基于Petri网的液压马达故障诊断.pdf

机械研究与应用 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 应用与试验 基 于 P e t r i 网的液压 马达故 障诊断 文斌 浙江 同济科技职业学院 ， 浙江 杭 州3 1 1 2 3 1 摘要 针对液压马达故障诊断中特征提取的瓶颈问题， 提出一种基于P e t r i 网的液压马达故障诊 断方法。以叶片式 液压马达为例， 分析液压马达常见的故障及原因， 利用 P e t r i 网的知识表示方法提取故障征兆和故障原 因， 建立基于 p e t r i 网的液压马达故障诊断模型， 经过 P e t r i 推理， 结果表明该方法是有效的。 关键词 液压马达； 故障诊断； 诊断模型； P e t r i 网 中图分类号 T H1 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 5 0 0 7 3 0 2 Fa ul t Di a gn o s i s o f Hy dr a u l i c M o t o r Ba s e d o n Pe t r i Ne t W EN Bi n Z h efi a n g T o n g fi V o c a t i o n a l C o l l e g e o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 1 2 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t As t h e h y d r a u l i c mo t o r h a s t h e p r o b l e m o f f e a t u r e e x t r a c t i o n．a f a u l t d i a g n o s i s me t h o d o f h y d r a u l i c mo t o r b a s e d o n P e t r i n e t i s p r o p o s e d ．I n t h i s me t h o d ，t h e c o mmo n f a u l t s a n d r e a s o n s o f h y d r a u l i c mo t o r i s a n a l y z e d ，t h e f a u l t s y mp t o m a n d r e a s o n i s e x t r a c t e d b y u s i n g t h e k n o wl e d g e r e p r e s e n t a t i o n me t h o d o f P e t r i n e t ， a n d t h e f a u l t d i a g n o s i s mo d e l o f h y d r a u l i c mo t o r b a s e d o n P N i s c o n s t r u c t e d ．T h r o u g h P e t r i r e a s o n i n g ，t h e r e s u l t S H O W S t h a t t h e p r o p o s e d me t h o d i s e f f e c t i v e ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c mo t o r ；f a u l t d i a g n o s i s ；d i a g n o s i s mo d e l ；P e t r i n e t 1 引 言 液压系统广泛用于现代化的机械设备中， 具有 良 好 的控制性和工艺适应性。液压设备 的结构越复杂 、 自动化程度越高， 发生故障的可能性越大， 对生产造 成的危害也越大。如何快速准确诊断液压设备的故 障 ， 成为制约生产的关键因素 。 目前液压设备 的故 障诊 断方法主要有 专 家系 统 、 神经网络 、 灰色理论 等方法。由于 P e t r i 网能够 图形化地表达系统 的模型 ， 且能实现知识推理 ， 同时 具有类似神经网络的 自我学习能力 ， 近几年得到了较 大的发展。其 更能适应液压 设备故 障突发性 、 多样 性 、 复杂性的特点 ， 具有广阔的应用前景。 笔者提出了一种基于 p e t r i 网的液压马达故障诊 断方法， 进行故障元 件的建模 。由于 P e t r i 网模 型具 有快速准确 、 适应性强 、 稳定性好的特点 ， 系统构建相 对简便 ， 容错能力较强 ， 能够适应大规模液压系统 中 更加复杂的故障情形 。 2 P e t r i 网理论基础 J 2 ． 1 P e t r i 的定义 P e t r i 网起源于 1 9 6 2年 C a r l A d a m P e t r i 德 国 的 博士论文 ， P e t r i 网是一种可用图形表示的组合模 型， 同时又是严 格定义 的数学对 象 ， 借助 于数 学开发 的 P e t r i 网分析方法和技术既可 以用 于静态结构分析 ， 又可用于动态行为分析。