CN105927614A - 液压设备动能刚度检测系统及图示化监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压设备动能刚度检测系统及图示化监测方法，包括：1：分别采集机电液系统运行过程中的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m和液压马达转矩T_m；2：对采集的数据进行求变化率处理、去量纲化处理；3：对变化率进行调幅处理；然后进行李萨如图绘制，通过绘制的李萨如图获得电机、液压泵及液压马达的动能刚度角；4：利用获得的动能刚度角绘制机电液系统的动能刚度圆。本发明能够实现变工况下液压设备运行状态、性能可靠性的综合评价问题，避免了单一信号评价的片面性等问题，经具体实施验证，具有实际应用价值。

Description

液压设备动能刚度检测系统及图示化监测方法

技术领域

本发明属于液压设备状态监测与故障诊断领域，涉及一种基于动能刚度分析的液压系统性能图示化识别系统和方法。

背景技术

液压设备以其功率密度大、复杂工况适应性强以及易于操作等优点被广泛应用于工程建设、航空航天、工业生产等诸多领域。随着液压设备向大型、集成、高速、高压方向发展，极端工况下所凸显的各种性能弱化现象已逐渐被国内外学者所关注，尤其是液压设备在低速、高速、高压等状态下所表现的振动、转速波动、效率低下等问题已成为设备状态监测、故障诊断、性能可靠性评价领域的亟待解决的问题。

液压设备作为典型复杂机电系统，其运行过程伴随着多能域中参数的相互耦合、相互转换以及非线性因素的强耦合作用，这决定了液压设备状态监测、性能评估的复杂性以及故障类型的多样性。设备在运行过程中，其运行状态、性能可靠性等诸多信息蕴含于系统的多源信号中，如电机三相电压、电流、压力、流量、转矩、转速、振动信号等，而单一信号不能全局的反映系统整体的性能，且不同信号对故障、性能的敏感程度不一，为了避免传统单一指标评价方法的片面性，需要从多方位、多角度融合多源信息量，以获取系统全面的性能状态指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液压设备动能刚度检测系统及图示化监测方法，以解决上述技术问题。本发明为液压设备运行状态监测与可靠性评估提供一种图示化检测和分析方法，以动能刚度大小量化系统性能退化程度并作为衡量设备性能的综合评价指标，为液压设备的状态监测、性能可靠性评价以及早期故障预警控制提供图示化、数据化科学指标。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

液压设备动能刚度检测系统，包括数据采集系统和信号调制与信息融合系统；

数据采集系统包括：分别用于采集机电液系统中电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m、液压马达转矩T_m的电机转速传感器、电机转矩传感器、液压泵压力传感器、液压泵流量传感器、液压马达转速传感器和液压马达转矩传感器；

信号调制与信息融合系统用于对数据采集系统采集的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m、液压马达转矩T_m进行求变化率处理、信号调制处理，然后进行电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制和液压马达转速刚度李萨如图绘制，通过绘制的电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制、液压马达转速刚度李萨如图获得电机、液压泵及液压马达的动能刚度角，最后利用获得的电机、液压泵及液压马达的动能刚度角绘制机电液系统的动能刚度圆。

进一步的，求变化率处理包括以下步骤：以机电液系统空载时的状态S₀∈{n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0、T_m0}值为基准，计算机电液系统当前状态S∈{n_e、T_e、Q_p、P_p、n_m、T_m}相对于空载状态的变化率：dS＝(S-S₀)/S₀；；n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0和T_m0分别为机电液系统空载时电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩。

进一步的，信号调制处理为选用单位幅值的正弦信号对机电液系统的电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩的变化率进行调幅处理；得调幅信号为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{dA}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_A)\\ y=\frac{dB}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_B)\\ z=\frac{dc}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_C)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，A∈{ω_e，Q_p，ω_m}，B∈{T_e，P_p，T_m}，C∈{i_e，ω_p，Q_m}其中，ω_e——电机输出角频率；ω_p——油泵输出角频率；ω_m——油马达输出角频率；i_e——电机的输入电流；

令为动能信号与势能信号载波的相位差，ψ_C＝ψ_A；令α＝ωt+ψ_B，得：

由式(5)得：

当载波信号的相位差时，由式(6)得：

$y=-\frac{dB}{dA}x---\left(7\right)$

同理得：

$z=\frac{dC}{dA}x---\left(8\right)$

在笛卡尔坐标平面内，由式(7)、(8)绘制电机转速刚度李萨如图、液压泵流量刚度李萨如图、液压马达转速刚度李萨如图；李萨如图包括过原点的两条直线，分别称为逆向刚度线与正向刚度线，逆向刚度线、正向刚度线与水平坐标轴的夹角称为动能刚度角。

