基于二级模糊综合评判的液压系统故障诊断研究-.pdf

第 9卷第 4期 2 0 1 1年 l 2月 中国工程机械学报 C HI N E S E J OU R N AL O F C O N S T R U C T I O N MA C H I N E R Y Vo 1 ． 9 No． 4 De c ．2 0 1 1 基 于二级模糊综合评判 的液压 系统故障诊 断研究 苏欣平 ， 聂广坤 ， 郭爱东 ， 陈锦耀 1 ． 军事交通学院 装运机械系 ， 天津3 0 0 1 6 1 ；2 ． 军事交通学 院 研究生管理大 队， 天津3 0 0 1 6 1 摘要在液压系统故障诊断中， 由于故障原因繁多且相互交织和影响， 导致设备故障具有一定的模糊性． 传统的 诊断方法以专家的经验为主， 容易产生误诊的现象． 以某叉车液压系统为例， 应用模糊综合评判理论错容性好、 评判方法简单等特点， 对其故障进行智能分析， 达到可靠、 高效评价的目的． 关键词液压系统；故障诊断； 模糊综合评y - 0 中图分类号T H 7 0 7 文献标识码 A 文章编号1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 1 0 4 0 4 8 2 0 5 Hydr a ul i c s y s t e m f a ul t di ag nos i s b as e d on t wo - phas e s y nt he s i z e d f uz z y e v a l uat i o n SUXi n p i n g，NI E Gua ng - k un，GUOAi d o n g，C HEN J i n y a o 1 ． H a n d l i n g E q u i p me n t Me c h a n i c a l D e p a r t me n t ， A c a d e my o f Mi l i tar y T r a n s p o r t a t io n ， T i a n j i n 3 0 0 1 6 1 ， C h i n a ； 2 ． P o s t g r a d u a t e T r a i n i n g B r i g a d e ， A c a d e my o f Mi l i tar y T r a n s p o r tat i o n ， Ti a n j i n 3 0 0 1 6 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f f a u l t d i a g n o s i s o n h y d r a u l i c s y s t e ms ， v a r i o u s f a u l t c a u s e s a r e i n t e r a c t e d l e a d i n g t o t h e f u z z i n e s s o f e q u i p me n t f a u l t s ． Ho we v e r ， t h e t r a d i t i o n a l d i a g n o s i s me t h o d s a r e c o n d u c t e d b a s e d o n e x p e r t i s e a n d e a s y o f d i a g n o s i s e r r o r s ． I n t h i s s t u d y， t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f a s p e c i f i c f o r k l i f t i s u s e d a s a n e x a mp l e ． By e mp l o y i n g t h e s y n t h e s i z e d f u z z y e v a l u a t i o n me t h o d ， s u c h a d v a n t a g e s a s s i mp l i c i t y， e r r o r t o l e r a n c e a n d i n t e l l i g e n t a n a l y s i s c a n b e a t t a i n e d ． Th e r e i n ， t h e r e l i a b i l i t y a n d e f f i c i e n c y o f t h e p r o p o s e d me t h o d a r e pr o v e n． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m；f a u l t d i a g n o s i s ；s y n t h e s i z e d f u z z y e v a l u a t i o n 在现代化工业生产中， 人们对液压系统的安全性和可靠性要求越来越高． 