它 以网理论为基础描述系 统 中离散事件之间的逻辑关系， 以代数矩阵运算演绎 系统中同时发生 、 次序发生的各种动态活动 。 一 个 P e t r i 网可以由 1 个三元组表示 N P， 7 1 ； 其 中 P U ≠ P n T F ∈ P X T U T P d o m F c o d F P U T 式 中 P为 Ⅳ的库所 p l a c e 集 ； T为变迁 t r a n s i t i o n 集 ； F为流关系 fl o w r e l a t i o n ； 表示空集 ； “ X ” 号表 示两集合的笛卡儿乘积运算 。 令 XP u T叫做 Ⅳ的元素集。 d o m F 是 F所 含有序偶的第 1 个元素所成的集合 ； c o d F 是 F所 含有序偶第 2个元素的集合 ， 即 d o m F { l j Y ， Y ∈F} c o d F { Y I j ， Y ∈F} 网的图形表示是用 “ d ” 表示库所 ， 用“l ’ 表示变 迁 ， 用从节点 到 Y的有向弧 箭头 表示有序偶 ， Y 。如果有向弧是从库所到变迁 ， 则称库所是输入 库所 ， 变迁是库所的输出变迁 ； 反之 ， 如果有 向弧是从 变迁到库所 ， 则称库所是变迁 的输出库所 ， 变迁是库 所的输入变迁 。 2 ． 2 P e t r i 的矩阵描述 P e t r i 网基本矩 阵一般包括关联矩阵 C、 网络标 识向量 和点火序列 等 。关联矩 阵 C用于描述 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 0 2 作者简介 文斌 1 9 7 9 一 ， 男， 湖南永 州人 ， 讲师 ， 主要 从事 液压技术方面 的研究与教学工作。 7 3 应用与试验 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷 ， 总 第1 2 7 期 机械研究与应用 P e t r i 网的拓扑结构， 是一个 I P1 行、l l 列的矩阵 1 P l 与 l 1 分别为库所 P与变迁 集合中元素的个 数 r 一 p ， p， ∈F C p ， t { P ， t ， P ∈F L 0 其他 式 中 P ， t 为从库所 P到变迁 t 的有 向弧 的权值 通常为 1 ； P， t ∈F表示从 P到 t 存在有 向通路 。 网络标识 向量 用于表示 库所 中托肯标识 情 况 ， “ 1 ” 表示相应的库所 中存在托肯 ， “ 0 ” 表示没有托 肯。P e t r i 网的初始标记状态用初始标记 向量 表 示 。点火向量 用于表示变迁的点火情况。P e t r i 网 的动态行为过程可用如下状态方程描述 ， 它反映了系 统的状态变化 M MoC U。 3 基于 P e t r i 网的液压马达诊断模型 下面采用表 1叶片式液压马达 常见的故障及原 因中的数据， 利用 P e t r i 网的知识表示方 法提取故 障 征兆和故障原因， 建立一个简单 的基于 P e t r i 网的液 压马达故障诊断模型【 5 』 。 表 1 叶片式液压马达常见的故障及原因 故障现象 原因分析 电动机转速不够 ； 吸油过滤器滤网堵塞 ； 油箱 中 液压泵供油量不足或吸油管径过小造成吸油困难； 密封 油量不足不严， 不泄漏， 空气侵入内部； 油的粘度过大； 液 压泵轴 向及径向间隙过大 、 内泄增大。 转速低 液 压泵 军天 丙 丽 习 转矩小 输 出油 生故障； 油管 阻力 过大 管道 过长 或过 细 ； 压不足 油的粘度较小 ， 内部泄漏较大 。 液压马 液压马达结 合面没有拧 紧或密 封不好 ， 有 泄 达泄漏 漏 ； 液压马达 内部零件磨损 ， 泄漏严重。 失效 配油盘的支承弹簧疲劳 ， 失去作用。 按照 P e t r i网络知识表示的方法 ， 建立液压马达 的故障诊断模型如图 1所示。图中各个库所的含义 如下 P ． 表示电动机转速不够； P 表示吸油过滤器滤 网 堵塞 ； P 表示油箱中油量不足或吸油管径过小造成吸 油 困难 ； P 表示密封不严 ， 不泄漏 ， 空气侵入 内部 ； P 7 4 表示油的粘度过大 ； P 表示液压泵轴 向及径 向间隙过 大 、 内泄增大 ； P 表示液压泵效率太低 ； P 表示溢流阀 调整压力不足或发生故障 ； P 。 表示油管阻力过大 管 道过 长或过细 ； P 。 。 表示油的粘度 较小 ， 内部泄漏较 大 ； P 表示液压马达结合面没有拧紧或密封不好 ， 有 泄漏； P 表示液压马达内部零件磨损 ， 泄漏严重 ； P 表示配油盘的支承弹簧疲劳 ， 失去作用 ； P 表示配油 盘磨损严重 ； P 表示轴向间隙过大 ； P l 6 表示配油盘与 缸体端面磨损， 轴向问隙过大； P 表示弹簧疲劳； P 。 表示叶片与定子磨损严重 ； P 。 表示油端密封 ， 磨 损 ； P 。 