进一步的，电机、液压泵及液压马达的刚度角大小分别为ζ_M、ζ_P、ζ_m，得方程组(9)；

$\left\{\begin{array}{c}{S}_M=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_M\right)}^2\\ S_P=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_P\right)}^2\\ S_m=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_m\right)}^2\end{array}\right.---\left(9\right)$

在笛卡尔坐标系内，式(9)所绘制的同心圆称为动能刚度圆；式中，ζ_M∈{α_M，β_M}，ζ_P∈{α_P，β_P}，ζ_m∈{α_m，β_m}；其中，α_M为电机的正向动能刚度角，β_M为电机的逆向动能刚度角；α_P为液压泵的正向动能刚度角，β_P为液压泵的逆向动能刚度角；α_m为液压马达的正向动能刚度角，β_m为液压马达的逆向动能刚度角。

液压设备动能刚度图示化监测方法，包括以下步骤：

步骤1：分别采集机电液系统运行过程中的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m和液压马达转矩T_m；

步骤2：对步骤1采集的数据进行求变化率处理；

步骤3：对机电液系统的电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩的变化率进行调幅处理；然后进行电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制和液压马达转速刚度李萨如图绘制，通过绘制的电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制、液压马达转速刚度李萨如图获得电机、液压泵及液压马达的动能刚度角；

步骤4：利用获得的电机、液压泵及液压马达的动能刚度角绘制机电液系统的动能刚度圆。

进一步的，步骤1中采用电机转速传感器、电机转矩传感器、液压泵压力传感器、液压泵流量传感器、液压马达转速传感器和液压马达转矩传感器分别采集机电液系统运行过程中的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m和液压马达转矩T_m。

进一步的，步骤2中求变化率处理包括以下步骤：以机电液系统空载时的状态S₀∈{n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0、T_m0}值为基准，计算机电液系统当前状态S∈{n_e、T_e、Q_p、P_p、n_m、T_m}相对于空载状态的变化率：dS＝(S-S₀)/S₀；；n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0和T_m0分别为机电液系统空载时电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩。

进一步的，步骤3中信号调制处理为选用单位幅值的正弦信号对机电液系统的电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩的变化率进行调幅处理；得调幅信号为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{dA}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_A)\\ y=\frac{dB}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_B)\\ z=\frac{dc}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_C)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，A∈{ω_e，Q_p，ω_m}，B∈{T_e，P_p，T_m}，C∈{i_e，ω_p，Q_m}其中，ω_e——电机输出角频率；ω_p——油泵输出角频率；ω_m——油马达输出角频率；i_e——电机的输入电流；

令为动能信号与势能信号载波的相位差，ψ_C＝ψ_A；令α＝ωt+ψ_B，得：

由式(5)得：

当载波信号的相位差时，由式(6)得：

$y=-\frac{dB}{dA}x---\left(7\right)$

同理得：

$z=\frac{dC}{dA}x---\left(8\right)$

在笛卡尔坐标平面内，由式(7)、(8)绘制电机转速刚度李萨如图、液压泵流量刚度李萨如图、液压马达转速刚度李萨如图；李萨如图包括过原点的两条直线，分别称为逆向刚度线与正向刚度线，逆向刚度线、正向刚度线与水平坐标轴的夹角称为动能刚度角。

进一步的，步骤4中，电机、液压泵及液压马达的刚度角大小分别为ζ_M、ζ_P、ζ_m，得方程组(9)；

$\left\{\begin{array}{c}{S}_M=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_M\right)}^2\\ S_P=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_P\right)}^2\\ S_m=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_m\right)}^2\end{array}\right.---\left(9\right)$

在笛卡尔坐标系内，式(9)所绘制的同心圆称为动能刚度圆；式中，ζ_M∈{α_M，β_M}，ζ_P∈{α_P，β_P}，ζ_m∈{α_m，β_m}；其中，α_M为电机的正向动能刚度角，β_M为电机的逆向动能刚度角；α_P为液压泵的正向动能刚度角，β_P为液压泵的逆向动能刚度角；α_m为液压马达的正向动能刚度角，β_m为液压马达的逆向动能刚度角。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明以动能刚度作为液压设备的综合评价指标，将系统的运行性能及性能可靠性评价统一于刚度，通过建立刚度的图示化在线监(检)测方法实现液压设备的运行状态监测及可靠性安全保障的评价与控制。

