贵州大学硕士研究生学位论文 基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 流入动臂缸9 、1 0 的下油腔，动臂缸9 、1 0 的活塞杆伸出，上油腔中的油流经 多路阀3 中a i - a 3 的a 3 端，最后经滤油器1 5 流回油箱3 3 。 匾醛垛蹬繁辅裂世一。妥霉鞋警罄 h 山匝 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 ( 2 ) 动臂缸缩回 液压泵p 3 排出压力油经滤油器1 8 后流向先导阀；搬动先导阀使a 1 接通； 压力油一部分使多路阀2 、3 中a 卜a 3 的a l 接通，另一部分流进泵p 1 、p 2 的调 节器使其恒功率变量，泵p 1 、p 2 排出的压力油流进多路阀2 、3 中，压力油经 阀2 、3 中a 1 - a 3 的a 1 端，多路阀2 、3 中排出的压力油经合流后流入动臂缸9 、 1 0 的上油腔，动臂缸9 、1 0 的活塞杆伸出，阀2 5 为进油安全阀，同时压力油使 平衡阀1 4 打开，下油腔中的油流经平衡阀1 4 ，然后流经多路阀3 中a 卜a 3 的 a 1 端，压力油经滤油器1 5 流回油箱3 3 。 ( 3 ) 斗杆缸伸出 液压泵p 3 排出压力油经滤油器1 8 后流向先导阀；搬动先导阀使b 3 接通； 压力油一部分使多路阀2 、3 中b 卜b 3 的b 3 接通，另一部分流进泵p 1 、p 2 的调 节器使其恒功率变量，泵p 1 、p 2 排出的压力油流进多路阀2 、3 中，压力油经 阀2 、3 中b 卜b 3 的b 3 端，阀2 6 为进油安全阀，多路阀2 、3 中排出的压力油 经合流后流入斗杆缸1 2 的下油腔，并使平衡阀1 3 打开，斗杆缸1 2 伸出，上油 腔中的油液流经平衡阀1 3 ，经多路阀3 中b 卜b 3 的b 3 端流出，最后经滤油器 1 5 流回油箱3 3 。 ( 4 ) 斗杆缸缩回 液压泵p 3 排出压力油经滤油器1 8 后流向先导阀；搬动先导阀使b 1 接通； 压力油一部分使多路阀2 、3 中b 卜b 3 的b 1 接通，另一部分流进泵p 1 、p 2 的调 节器使其恒功率变量，泵p 1 、p 2 排出的压力油流进多路阀2 、3 中，压力油经 阀2 、3 中b 卜b 3 的b 1 端，阀2 7 为进油安全阀，多路阀2 、3 中排出的压力油 经合流后流入斗杆缸1 2 的上油腔，阀3 0 为过载安全阀，斗杆缸1 2 缩回，下油 腔中的油液经多路阀3 中b 卜b 3 的b 1 端流出，最后经滤油器1 5 流回油箱3 3 。 ( 5 ) 铲斗缸伸出 液压泵p 3 排出压力油经滤油器1 8 后流向先导阀；搬动先导阀使a 2 接通； 压力油一部分使多路阀3 中a 2 一a 4 的a 2 接通，另一部分流进泵p 2 的调节器使 其恒功率变量，泵p 2 排出的压力油流进多路阀3 中，压力油经多路阀3 中a 2 一a 4 的a 2 端，阀2 9 为进油安全阀，多路阀3 中排出的压力油流入铲斗缸1 1 的下油 腔，铲斗活塞杆伸出，上油腔中的油液经多路阀3 中a 2 一a 4 的a 2 端流出，最后 经滤油器1 5 流回油箱3 3 。 贵州大学硕士研究生学位论文 基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 ( 6 ) 铲斗缸缩回 液压泵p 3 排出压力油经滤油器1 8 后流向先导阀；搬动先导阀使a 4 接通； 压力油一部分使多路阀3 中a 2 一a 4 的a 4 接通，另一部分流进泵p 2 的调节器使 其恒功率变量，泵p 2 排出的压力油流进多路阀3 中，压力油经多路阀3 中a 2 - a 4 的a 4 端，阀2 8 为进油安全阀，多路阀3 中排出的压力油流入铲斗缸1 1 的上油 腔，铲斗活塞杆缩回，下油腔中的油液经多路阀3 中a 2 一a 4 的a 4 端流出，最后 经滤油器1 5 流回油箱3 3 。 