基于D-S 理論和AMESim 技術(shù)的液壓缸泄漏故障診斷仿真研究

蔡偉，徐文華，李慧

(第二炮兵工程大學(xué)二系，陜西西安710025)

泄漏是液壓缸的常見(jiàn)故障之一，可分為外泄漏和內(nèi)泄漏兩種。傳統(tǒng)的外泄漏檢測(cè)方法往往采用是通過(guò)肉眼觀察缸體外部及連接處是否有油液滲出來(lái)判定是否有外泄漏，或者將液壓缸進(jìn)行拆解以檢測(cè)是否有內(nèi)泄漏發(fā)生。這些方法存在著操作復(fù)雜、存在安全隱患等問(wèn)題。近年來(lái)新發(fā)展的非介入式檢測(cè)技術(shù)能夠在不對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆解的條件下，實(shí)現(xiàn)裝備狀態(tài)信息的獲取，有效地解決了測(cè)試安全性隱患，但同時(shí)存在測(cè)試精度不高的問(wèn)題，影響了診斷結(jié)果可信度。

D-S 理論是針對(duì)事件發(fā)生后的結(jié)果探求事件發(fā)生的主要原因。對(duì)于具有主觀不確定性判斷的多屬性診斷問(wèn)題，D-S 理論是一種融合主觀不確定性信息的有效手段。在液壓缸泄漏故障診斷中，可利用故障狀態(tài)下的壓力、流量及活塞桿行程信息去探求液壓缸的具體故障類型。

作者首先在理論上論證D-S 理論在液壓缸泄漏故障診斷中應(yīng)用的可行性，之后利用AMESim 軟件對(duì)液壓缸在正常工作及發(fā)生內(nèi)、外泄漏故障等不同狀態(tài)下的壓力、流量和活塞桿行程信號(hào)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)D-S理論在泄漏故障診斷方面的實(shí)際應(yīng)用。

1 建模仿真軟件AMESim

AMESim?軟件是IMAGINE 公司于1995 年推出的專門用于液壓/機(jī)械系統(tǒng)的建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析的軟件。在液壓系統(tǒng)仿真過(guò)程中，可以達(dá)到以下要求:

(1)可仿真液壓缸正常狀態(tài)及內(nèi)泄漏狀態(tài);

(2)可得到不同狀態(tài)下液壓缸進(jìn)油腔壓力、進(jìn)出油腔壓力差以及活塞桿行程數(shù)據(jù)。

2 信度函數(shù)分配及數(shù)據(jù)融合

利用傳感器獲取的信息中不僅包含對(duì)各類故障的支持度，也將引入一定的不確定性。信度函數(shù)分配就是針對(duì)傳感器輸出信息中的支持度和不確定性進(jìn)行量化，其計(jì)算公式為:

式中:Cj(ui)是傳感器j 對(duì)目標(biāo)模式ui的相關(guān)系數(shù)，其中i=1，2，…，Nc;Nc為目標(biāo)模式數(shù)目，且必須大于1;Ns是傳感器總數(shù);Wj是傳感器j 的環(huán)境加權(quán)系數(shù)，介于0 到1 之間;αj是傳感器j 的最大相關(guān)系數(shù);βj是傳感器j 的相關(guān)分配值;Rj是傳感器j的可靠性系數(shù)。

傳感器j 對(duì)目標(biāo)模式ui的信度函數(shù)為:

傳感器j 的不確定性θ 的信度函數(shù)為

多傳感器數(shù)據(jù)融合有3 種基本方法: (1)直接進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)融合; (2)以特征向量表示傳感器數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行特征向量融合; (3)對(duì)每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得高層推論或決策，然后進(jìn)行決策級(jí)融合。作者采用的是決策層融合中的D-S 數(shù)據(jù)融合方法。

在液壓缸的進(jìn)油腔和出油腔分別設(shè)置超聲波流量傳感器S1 和S2，并利用S1-S2 獲取液壓缸進(jìn)出油腔的流量差信號(hào);在進(jìn)油管設(shè)置超聲壓力傳感器S3，獲取液壓缸進(jìn)油腔的壓力信號(hào);在液壓缸外側(cè)設(shè)置伸縮式位移傳感器S4，測(cè)量液壓缸活塞桿行程。

設(shè)液壓缸故障域?yàn)?u1表示液壓缸內(nèi)泄漏，u2表示正常狀態(tài)，u3表示液壓缸外泄漏，不確定性由θ表示。

經(jīng)信度函數(shù)分配后得到各類傳感器對(duì)內(nèi)、外泄漏及不確定性的信度函數(shù)分別為:

