伸縮臂式履帶起重機液壓故障診斷方法研究

摘要：為實現(xiàn)對伸縮臂式履帶起重機液壓故障的診斷，設(shè)計前對履帶起重機液壓負荷進行感知。引進小波包算法，利用小波包Shannon熵，對起重機液壓運行過程中的小波包信號進行分解、重建，通過獲得起重機液壓運行各個頻帶區(qū)段的信號，實現(xiàn)對起重機液壓小波包異常信號特征的提取。參照故障形式，建立起重機液壓診斷模型，劃分故障診斷對應(yīng)，完成起重機故障診斷方法的設(shè)計。對比實驗結(jié)果證明：設(shè)計的故障診斷方法實際應(yīng)用效果良好，該方法可以在精準識別起重機液壓故障原因的同時，提高故障診斷結(jié)果的準確率，實現(xiàn)對設(shè)備故障的快速、精準排查。

關(guān)鍵詞：伸縮臂；起重機；負荷感知；診斷方法；液壓故障

0 " 引言

起重機械作業(yè)時，液壓系統(tǒng)需要具有較強的提升力、較快的提升速度，同時，提升部件需要保持穩(wěn)定，尤其在吊裝作業(yè)時，應(yīng)避免因貨物自身的質(zhì)量造成超速下降現(xiàn)象[1]。在此過程中，考慮到起重機液壓吊桿在下降過程中，其負荷方向與液壓運動方向基本一致，并有加速的趨勢，所以必須對液壓系統(tǒng)進行限速控制。

盡管目前工程機械單位已投入了大量資金用于開展相關(guān)起重機液壓控制方面的研究，但根據(jù)工程方的反饋可知，起重機在運行中其液壓系統(tǒng)仍經(jīng)常出現(xiàn)故障。為了能使技術(shù)人員快速排查起重機液壓系統(tǒng)的故障，本文以伸縮臂式履帶起重機為例，設(shè)計一種針對液壓系統(tǒng)的故障全新診斷方法。

1 " 伸縮臂式履帶起重機液壓負荷感知

為實現(xiàn)對伸縮臂式履帶起重機液壓故障的診斷，設(shè)計方法前，對履帶起重機液壓負荷進行感知。在此過程中，應(yīng)明確起重機液壓運行中的主泵采用斜盤式軸向泵塞控制變量，控制過程中，液壓泵具有一定的負向反饋功能。

起重機發(fā)動前，泵斜盤擺角的角度較大[2]。驅(qū)動發(fā)動機后，液壓裝置將出現(xiàn)流量瞬時缺失現(xiàn)象。此時液壓泵的擺角將在瞬時回縮到一個較小位置，并保證液壓泵出口壓力處于一個較大值。當(dāng)節(jié)流口處于開啟狀態(tài)時，傳感機構(gòu)將主動改變起重機液壓泵排量，從而控制液壓輸出流量的大小，使節(jié)流兩端的壓差位置在一個相對固定的數(shù)值。在此種條件下，可以參照液壓驅(qū)動過程中的流體力學(xué)原理，感知伸縮臂式履帶起重機液壓負荷[3]。計算公式如下。

（1）

公式（1）中：Q表示伸縮臂式履帶起重機液壓負荷，K表示負載流量，A表示過流面積，△p表示起重機液壓端設(shè)定的恒定值。△p的取值為一個相對恒定值，因此Q與A兩者之間存在一定的線性關(guān)系，A的取值越大，說明液壓泵的輸出流量越多。

根據(jù)起重機液壓泵的運行原理，液壓主泵將根據(jù)起重機液壓端的需求流量，進行負載流量的供應(yīng)。為此Q的數(shù)值與負載壓力無關(guān)，起重機在運行過程中，只要無多余的流量溢出，則可說明液壓溢流不存在損失[4]。按照上述方式，實現(xiàn)對伸縮臂式履帶起重機液壓負荷的感知。

