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基于压力信号的工程机械动臂液压缸泄漏故障检测 口 赵波 1 , 2 口刘杰 口王亚美 1 ． 东北大学 机械工程与自动化学院沈阳1 1 0 0 0 4 2 ． 辽宁省交通高等专科 学校沈 阳1 1 0 1 2 2 摘要介绍一种以液压系统压力信号为对象， 针对工程机械工作装置的泄漏问题 ， 以液压系统压力的动 态过渡过 程为分析对象的故障诊断方法， 它相对传统方法具有可靠性高、 适应性广、 而且成本低廉的特点。 关键词 液压 系统泄漏压力信号变化故障诊 断 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 6 0 0 6 6 0 3 对 于 液 压 系统 中 的泄 漏 故 障 ， 传 统 的诊 断方 法 有 两 种 一是监 视 并计 算 液压 系统 的流量 ， 测量 液 压 回路 中进 油 与 回油 的流 量 差 ； 二是 监 视液 压 系 统 的静 态 压 力 ， 检 测 液 压 系统 各 个 重 要测 点 的静 态 压 力是 否 存 在 异 常 下 降 。 第 一 种 方 法 ， 在 理 论 上 可行 ， 但 是 流量 传 感 器 的 价格 很 高 ， 又 有 一 定 的压 力 损 失 差 。 第 二 种 方法 ， 由 于 液 压 系 统 的 静 态 压 力 对 泄 漏 特 别 是 少 量 泄 漏 不 敏 感 ， 又存 在 噪声 干 扰 ， 所 以在 线 诊 断 效果 比较 差 。 对 于 这个 难题 ， 人 们 一直期 望 采 用 既可 靠又 实用 的方 法 ， 通 过对 液压 系 统 的 动态 压 力 进 行 分 析 ， 开 发 了基 于 压力 信 号 的液 压 系 统 的 泄漏 故 障检 测 的方 法 ， 实 现液 压 系 统 的泄漏 故 障在线 诊 断 。 1 非对称油缸的数学模型 在液 压 比例 伺 服 系统 中 ， 人 们 大 多从 阀 的负载 压 力 一流 量 特 性 、 油 缸 负 载 流 量 方 程 和 油 缸 的 力 方 程 三 方面 来建 立数 学模 型。 图 1 为某桥 梁 检测 车工 作装 置 的 动臂 比例 控制 非 对 称 油 缸 动 力 机构 示 意 图 ， 它 具 有质 量 、 阻尼 和弹 性3 种 负 载 。 1 ． 1 比例 阀的 负载 压 力 流量 特性 由于 非 对 称 油缸 活塞 两 腔 有 效作 用 面积 不 等 ， 故 收稿 日期 2 0 0 8 年2 月 2 o o 8／ 6 流量 是不 连续 的 。 如在 工作 时无 杆 腔进 油 ， 则 比例 阀左 右两 腔 的流量 方程 分别 为 g l C a w x ／ 2 ／ p P 一p 1 1 g C a w x ， 2 ／ p p z 2 这里认 为 回油 压力 P o 0 。 式 中 元 杆腔 的 流量 ， 1 “I 1 ／ s q 有 杆腔 的 流量 ， m ／ s C a 流 量 系 数 比例 阀 窗 口的面 积梯度 ， 埘 p 液体 密度 ， k g ／ m P 元 杆 腔 压 力 ， P a p 有杆 腔压 力 ， P a p B _ ～油 源压 力 ， P a 比例 阀阀芯位 移 ， m 非对 称 油缸 的流 量方 程 可 以写成 口 l C i p a p 2 C p p 1 ／ p 1 3 g 1 i p p l p 一c 。 p z 一 ／ p 一 4 式 中 G 内漏 系数 ， ／ N s C 。 外 漏 系数 ， mn ／ N s 无杆 腔容 积 ， m， 有杆 腔容 积 ， m。 液 体 的容 积模 数 ， P a 比例 阀的负 载流 量方 程 的理 想化 表达 式 g L Kx l 0 一Ko 1 o p L 5 式 中 一阀芯位 移 坐标平 移 量 ， m 墨 1 o 流 量 增 益 ， m ／ s Kc 流量 一压力 系数 ， i r l s ／N s g 广 一 等 效流 量 ， m ／ s p L _ ～ 等效 压 力 ， P a 1 ． 2非 对 称 油 缸 的 负 载 流 量 方 程 g L c t p 一p 2 p 一 p 2 ／2 V a 一 ／ 2 6 式 中 c r泄 漏 系数 ， ms ／ N s ct Ci p Co ／2 机 械 制 造 4 6 卷 第5 2 6 期 芒 I I 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对 式 6 取 增 量 形 式 得 Aq L Ct A p l p 2 A V l p l V 2 p 2 ／2 A 一 ／ 2 非 对 称 油 缸 的 负 载 流 量 方 程 q L C 。 