基于廣義相位信息的擺臂系統喘行故障診斷

曹進華

(廈門大學嘉庚學院機電工程學院，福建漳州 363105)

0 前言

擺臂系統作為一種典型的往復機構，廣泛用于塔架類大型母體建筑，用于支撐測試電纜、氣管、風管等柔性材料。工作過程中，擺臂在液壓動力驅動下進行變速往復運動。針對擺臂這類往復機械系統的性能檢測與故障診斷的研究，對提高其運行穩定性和可靠性具有重要工程意義。長期以來，由于往復機械結構復雜、激勵源多、機器故障產生大量沖擊和摩擦以及運行速度不穩定等特點[1]，導致測試信號存在非平穩特征。從國內外研究情況來看，故障診斷的研究重點多限于旋轉機械，對往復機械的研究相對薄弱。目前應用較多的技術手段主要有熱力參數分析、溫度分析、油液分析、振動分析等方法，上述方法各有其優缺點[2-3]。針對擺臂系統喘行故障，本文作者提出一種基于廣義相位信息的往復機械系統故障診斷方法。

1 廣義相位概念的提出

在數學、物理學等領域，相位概念經常用于描述機械振動、電學物理量的空間位置或時間先后關系。就機械振動系統而言，相位用于表示在給定時刻振動體被測點相對于固定參考點的位置，或描述不同部件之間的振動，如式(1)所示。也可以表示2個振動矢量在時間和空間上的相互關系[4]。

x=Asin(ωt+φ)

(1)

式中：x表示振動體的位移；A表示振幅；ω表示角頻率；φ表示初始相位，單位為rad或者(°)。

在復雜周期往復機械系統中，由于人為操作導致執行機構速度不穩定，在不同的工作循環中，各機構的狀態時域信號不穩定。考慮以某機件的工作行程周期為參考基準，將其他零件工作狀態信號繪制在該機件的相位坐標圖上，則此時各信號的相位信息反映的是系統各零件狀態參數信號相對于基準機件的時序關系。為區別于簡諧振動和周期信號的相位概念，這里將它稱為廣義相位，用φg表示。

根據上述定義，在該相位坐標圖中，各零件的狀態信號可以表示為

fi(t)=f[ωi(t)t+φgi]+g(γgi)

(2)

式中:ωi(t)為第i個零件的角速度；φgi為該信號的廣義相位，表示第i個零件在工作循環中相對于基準部件的相位差，反映系統時序關系；γgi表示第i個零件狀態信號物理意義上的相位差，例如同一零件的加速度、速度和位移信號在相位上就分別相差90°。由于2個相位物理意義不同，所以不能直接進行代數運算。

對于一個確定的往復機械系統，各零件廣義相位差的確定性與機械系統的動力傳遞順序和信號的物理特性有關。在正常工況下，各零件廣義相位差應當保持確定的相關性，即為常數Ci，如式(3)所示：

(3)

當有零件工作不正常或存在故障時，該零件及相關零件狀態信號的廣義相位差就會發生變化。根據這一原理，可以依據廣義相位特征信息來判斷在時間、空間上的運動時序關系變化，進而診斷出往復機械系統的故障原因。

2 擺臂系統工作原理分析

發射塔擺臂系統屬于典型的往復機構，主要由液壓分系統和機械分系統兩部分組成。其整體結構組成與局部結構分別如圖1、2所示。

圖1 擺臂機械分系統

當擺臂系統運行時，其工作原理如圖3所示。交流電機帶動液壓泵提供壓力油，操作人員操縱換向閥，控制液壓油的流向，進而使液壓缸活塞桿前后伸縮運動；活塞桿另一端與齒條聯接，齒條與轉軸齒輪嚙合，驅動轉軸上擺臂懸臂往復擺動，擺動角度范圍為90°。為提高液壓系統的任務可靠性，液壓分系統采用并聯雙泵雙閥組結構設計，以保證為液壓系統提供足夠的壓力，為機械分系統提供可靠的往復動力。

圖3 液壓系統工作原理

從上述分析可知，擺臂系統的液壓部分與機械部分有著明確的單向傳遞關系。在運行過程中，不考慮測試信號物理相位的影響時，機械系統部件狀態信號的廣義相位應當落后于液壓系統狀態信號的廣義相位。以擺臂系統油缸活塞桿作為基準部件，其行程周期為參照基準。考慮到各狀態信號廣義相位信息主要是通過各信號變化趨勢對比來讀取，與狀態信號的量綱無關，因此對各狀態信息變量進行歸一化處理。另外，為避免圖中曲線重疊混亂，將各類狀態信號沿y軸適當平移，以便更清晰分析其變化趨勢。由此，得到擺臂系統某次開合往復工作周期的液壓缸信號曲線如圖4所示。

圖4 開合過程液壓缸狀態信號曲線

圖4中的曲線表示液壓缸狀態信號的廣義相位信息，即在時間上的先后關系。以活塞桿行程為參照，各狀態信號間的廣義相位差保持不變，更能準確反映系統部件間的真實工況。當各部件相位差特征發生改變時，說明該擺臂系統出現故障，進而可以診斷出運行狀態異常的原因。

3 擺臂系統故障診斷實例

某型發射塔剛建成不久，其擺臂系統在試運行時便出現喘行現象，表現為：無外力作用條件下，擺臂開合過程存在速度不均、間歇性停頓現象，嚴重程度與運行速度表現出相關性。由于是新建系統，可以初步排除液壓系統元件老化泄漏等原因，擺臂喘行主要受系統動態特性影響。因此，擬通過試驗測試和信號分析的方法，利用信號的廣義相位特征量來判斷故障原因。