因此， 建立和发展智能状态 检测和故障诊断， 保证液压系统安全可靠运行， 具有十分重要的意义[ 1 ] ． 液压系统故障原因相互交织和影 响， 同一种故障往往有不同的表现 ， 同一种症状又常常是几种故障共 同作用的结果 ， 严格说来故障特征与 故障源之间是非线性映射 ． 此外， 设备液压系统状态从正常到异常一般都有一个渐变过程 ， 这时由于征兆 的非典型表现也会 出现判断的多义性． 因此 ， 过去处理这类问题主要是依靠经验方法而无法纳入严格的数 学分析范畴进行量化处理， 因而很多问题不能很好地解决 J ． 随着模糊数学的产生及在工程领域的广泛应用， 使得长期以来人们的故障诊断经验得以数学化地表 达． 模糊理论l 3 为描述与处理广泛存在的不精确、 模糊 的事件和概念提供相应的理论工具 ， 因为善于处理 不确定、 不准确的知识， 符合人的自然推理过程， 适用于测量值较少且无法获得精确模型的系统， 现已成为 解决复杂系统故障诊断问题的重要的理论方法和实现工具， 有着巨大的应用前景． 本文采用模糊理论中的 二级综合评判方法对液压系统故障进行智能综合评判和故障诊断， 将数学分析纳入液压系统故障诊断中， 达到简单、 可靠、 高效的评判目的． 作者简介 苏欣平 1 9 6 1 一 ， 男 ， 教授 ， 工学博士 ． E - ma i l s u x i n g p i n g 一 2 0 0 8 1 6 3 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 苏欣平 ， 等 基于二级模糊综合评判 的液压系统故障诊断研究 1 模糊理论的基础 1 ． 1 一级模糊综合评判 一 级模糊综合评判的基本步骤L 4 ] 1 确定因素集 U{ U ， 钆 z ， ⋯， ， 其中 U 表示对该事物有影响的第 i 个因素 i 1 ， 2 ， ⋯， n ， 它是被评价对象各 因素组成的集合 ， 实际工程 中这些因素往往具有模糊性． 2 确定评判集 评判集 V{ V ， z ， ⋯， V ， 其 中 表示评判的第J个等级 歹 1 ， 2 ， ⋯， m ， 它是 由评语组成的集合 ． 3 给出单因素的评判矩阵 即对单个因素 饥t 的评判 ， 得到 上的模糊集 i 2 ， ⋯， ， 它是从 U到 的一个模糊映射 _厂 ， 即 _ ， 。 UF _厂 1 ， 2 ， ⋯， 1 式中 F 为从 U到 的一个模糊映射 ； 为 U 对 的隶属度 ． 模糊映射 _厂可以确定一个模糊关系R， 模糊关系 R即为模糊综合评判的评判矩阵． R R1 ， Rz ， ⋯ ， R 订 rn rt z r2 1 r2 2 r 1 r“ 2 1 m r2 m ● Ⅲ 竹 2 4 定权重 在进行综合评判时， 由于各因素地位未必相等， 所以需对各因素加权， 因此设计一个因素 权重集 A a ， a ， ⋯， a ， ∑a 1 ， 0 ≤a i ≤1 ． a 表示各因素的权重分配， 作为因素集 在总评判 中影响程度大小的度量 ， 可按一定算法确定 ， 也可以通过专家评分得到 ． 它与评判矩阵 R按照加权平均型 模式进行合成运算， 可得各因素的综合评判． 加权平均型模式用 M ， 0 表示， 其中 M 为模式， “ ” 为 相乘， “ o” 为上限 1 求和， 即 ∞ oY m i n 1 ， ． 5 一级模糊综合评判模型为 B A 。 R b 1 ， b 2 ， ⋯ ， b 3 式中 B为一级模糊综合评判矩阵； A为权重矩阵； “ 。 ” 为模糊算子； b ∑a i ， 歹 1 ， 2 ， ⋯， m， b 是nj ， z 一 ， {f 的函数， 即评判函数． 最后按照最大隶属度原则， 用 b m a x b ， b z ， ⋯， b 对应的等级 V 判 定故障模式的危害度等级． 1 ． 2 多级模糊综合评判 如果评判对象的有关因素很多， 或者某一因素 钆 又可分为多个等级 U ⋯， ， 通常这些等 级的划分也具有模糊性， 此时需采用二级模糊评判、 三级模糊评判等， 依此类推， 可对事物进行多级模糊评 判 ． 二级模糊综合评判模型为_ 5 C A 。B A1。 R1 A2。 R2 A c， R A 。 n m C l ， e 2 ， ⋯ ， c 4 式中 c为综合评判结果矩阵； A 为第i 个因素的等级权重集， A a a ⋯， a 位 ； R 为第 个因素 的等级评判矩阵； C 为各因素之间的模糊综合评判结果． 2 模糊评判 2 ． 1 液压系统模糊综合评判方法 一 个完整的液压系统的每一个组成部分均有可能发生故障， 并且一个故障现象可能是两种或两种以 上的原因导致的， 如执行元件速度降低， 可能是由于液压泵零件磨损， 也可能是由于液压缸的内泄漏增大， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 造成执行元件速度降低． 