V J4 A 夕 式 中 C ～ 等 效 泄 漏 系 数 ， m5 ／ N s 。 平 均 活 塞 面 积 ， m 油 缸 的 等 效 容 积 ， m 2 [ 1一矿 ／ 矿】 ／ 1矿 1 ． 3非 对 称 油 缸 的 力 方 程 由图1 可列 出动力 机构 的力 学 方程 M 十 C q -＆ yfF F p l A a p 2 A 2 A1 p l r i p 2 Al p L 式 中 卜负 载质 量 ， k g 7 8 9 1 o c 一 负载 的粘 性 阻尼 系数 ， P as 整 弹 性 系 数 ， N／m 卜负 载 力 ， N ．产 一 外 干 扰 力 ， N ’ A 无 杆 腔 活 塞 面 积 ， m2 A 有杆 腔 活塞 面积 ， m 广工作 负载 位移 ， m 由式 9 、 1 0 得 到 0 时 的非 对 称 油 缸 负 载力 方 程 p L Ⅱ c 多 y ／Al 1 1 1 ． 4非 对 称 油 缸 的数 学模 型 设 状 态变 量 X 1 y ， 夕 ， 墨 P 输 入 变量 [ f 】 则 由式 5 、 8 和 1 1 可 列 出 如 下 方 程 q L 凰1 0 X 一 l o 一K l o x 0 1 2 p L A 。 C ／ 4 1 3 蜀 MX2 C X2 X1 ／Al 1 4 则 由式 1 3 和 1 4 可 得 如下 以状 态变 量 的状态 方 程 X1 1 5 一 ／ 一 C／ 尼 。 A， ／ 蜀 一 厂 ／ 1 6 咒 一 4 A 。 ／ 一 4 G l。 ／ 4 ／ Q 1 7 把式 1 2 代 入 式 1 7 式 ， 可 得 X3 一 4 A 。 ／ 一 4 ／ C t 。 K l o 咒 4 g t o ／ X 1 8 2 仿 真实例 用 实 例 数 据 代 入 所 建 的 数 学 模 型 中 ， 利 用 MAT - L AB编制 的仿 真程 序 进行 系统 动 态 仿 真 。 设 比例 阀 阀 芯位 移坐 标平 移 量 不变 ， 也 不 考虑 外 泄 ， 即 △ 0， C 0， 只考 虑工 作 缸 内漏 。 则 系统 的压力 P 随阶 跃负 载 F的变 化 如 图2 所 示 。 仿 真结 果 ， 工作 缸 泄漏 ， 增 大 了工 作 缸阻 尼 ， 工 作压 力 随 阶跃负 载 变化 特性 趋 于常 值 。 仿 真结 果 与理论 分 析相符 。 3 实验压 力信号提取 在工 程机械 动臂进 口安装溅 射薄膜 式压 力传感器 ， 用 Z WO D板 采 集 1 0 0 ME 。 将 动臂 伸 出 到极 限位 ， 用换 向模 拟 阶跃 负载 。 提取 系统 的压力 P 随 阶跃负 载 F的 变化 。 在机械动 臂进 出 口并联 一节 流 阀 ， 给一个 小开 口， 模拟 泄漏 。 重复 上述实 验 。 系统 的压力 P 随阶跃 恒负载 F的变 化如 图3 所 示 。 图 中虚线 表示 无 泄漏 时 系统 压力 动态特 性 ， 实线 表示 有泄 漏 时 的系统 压力 动态 特性 。 设 液 压系 统在 压力 切换 过 程 中 的动态 压力 信 号为 。 用 能 相 隔 的后 一 点值 与该 值 之 差 表示 压力 信 号 变 化 率 的 特 征 值 ， 称 动 态 压 力 飞 升 或 下 降 速 度 A， 即 A[ t 一 ] ／ t 一t 1 。 则 液 压 系 统 压 力 切 换 过 程 中 的动 态压 力 信号 变化 特性 如 图4 所示 。 图 中虚 线 表 示 有 泄漏 时 系统 压 力 飞 升 速 度 ， 实 线 表示 无泄 漏 时 的系统 压力 飞升 速度 。 4 结论 液 压 系统 中容 腔 中的压 力 变化 与压 力 容腔 中的总 容 积 、 液 体 的有效 体 积 弹性 模 量 及 压 力 容 腔 中 的油 液 机 械 制 造 4 6 卷第 5 2 6 期 2 11118 ／ 6 回 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 车速表 台架检测误差不确定度分析 口黄建龙 口张妍 口李云龙 兰州理工大学 机电工程学院兰州7 3 0 0 5 0 摘要首先叙述了车速表台架实验台的测量原理， 然后对实验台的误差来源及示值误差的不确定度进行了详尽分 析。 