2 " 起重機液壓小波包異常信號特征提取

完成起重機液壓負荷的感知后，引進小波包算法，設(shè)計起重機液壓小波包異常信號特征的提取。在此過程中，利用小波包Shannon熵，對起重機液壓運行過程中的小波包信號進行分解、重建，從而獲得起重機液壓運行各個頻帶區(qū)段的信號。

將信號在單波段上迭代，即可反映出各個頻帶的能量。根據(jù)能量的有效區(qū)段，實現(xiàn)對異常信號特征的辨識[5]。采集起重機液壓作業(yè)信號，按照下述公式，對其進行分解。

（2）

公式（2）中：d表示起重機液壓作業(yè)信號的分解，a表示小波包基，k表示共軛濾波器系數(shù)，j表示分解系數(shù)。對分解后的信號進行重構(gòu)，此過程按如下計算公式計算：

（3）

公式（3）中：d1表示分解后信號的重構(gòu)，h表示頻帶函數(shù)，g表示頻帶。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，計算第i個節(jié)點位置的Shannon值，計算公式如下。

（4）

公式（4）中：Ei表示第i個節(jié)點位置的Shannon值；x表示采樣點數(shù)。對計算的能量值進行歸一化處理，定義信號段能量，提取異常區(qū)段的能量值，按照上述方式，實現(xiàn)對起重機液壓小波包異常信號特征的提取。

3 " 起重機液壓故障診斷

完成上述研究后，根據(jù)起重機液壓小波包異常信號特征，對伸縮臂式履帶起重機液壓故障現(xiàn)象與故障形式進行描述[6]。參照故障形式，建立起重機液壓診斷模型，劃分故障診斷對應(yīng)。以液壓泵軸承為例，當(dāng)確定故障診斷對象為軸承時，可采用構(gòu)建故障樹的方式，細化造成軸承故障的多種原因，將故障節(jié)點劃分為內(nèi)圈、外圈、球[7-8]。在此基礎(chǔ)上，提取起重機在運行中的異常振動數(shù)據(jù)，根據(jù)已知數(shù)據(jù)，計算特征數(shù)據(jù)的方差、削度、均方根、斜度、峰值。

在此基礎(chǔ)上，將前端上傳的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)以頁面形式顯示，將顯示結(jié)果與后臺故障診斷模型進行交互，通過此種方式，為管理終端提供對模型各部件的診斷選擇。按照上述方式，實現(xiàn)對起重機液壓工程機械故障的診斷，完成伸縮臂式履帶起重機液壓故障診斷方法的設(shè)計。

4 " 對比實驗

本文以伸縮臂式履帶起重機為例，設(shè)計一種針對液壓系統(tǒng)的故障診斷方法。為實現(xiàn)對該方法故障診斷效果的檢驗，以某機械工程生產(chǎn)單位為例，采用設(shè)計對比實驗的方式，對設(shè)計的方法展開測試。

在對此單位進行現(xiàn)場勘察時發(fā)現(xiàn)，上月此單位CS6T型伸縮臂式履帶起重機外出施工，起重機在作業(yè)一段時間后，現(xiàn)場司機反饋液壓主泵異常聲響突然增大。現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)，起重機液壓油箱中含有大量的氣泡。考慮到起重機液壓主泵是去年后半年度檢修更換的，因此現(xiàn)場作業(yè)的機務(wù)人員誤認為，是主泵吸油管線密封性較差，導(dǎo)致油箱產(chǎn)生氣泡。

為排除故障，技術(shù)人員指導(dǎo)司機，拆下吸油管檢查后重新安裝，并在軟管接頭上涂抹油脂，將吸油器的吸油器也取下來重裝。但經(jīng)過一系列的處理后，重機液壓故障并未得到有效處理。在與現(xiàn)場工作人員綜合商議后，決定使用本文設(shè)計的方法，對伸縮臂式履帶起重機液壓故障進行診斷。