2 3 液压系统故障特征量的选择 2 3 1 特征量选取的标准 液压系统在运行中能提供的信息很多，但不是每一种信息都对工况监控有 积极的作甩，要选择能实时采集的，且能够敏感的反映工况状态变化的信息， 蕴涵这种信息的信号称为特征信号。挖掘机故障诊断系统中特征信号的选择主 要考虑以下几方面的内容： 1 ) 信号的敏感性 选择的特征量必须能够准确无误的对监控对象进行反映，在对象参数或状 态发生变化时要能完整的反映出变化的趋势、方向、变化量的大小以及一切与 1 此有关的状态值。在状态变化剧烈时，特征量要能反映出局部的数字特征即有 显微镜的功能，在变化缓慢时同样要能反应出状态的轻微变化，以液压系统中 的流量值为例，在液压系统中，尽管流量的大小能直接反映出泵、缸的工作状 态，但流量值并不能被精确的测量出来，现代的流量计很难达到那么大的精度， 而且安装不易，价格昂贵，通常还会造成一定的压降，影响其他特征量的测定， 更为严重的是现代在线流量传感器对缓慢流量变化的处理能力几乎为零，误差 大。如果系统中存在缓慢的油液泄漏，流量传感器几乎无法检测，因此，从多 方面考虑，流量并不是一个合理的监测量。 2 ) 信号的易测性与成本 所选特征量除了要求敏感性以外，还要易于获取，安装维护方便，测量成 本适中。这当中传感器的安装位置是一项重要的考虑指标，它既不能影响系统 1 s 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 的正常工作，又不能安装在机体的偏僻角落，这会给安装和维护带来不便。当 传感器出现故障时也不便于更换，其次就是价格因素，测量选定的特征量所需 的传感器价格要适中，性价比高，通常整套测试系统的成本在整机的价格中所 占比例不能太大，除非有特殊要求。此外还要优先选取那些有助于尽量早发现 故障的特征，而且所选的特征量与设备状态之间呈现单值关系，切记出现模棱 两可的现象。 2 3 2挖掘机液压系统特征量的选定【1 0 1 【1 1 1 【柏】【4 2 】【4 3 】 液压系统运行过程中必然存在能量、介质、力、热等各种物理和化学参数 的传递和变化，这些信息的变化直接或间接地反映出系统的运行状态。根据对 挖掘机液压系统的分析选定以下信号为特征量： 1 ) 振动信号 振动信号主要是应用在对泵和马达的故障监测上，液压泵的工作状态最直 接的反映就是工作时发出的振动信号，泵的组成零件在工作过过程中会发出不 同的频率的特征信号，通过对这些信号进行f f t 分析，找出可能存在故障的频 率段，根据振幅的大小可大致确定零件的磨损情况，其次，还可以应用这种方 法在原动机上监测其工作状态。加速度传感器是用来测量振动信号常用的仪器。 2 ) 动态压力信号 液压系统是靠传递液体压力来工作的，动态压力信号是各种状态信息最丰 富的载体，其信号拾取比较容易，信号的信噪比高，灵敏度好，所以液压系统 的状态监测与故障诊断多以动态压力作为特征信号。其一般过程是将压力传感 器置于压力变化敏感，有效监测范围大的测点上，经数据采集和加工处理后， 可描述液压元件、关键回路以及整个液压系统的运行状态，通过对液压泵进出 口、重要管道以及执行机构进出油口的监测，可以对液压系统的失压、压力不 可调、压力波动大与工作不稳定等与压力有关的故障进行诊断。 3 ) 温升信号 压力和流量是反映液压系统工况的两个主要变量，但它们的变化非常频繁， 判断异常的参照信号难以确定。一个设计合理的液压系统其工作温度变化是有 1 6 贵州大学硕士研究生学位论文基于神经网络的挖掘机工作装置液压系统故障诊断 一定限制的，系统温度异常升高往往意味着系统内部某个元件出现了故障，通 过监测系统温度变化可以实现对与温度变化有密切关系的故障的监测。如系统 内泄漏增加，环境温度升高，冷却器故障或效率降低、执行机械运动速度降低 或液压缸爬行导致溢流量增加等，将热电偶测得的实际温升