根据对有关数据的分析计算， 得知该车速台检测的标准不确定度在 J G G 9 0 9一l 9 9 6 规程所规定的允许误差范围之内。 关键词 车速表检测不确定度 中图分类号 T H 8 2 4 1 ； T G 8 0 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 60 0 6 8 0 3 汽 车 车速 表示 值 的准 确 与否直 接 影 响到行 车 过程 中的安 全 性 ， 因此 ， 汽 车检 测业 均 把车 速表 检测 列 入必 检 项 目之一 。 而不 确 定 度 又 是 评 价 测量 结 果 质量 高低 的 一 个 重 要 指 标 。 1 车速表台架检测原理 汽 车车 速 的检 测 方法 有道 路 试验 法 和室 内 台架试 验 法 两 种 。目前 国 内外 普 遍 采 用 室 内台架 试 验“ X ,-J - 车 速 表 进行 检 测 ， 主要 因 为该 方 法 没 有环 境 条 件要 求 且 检测 结 果也 比较 准 确 。 车 速 表 的测 量 原 理 见 图 1 。 试 验 时 ， 将 汽 车 的驱 动 轮 置于 滚筒 上 ， 由汽车 发 动机 经传 动 系驱 动车 轮旋 转 ， 车 轮借 助 于 轮 胎 的摩 擦 力 带 动 滚 筒旋 转 。 旋 转 的滚 筒 相 当 于移 动 的地 面 ， 以驱 动 轮在 滚轮 上 的旋 转来 模 拟 汽 车在 路 面 行驶 时 的实 际状 态 。 通 过 滚 动 端 部带 动 测 速 发 动 机 即 速 度 传 感 器 ， 目前 使 用 较 多 的 是 光 敏 管 、 光栅 传 感 器 、 霍 尔 传 感 器 等 ， 测 速 发 电机所 发 出 的 电 压 或 光 敏管 、 光栅 传 感 器 、 霍 尔传 感 器 等 发 出 的脉 冲 数 随着 滚轮 转 速 的增高 而 增加 ， 而 滚筒 的转 速 与车 速 成 正 比 在 忽 略 打 滑 的 前 提 下 ， 滚 筒 的 线 速 度 与 车 轮 的 线 速 度相 等 ， 因此 测 速发 电机 的电压 与 车速 成正 比。 滚筒 的线 速 度 、 圆周 长 和转 速之 间的关 系， 可用 下 式 表 达 V L n 6 0 1 0一 收稿 日期 2 0 0 8 年 1 月 式 中 滚筒 的线 速度 ， k in／h ￡ 一滚 筒 的 圆 周 长 ， mm 滚筒 的转 速 ， r ／rai n 因 车轮 的线 速 度 与滚 筒 的线 速 度 相 等 ， 故 上 述 的 计算 即为 真 实车 速 值 ， 该 值 在 试 验 时 由试验 台上 的速 度指 示仪 表显 示 。 车 轮在滚 筒 上转 动 的 同 时 ， 车 速表 的 转轴 也 由变 速器 输 出轴 带 动旋 转 ， 并 在 车 速表 上 显 示 车速值 ， 即车 速表 指示 值 。 将 上述 的真实 车 速值 与 车速 表 指示 值 相 比较 ， 即可求 出车速 表 的误 差 。 2 误差来源及不确定度 在 测 量 过 程 中 ， 误 差 产 生 的 原 因可 归 纳 为 以下几 个 方 面 测 量装 置误 差 、 环 境误 差 、 方 法误 差 、 人员 误 差 等 。 在本 实 验 过程 中 ， 误差 来 源 有 车速 表 本 身 的故 障 变化 量 有关 。 当该 容腔 发 生泄 漏 时 ， 泄漏 量将 对容 腔 中 的油 液 变化 量 产 生 影 响 ， 从 而 使 该 容腔 在 工 作 过 程 中 的压 力 飞升 或 下 降 速 度相 对 正 常工 作 时发 生 变 化 。 泄 漏量 越 大 ， 这 种 影 响也 越 大 。 以工作 装 置 的换 向 时动态 压 力 信号 变 化 为 依 据 ， 可 以简 便 实 现液 压 工 作 装 置泄 漏 的故 障诊 断 。 参 考 文献 2 0 0 8／6 1 潘宏 ， 傅东周， 陈章位． 基于小波分析的液压系统泄漏检测 f J ] ． 机械科学与技术， 1 9 9 8 ， 4 6 3 66 3 8 ． 2 罗艳红． 利用 Ma fl a b实现液压节流调速系统动态特性仿真 [ J 】 ． 机械 与电子 ， 2 0 0 2 ， 4 7 3 7 5 ． 3 杜文正． 基于小波多尺度边缘检测的液压缸内泄故障诊断 【 J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 3 ， 3 5 2 5 3 ． △ 编辑林凡 机械制造4 6 卷第 5 2 6 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m