这些故障因素主要是 压力 、 介质 钆 、 使用年限 钆 。 、 流量 、 机械连接 、 严重噪声振动 钆 o 等因素组成 ． 由此可以组成影响因素集 U． 在因素 【 ， 中， 压力 因素 可能是由于泵本身的问题如转向不对 、 磨损或损坏或泵 内外泄漏使压力降 低 钆 、 压力控制阀内有脏物或弹簧损坏 z 、 阀芯阀座问的密封不 良 。 及马达或液压缸密封损坏 或封而不严 等 k个子因素产生的． 这样就有 1 { l l ， 1 2 ， ⋯ ， 钆 1 } 5 介质 因素 钆 。 可能是 由于油液不足 、 油液粘度太大 z 、 油液不清洁 钆 z 。 等 P个子因素所引 起 的， 从而可得到 2 { ％ 2 1 ， 2 2 ， ⋯ ， 2 p } 6 以此类推， 可以得到影响因素集为 U { 1 ， 2 ， ⋯ ， m q } 7 式 5 一 7 中 k ， P， ⋯， q等根据实际情况可取 1 ， 2 ， ⋯， 等 自然数． 对于评判集， 其着眼点主要在于故障点的位置． 因而， 在排除故障时， 应对产生故障的元件及部位作为 评判集 ． 即评判集中的元素可以有液压泵 、 调压阀 。 、 换 向阀 。 、 流量阀 、 液压缸或液压马 达 、 主油路 。 、 控制油路 V 和机械连接装置 V s 等几个元素组成． 对于复杂程度不同的液压系 统， 他的取值及元素形式则不一． 由此， 根据各因素间的关系， 可以对其划分构造因 素关系树 ， 如图 1所示 ， 其中 ai ， 甜 分别表示各主因素 和子 因素的权重． 这样 ， 根据故障因素树 ， 首先对 中的单一子因 素 作单 因素评判 ， 由各评判 因素产 生故 障的可能 性 ， 得出其评判矩阵为 这样 ， 根据合成运算公式 ， 有 图 1 权重关 系树 Fi g ． 1 Tr e e o f we i g h t e d r e l a t i o n A ⋯ 1 。 R b i ， 6 j ， ⋯， b 为第一级模糊综合评判结果 ， 随后再把 B{ “作 为 的单因素评判向量 ， 即可得 出关于 【 ，的全部因素 的评判矩阵为 { ” 一 L B 最终可得到故障集 B的综合评判向量为 b ～ 1’ ⋯ b ～ 1 b ⋯ 8 B A‘ 。 R‘ 1 ， 2 ， ⋯ ， m。 R‘ b 1 ， b 2 ， ⋯ ， b 9 最后对评判结果的 b 1 ， 2 ， ⋯， 进行归一化处理， 数值较大者所对应的 ， 即可能为故障点的发生 位置． 随后按次序对其进行分析排除， 故障就可以得以处理． 2 ． 2 评判实验研究 某叉车工作部分液压系统的工作原理如图 2 所示， 它可实现对门架倾斜和升降的控制． 当阀6左位 时， 升降液压缸活塞杆伸出； 当阀6 右位时， 升降液压缸活塞杆缩回． 当阀 7 左位时， 门架倾斜液压缸活塞 ㈩ c毫 nh b 6 ， 一 l l l l n 2 R R n l n 2 A A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 所对应的矩阵为 厂 1 ． 1 3 0． 21 0． 0 4 0． 3 6 0． 1 6 0． 21 ] ⋯ 1 0 ． 3 8 0 ． 3 8 0 ． 3 8 0 ． 3 8 0 ． 3 8 0 ． 3 8l l 0． 3 8 0． 3 8 0 ． 3 8 0． 3 8 0． 3 8 0． 3 8 l L 0． 8 8 0． 3 1 0 ． 5 0 0 ． 6 9 0． 5 0 0． 3 1 J 这样， 第二级综合评判结果即对压力不足的最 终综合评判为 B‘ A 0 。 R‘ 0． 4 2， 0． 1 8， 0． 0 8， 0 ． 3 2 。 R 0 ． 4 3 3， 0． 2 8 8， 0 ． 2 7 3，0． 4 7 1， 0 ． 3 2 6， 0 ． 2 8 8 2 ． 3 故障处理 按上述综合诊断评判结果 中 b i 1 ， 2 ， ⋯， 6 的大小进行排队分析， 故障点的可能性依次为 换 向阀 6 ， 油泵 3 ， 油缸 1 0 ， 阀 9 ， 压力表 1 1 ， 阀 5 ． 根据模糊逻辑判断最大 的评 判指标 ma x b 相对应 的评判集 元素 V 取为 评判结果 ， 即 V{ V f ma X b ， 因此确定换 向阀 6为最大故障疑点 ． 当叉车升降架降至最低， 换向阀6 切换至中位时， 液压缸和换向阀之间的油路被闭死， 仍保持有一定 的压力， 即液控单向阀9 的控制油路仍有压力存在， 使其不能立即关闭， 直到由于换向阀内泄漏使得阀9 的控制油泄压， 液控单向阀才关闭， 所以会发生升降无力的现象 ． 通过将 0型机能的手动换向阀改为相同规格的 Y型机能的手动换 向阀， 并在升降液压缸的无杆腔入 口处并接一小容量的蓄能器即排除了故障现象． 