表示盖板处 的密封 圈损坏； P 表示结合面有污物 或螺栓未拧紧； P 表示管接头密封不严； P 表示密封 不严 ， 有空气侵入 内部 ； P 表示液压油被污染 ， 有气 泡混入 ； P 表示联轴器不同心 ； P 表示液压油粘度过 大； P 表示液压马达的径向尺寸严重磨损 ； P 表示 叶 片已磨损 ； P 。 表示叶片与定子接触 不 良， 有 冲撞现 象。P ， 。 表示定子磨损 ； P 。 表示 液压泵供油量 不足 ； P 表示液压泵输 出油压不足 ； P ， 表示液压马达泄漏 ； P 表示失效 ； P 表示 内部泄漏 ； P ， 表示外部泄漏 ； P ， 表示噪声 ； P 。 表示转速低转矩小 ； P ， 。 表示泄漏 ； P 。 表 示液压马达 。 图 1 液压马达的故障诊断模型 4实验分析 假设 电动机转速不够 ， 根据 图 1建立 的 P e t r i 网 诊断模型， 可得初始标识 向量为 Mo [ 1 ， 0， 0 ， ⋯⋯， 0 ] 此时变迁 t 满足触发条件而点火 ， 使其输入库 所 中的托肯按有向弧的方向转移至输出库所 中， 以上 下转第 7 8页 应用与试验 2 0 1 3 年 第5 期 第2 6 卷， 总 第1 2 7 期 杌械研究与应用 件与钻床主轴的相对位置 ， 直到钻床主轴轴线与量套 轴线重合后 即百分表测头在量套外圆柱表面转动 时， 读数始终为零或某 一读数 ， 分别拆 下百分表和 量套 ， 再装上相应的钻头 ， 对该孔进行钻削加工。加 工另一个孔时 ， 按上述方法进行调整和钻孔。 t J n ‘ 。 b ， 一 | 2 l I 厂 一 一 { 广 ／ 。 ， ．／ 名 ／ ／ ， ， 20 l 4 0 I 图 1 0 安装量套 1 ． 精 密角铁2 ． 量块组3 ． 螺钉4 ． 量套5 ． 工件 6 ． 标准平板 1 量块组 1 2 量块组 2 图 1 1 在钻床找正位 置并 钻孔 1 ． 钻床工作台2 ． 工件3 ． 百分表4 ． 钻 床主轴 5 ． 螺钉6 ． 量套 上 接第 7 4页 过程为 P e t fi网第 1 次点火。这一点火过程同时可用 P e t n网的状态方程式 M。 Mo C U 。 描述 ， 其 中 U [ 】 ， 0 ， 0， 0 ⋯⋯0 ] 。经 3次点火 3次运算可得 M3 [ 0 ， 0， 0 ， 0 ， ⋯⋯， 1 ] 根据前面所述 P e t r i 网推理规则 ， 由于库所 中 P 存在托肯 ， 得到的结果与假设相符 ， 即液压马达故障。 5 结语 针对液压设备故障突发性 、 多样性 、 复杂性 的特 点以及液压马达故障诊断中特征提取上的瓶颈问题 ， 提出了一种基于 P e t r i 网的液压马达故障诊 断方法 。 在该方法中分 析液压 马达 常见 的故障及原 因， 利 用 P e t r i 网的知识表示方法提取故障征兆和故 障原因， 建立基于 P e t fi网的液压马达故障诊断模 型， 结果表 7 8 2 心轴定孑 L 距法 如图 9所示工件 ， 当工件上有两个以上且孔距要 求较高的孔系需要加工时， 可采用心轴来定孔距。其 具体操作方法如下。 如图 1 2所示 ， 将工件按图样要求进行划线打样 冲眼， 按修孔法或修边法先钻 、 铰加工好一个孔后 ， 在 孔 内插入一根与之相配的心轴 ， 然后在钻夹头上也夹 一 根心轴， 再调整工件 的位置 ， 用千分尺测量并控制 尺寸 L L d 。 ／ 2 d ／ 2 ， 当L 的尺寸符合要求时 ， 取下心轴 ， 装上钻头进行第二个孑 L 的钻 、 铰加工 。 当工件上有两个 以上的孔需要加工时， 可采用同 样 的方法来确定孔距。 图 l 2 心轴定孑 L 距 1 ． 工件2 ． 心轴3 ． 钻夹头4 ． 心轴 参考文献 [ 1 ] 中国职工技术协会． 实战演练钳工篇 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 陈刚， 杨举 銮． 钳工 初级 、 中级 、 高级 [ M] ． 北京 中国劳动 出版 社 ， 1 9 9 6 ． 明该方法是有效的， 能快速找到液压系统中液压马达 故障。 参考文献 [ 1 ] 刘汝臣 ， 李新德． 浅谈 液压系统故 障诊 断的方法 [ J ] ． 装 备制造 技术 ， 2 0 0 9 7 9 6 9 7 ． [ 2 ] 陈玉 良． 基于灰 色理论的液 压设备故 障诊断 [ J ] ． 液 压与气 动 ， 2 0 0 5 7 7 3 7 5 ． [ 3 ] 古天 龙． P e t fi网理论 及 其应用 [ J ] ． 桂 林 电子 工业 学 院学 报 ， 1 9 9 2．1 2 13 7 4 8 ． [ 4 ] 李厦 基于 P e t n网的故障诊断技术研究及其在液压 系统 中的 应用 D] ． 上海 同济大学 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 方桂花 ， 赵永 ， 李绪省 ． 模糊 P e t r i 网在液 压泵故障诊 断中的应 用研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 9 1 5 5 1 6 1 ．