從該系統結構特點和工作原理分析，導致喘行故障的原因有3個：液壓系統動力性能、液壓缸與齒條齒輪機械傳動特性、水平擺臂機構動態特性。針對上述可能影響因素，綜合考慮擺臂系統的空間布局、測點選擇、傳感器參數等因素[5-7]，擺臂系統測試系統如圖5所示。

圖5 擺臂測試系統組成

利用該測試系統，對擺臂系統開、閉運行過程進行多通道同步測試并記錄數據，測得擺臂液壓系統電機工作電壓和電流、擺臂旋轉角位移與角速度、齒條相對液壓缸位移、液壓缸進出油口壓力和流量以及活塞桿相對液壓缸位移等信號數據。

對某一組擺臂開合過程的測試信號進行分析，通過前期信號濾波消噪預處理，可得到相應測試信號，并進行以下分析。

(1)液壓系統動力特性

從圖6可以看出：驅動電機的功率曲線表明驅動電機的功率輸出基本平穩，沒有明顯波動，說明液壓動力系統提供驅動力矩穩定，液壓驅動系統動力特性不是造成擺臂喘行的原因；此外，盡管液壓缸前后缸內壓力波動劇烈，但電機功率曲線保持平穩，說明液壓系統內部壓力滿足負荷要求，在溢流閥的調節下，沒有影響電機負載變化；從流量曲線來看，液壓缸后腔是壓力液體流入腔，由于活塞桿的存在，前后腔體截面積存在差異，使得后腔流入流量大于前腔流出流量，也符合實際情況，流量曲線總體平緩，其廣義相位特征信息不能提供更多信息；從壓力曲線來看，液壓缸前腔壓力變化劇烈，持續于整個打開過程中，后腔壓力變化相對平穩。如圖7所示，前腔壓力曲線的廣義相位領先于后腔壓力曲線，說明前腔壓力變化先于后腔壓力變化，這與壓力油從后腔接口進油的實際情況是矛盾的。另外，擺臂到位后，液壓缸停止供油，由于慣性影響，擺臂出現往復振蕩，擺臂機構反向力作用于活塞桿，此時前后腔壓力只受擺臂機械慣性力影響，相位特征保持一致。

圖6 打開過程液壓動力系統信號曲線

圖7 液壓缸前后腔壓力曲線局部細節

(2)液壓缸與齒條齒輪機械傳動特性

作為液壓系統動力輸出的關鍵執行部件，液壓油缸中活塞桿直接與傳動部件齒條連接，其傳動特性包含了擺臂工作過程的負載與驅動系統相互作用的信息。活塞桿和齒條位移曲線如圖8所示。由圖9、圖10可知：在擺臂喘行時刻和打開結束時刻，活塞桿與齒條位移曲線存在明顯的不同步現象，這說明活塞桿與齒條之間的機械連接不是緊配合，兩者間存在間隙。

圖8 活塞桿和齒條位移曲線

圖9 起始段位移曲線局部細節

圖10 終了段位移曲線局部細節

(3)水平擺臂機構狀態分析

在擺臂系統中，水平擺臂是整個擺臂系統的傳動最末端。正常情況下，液壓系統的廣義相位應領先于水平擺臂的廣義相位。為進行對比，選取上擺臂的速度曲線和液壓系統執行部件液壓缸的壓力曲線進行對比分析(見圖11)。可以看出：上端擺臂的速度與液壓缸前腔壓力波動有明顯的對應關系，但是在相位順序上，上端擺臂速度曲線上A1、A2兩點相位要領先于液壓缸前腔壓力曲線上B1、B2兩點的相位。由此可見，擺臂系統打開過程中，水平擺臂運行先出現異常，隨后才通過機械傳動，將反作用力傳遞到液壓缸。液壓缸前腔與回路通路相連，回油壓力較低，提供阻尼小，所以前腔油壓容易受水平擺臂速度波動的影響。

圖11 擺臂上端速度與液壓缸前腔壓力信號對比

通過上述分析，可以得到以下結論：

(1)工作過程中，驅動電機輸出功率總體平穩，提供驅動力矩沒有明顯波動，可以判定擺臂喘行故障與驅動電機及液壓泵的運行狀態無關；

(2)液壓缸活塞桿與齒條聯接處存在間隙，兩者相對于液壓缸體的位移不完全同步，活塞桿推齒條往復運動時，存在時斷時續的狀態，導致水平擺臂處于短時低阻尼的工作環境；

(3)工作過程中，上端擺臂速度曲線廣義相位領先于液壓缸前腔壓力，液壓缸前腔壓力廣義相位又領先于后腔壓力變化，這說明水平擺臂的動態特性是喘行現象的根本原因。由于擺臂機械部分屬于懸臂梁結構，它具有的柔性特性在擺臂運行過程中會表現出來。根據結論(2)可知，活塞桿與齒條連接處存在間隙，使得水平擺臂在工作過程中短時處于無阻尼或小阻尼狀態，進而出現振顫、速度不均的喘行現象。

因此，為減弱或消除擺臂喘行現象，一是要消除齒條與活塞桿之間間隙，使液壓缸在提供驅動力矩的同時，還可以提供部分阻尼，以減弱水平擺臂固有柔性特性的影響[8]；二是改造擺臂機械結構，增加若干個阻尼器，提高擺臂機構運動平穩性[9-10]。

4 結論

根據往復機構的工作特點和運行規律，提出了一種基于廣義相位信息特征的故障診斷分析方法。將該方法運用于典型往復機構發射塔擺臂系統的故障診斷中，找出了擺臂系統喘行故障原因，提出相應的改進措施。基于信號廣義相位特征信息分析方法的研究，為往復機械系統的性能檢測與故障診斷提供了一種新的研究思路，具有重要的實際工程意義。