為確保診斷結(jié)果的真實性與客觀性，診斷前，明確伸縮臂式履帶起重機液壓主泵屬于變量斜軸式。在此基礎(chǔ)上，對起重機運行中的基礎(chǔ)參數(shù)進行分析。相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

掌握伸縮臂式履帶起重機技術(shù)參數(shù)后，使用本文設(shè)計的方法，對其進行液壓故障診斷。診斷過程中，先進行伸縮臂式履帶起重機液壓負荷感知。在此基礎(chǔ)上，引進小波包分析技術(shù)，設(shè)計起重機液壓在作業(yè)過程中小波包異常信號特征的提取，通過對起重機工程機械故障的診斷，完成基于本文方法對機械設(shè)備故障的診斷。

在上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進基于T-S模糊故障樹的診斷方法，與基于VMD改進MDE算法的故障診斷方法，將提出的兩種方法作為傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2。伸縮臂式履帶起重機液壓故障包括G1、G2、G3、G4、G5，已知CS6T型號起重機的故障原因為G2，使用3種方法，對起重機進行故障診斷，提取3種方法故障診斷過程中識別的異常信號種類與數(shù)量，其結(jié)果如圖1所示。

從圖1所示的實驗結(jié)果可以看出，本文方法識別的異常信號為G2，基本沒有識別到G1、G3、G4、G5等其他異常信號。在此基礎(chǔ)上，對圖1中傳統(tǒng)方法1的故障診斷結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)該方法不僅識別到了起重機液壓裝置存在G2異常信號，還識別到了起重機存在G1、G3等異常信號，與已知起重機的故障原因不匹配。

對傳統(tǒng)方法2的故障診斷結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，該方法未能識別到有效的起重機液壓故障信號。在完成上述實驗后，初步得到如下結(jié)論：相比傳統(tǒng)的故障診斷方法，本文設(shè)計的方法可以更加精準地識別到伸縮臂式履帶起重機液壓故障。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計3種方法對G1、G2、G3、G4、G5故障形式的診斷準確率，診斷結(jié)果如表2所示。

從表2統(tǒng)計的實驗結(jié)果中可以看出，3種方法中，本文方法對伸縮臂式履帶起重機液壓故障現(xiàn)象診斷的準確率在98%以上，而兩種傳統(tǒng)方法的故障診斷結(jié)果準確率相對較低。

綜合圖1與表2，得到本次對比實驗的最終結(jié)論：相比傳統(tǒng)方法，本文設(shè)計的伸縮臂式履帶起重機液壓故障診斷方法實際應(yīng)用效果良好。該方法可以在精準識別起重機液壓故障原因的同時，提高故障診斷結(jié)果的準確率，實現(xiàn)對工程機械設(shè)備故障的快速、精準排查。以此種方式，有利于發(fā)揮起重機在工程項目作業(yè)中更高的經(jīng)濟效益與價值。

5 " 結(jié)束語

本文通過伸縮臂式履帶起重機液壓負荷感知、起重機液壓小波包異常信號特征提取、起重機液壓工程機械故障診斷，完成了此次研究，旨在通過此次設(shè)計，使起重機在工程機械領(lǐng)域發(fā)揮出更高的價值與效能。

設(shè)計方法前，對履帶起重機液壓負荷進行感知。引進小波包算法，利用小波包Shannon熵，對起重機液壓運行過程中的小波包信號進行分解、重建，通過獲得起重機液壓運行各個頻帶區(qū)段的信號，實現(xiàn)對起重機液壓小波包異常信號特征的提取。參照故障形式，建立起重機液壓診斷模型，劃分故障診斷對應(yīng)，完成起重機故障診斷方法的設(shè)計。對比實驗結(jié)果證明：設(shè)計的故障診斷方法實際應(yīng)用效果良好，該方法可以在精準識別起重機液壓故障原因的同時，提高故障診斷結(jié)果的準確率，實現(xiàn)對設(shè)備故障的快速、精準排查。

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