首先對(duì)傳感器S1-S2 和S3 的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合:

由公式(9)得到第一步數(shù)據(jù)融合結(jié)果:

再和傳感器S4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合:

由公式(10)得到第二步的融合結(jié)果，也就是最終的融合結(jié)果:

3 仿真過(guò)程

液壓系統(tǒng)仿真模型如圖1 所示，在草圖下搭建其模型結(jié)構(gòu)，在子模型模式下為每個(gè)模塊選取子模型，在參數(shù)模式下設(shè)置參數(shù):發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 480 r/min;泵的排量設(shè)置為63 mL/r，轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000 r/min;三位四通換向閥各路流量設(shè)置為90 L/min，壓降設(shè)置為0.01 MPa，阻尼比設(shè)置為0.8，閥芯固有頻率設(shè)置為50 Hz，額定電流設(shè)置為200 mA;活塞直徑設(shè)置為25 mm，活塞桿直徑設(shè)置為15 mm;液壓缸內(nèi)泄漏狀態(tài)下設(shè)置為5 L/ (min·MPa);外泄漏設(shè)置的節(jié)流閥流量設(shè)置為5 L/ (min·MPa);三位四通換向閥信號(hào)源設(shè)置為常數(shù)50。其他參數(shù)均按默認(rèn)值設(shè)置。

圖1 液壓系統(tǒng)仿真模型圖

仿真過(guò)程為:

(1)正常狀態(tài)下，將液壓缸泄漏設(shè)置為0;

(2)內(nèi)泄漏狀態(tài)下，將液壓缸內(nèi)泄漏設(shè)置為5 L/ (min·MPa);

(3)外泄漏狀態(tài)下，將兩位兩通換向閥通電，液壓缸泄漏設(shè)置為0。

得到不同狀態(tài)下進(jìn)油腔壓力、進(jìn)出油腔壓力差及桿行程的數(shù)據(jù)如圖2—4 所示。仿真時(shí)間為10 s。

圖2 不同狀態(tài)下進(jìn)油腔壓力曲線

圖3 不同狀態(tài)下進(jìn)出油腔流量差曲線

圖4 不同狀態(tài)下桿行程曲線

對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行處理，對(duì)其進(jìn)行特征提取，現(xiàn)將液壓缸內(nèi)泄漏設(shè)置為3 L/ (min·MPa)，得到其進(jìn)油腔壓力曲線、進(jìn)出油腔流量差曲線和桿行程曲線，如圖5—7 所示。

圖5 3 L/(min·MPa)內(nèi)泄漏狀態(tài)下進(jìn)油腔壓力曲線

將測(cè)試信號(hào)曲線進(jìn)行特征提取后數(shù)據(jù)代入到公式中，得到該狀態(tài)下的隸屬度，進(jìn)而得到各類傳感器對(duì)不同故障類型的信度函數(shù)，最終利用D-S 數(shù)據(jù)融合方法得到傳感器組對(duì)各類故障的一致性描述，進(jìn)而完成對(duì)故障類型的判別。信度函數(shù)分配見(jiàn)表1。

圖6 3 L/(min·MPa)內(nèi)泄漏狀態(tài)下進(jìn)出油腔流量差曲線

圖7 3 L/(min·MPa)內(nèi)泄漏狀態(tài)下桿行程曲線

表1 信度函數(shù)分配

4 結(jié)論

將D-S 理論引入到液壓缸泄漏故障診斷領(lǐng)域，仿真結(jié)果說(shuō)明:這種方法可實(shí)現(xiàn)非介入式泄漏故障診斷，可避免液壓缸的拆解及單傳感器的低精度問(wèn)題，為液壓缸泄漏故障診斷提供了一項(xiàng)新的檢測(cè)技術(shù)。

【1】陸望龍.液壓系統(tǒng)使用與維修手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:308 －330.

【2】黃志堅(jiān)，袁周.液壓設(shè)備故障診斷與監(jiān)測(cè)實(shí)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

【3】何友，王國(guó)宏.多傳感器信息融合及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2000.

【4】蔡偉，李敏，張志利.液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷中的傳感器優(yōu)化配置技術(shù)［J］.液壓與氣動(dòng)，2012(5):75 －78.

【5】李振中，孫玉清，陳海泉，等.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的液壓泵故障診斷研究［J］.機(jī)床與液壓，2006(8):214 －215.