3 结论 应用模糊数学中模糊综合评判方法进行液压系统故障原因分析 ， 能够将定性的问题定量化 ， 从多方面 考虑故障影响的因素， 解决了传统方法对一些模糊语言无法处理的问题， 大大降低了人工诊断的盲目性， 使故障部位分析更加科学、 合理， 进而提高了诊断效率， 体现了模糊理论在液压系统故障诊断中可靠、 高效 和简单的作用． 模糊综合评判故障诊断方法的关键是合理建立评判数学模型． 只要数学模型合理 ， 不仅能对底事件进 行合理评价 ， 也可以逐级向上进行多级综合评判 ， 计算各级子系统对上一级系统或整机的影响， 因此对大 型复杂液压设备故障评判具有较好的应用价值． 参考文献 [ 1 ] 张 静 ， 李兴国 ， 齐继 阳． 设备故障的二级模糊综合诊断方法的研究[ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 1 0 2 1 3 21 3 4 ． Z H A N G J i n g ． L I X i n g g u o ． Q I J i y a n g ． R e s e a r c h o n t w o - g r a d e f u z z y s y n t h e t i c f a u l t d i a g n o s i s o f t h e e q u i p me n t s E J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g n Ma n u f a c t u r e， 2 0 1 0 2 1 3 21 3 4． E 2 ] 汤 峰， 陈跃华． 模糊逻辑诊断方法在液压系统故障诊断中的应用[ J ] ． 土石方机械与施工技术， 2 0 0 7 4 5 6 5 8 ． T A N G F e n g ． C H E N Y u e h u a ． Ap p l i c a t i o n o f f u z z y t h e o r y i n f a u l t d i a g n o s i s f o r h y d r a u l i c s y s t e m[ - J ] ． E a r t h wo r k Ma c h i n e r y＆C o n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y， 2 0 0 7 4 5 65 8． [ 3 ] 蒋泽军， 王丽芳， 高宏宾． 模糊数学教程[ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 4 ． 儿 A N G Z e j u n ， WA N G L i f a n g ， G A O H o n g b i n ． C o u r s e o f f u z z y m a the m a t ic s [ M] ． B e i j i n g N a t i o n a l D e f e n s e I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 王桂萍， 贾亚洲， 申桂香， 等． 加工中心冷却系统故障模式危害性模糊评价分析[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 8 2 1 7 1 1 7 4 ． WAN G G u i p i n g ， J L A Y a z h o u ， S HE N G u i x i a n g ， e t a 1 ． F u z z y e v a l u a t i o n a n a l y s i s o n c o o l i n g s y s t e m f a i l u r e mo d e c r i t ic a l i t y o f ma c h i n i n g c e n t e r [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f th e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y ， 2 0 0 8 2 1 7 1 1 7 4 ． [ 5 ] 杨纶标． 模糊数学原理及其应用[ ] ． 广州 华南理工大学出版社 ， 2 0 0 6 ． Y AN G L u n b i a o ． P r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f f u z z y m a th e m a t i c s [ M] ． G u a n g z h o u S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y 0 f T e c h n o l o g y P r e s s ， 2 0 0 6 ． ㈣ 一～～一～一一一～一 一一～一 一蚴嘲 嘲 一。一 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m