(2)根据本发明形成的基于信号调制的李萨如图信息融合方法，通过结合信号调制技术，将抽象的动能刚度量化问题转化为为直观的图形化表示方法，根据李萨如图图形特征的大小，衡量系统动能刚度的大小；以图形特征的变化规律，分析系统的运行状态。

(3)根据本发明形成的动能刚度圆，能够分析变工况下机、电、液各子系统动态匹配特性，可实时监测各子系统间的能量传递性能，对整体设备的性能可靠性进行评估，对液压设备的自适应控制以及早期故障预警具有实际应用价值。

附图说明

图1是基于信号调制的李萨如图信息融合方法的在线监测原理图；

图2是动能刚度李萨如图；

图3是动能刚度圆图；

图4是液压实验装置原理图；

图5是电机拖动液压系统恒转速820r/min，变载3.34MPa～11.29MPa～3.34MPa全过程，动能刚度李萨如图与动能刚度圆的变化过程图；

图6是变载工况下机电液系统动能刚度角的变化规图律；

图7是电机拖动液压系统变转速210r/min～1560r/min～210r/min全过程，动能刚度李萨如图与动能刚度圆的变化过程图；

图8是变转速工况下机电液系统动能刚度角的变化规律图。

其中：1.散热器；2-1.截止阀；2-2.截止阀；3.柱塞马达；4.测速齿盘；5.减速箱；6.磁粉制动器；7.电流变换器；8.磁电式转速传感器；9.电磁换向阀；10.压力、流量组合传感器；11.单向阀；12.先导式电磁溢流阀；13.变频电机；14.齿轮泵；15.滤油器；16.温度传感器；17.霍尔电压电流传感器；18.伺服控制器；19.A/D转换器；20.工控机；21.D/A转换器。

具体实施方式

(1)动能刚度原理

液压设备的实际输出动能受动力源及负载输入影响，在相同的负载激扰输入下，系统内部参数不同，则实际外部输出特性不同，将系统动能抵抗外部激扰的能力定义为动能刚度。根据激扰源的不同，动能刚度可分为正向刚度和逆向刚度两部分。正向刚度为系统动能抵抗动力源输入变化的能力；逆向刚度为系统动能抵抗负载变化的能力。

液压设备在运行过程中伴随着势能与动能的相互转换。根据功率键合图理论，广义势变量包括：电压、压力、转矩；广义流变量包括：电流、压力、转速。由此，系统正向动能刚度、反向动能刚度数值上可表示为：

$G_{Tw}=\frac{\∂\mathrm{\τ}}{\∂T};G_{uw}=\frac{\∂\mathrm{\υ}}{\∂T}---\left(1\right)$

式中，τ——广义势变量；υ——广义流变量；T——系统输出动能。

液压系统的全局动能刚度由各个子系统的局部动能刚度组成，包括电机(内燃机)的转速刚度、液压泵的流量刚度以及液压马达的转速刚度。各子系统的局部正向动能刚度可表示为：

$G_{uwe}=\frac{\∂i_e}{\∂n_e};G_{uwp}=\frac{\∂n_p}{\∂Q_p};G_{uwm}=\frac{\∂Q_m}{\∂n_m}---\left(2\right)$

式中，i_e——电机的输入电流；n_e——电机输出转速；n_p——泵的输入转速；Q_p——泵输出流量；Q_m——马达的输入流量；n_m——马达输出转速。

局部逆向动能刚度可表示为：

$G_{Twe}=\frac{\∂T_e}{\∂n_e};G_{Twp}=\frac{\∂P_p}{\∂Q_p};G_{Twm}=\frac{\∂T_m}{\∂n_m}---\left(3\right)$

式中，T_e——电机输出转矩；P_p——泵输出压力；T_m——马达输出转矩。

(2)基于信号调制的李萨如图信息融合方法

选用单位幅值的正弦信号对机电液系统的转速、转矩以及压力、流量信号的变化率进行调幅处理，则可得调幅信号为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{dA}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_A)\\ y=\frac{dB}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_B)\\ z=\frac{dc}{dt}\sin (\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_C)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，A∈{ω_e，Q_p，ω_m}，B∈{T_e，P_p，T_m}，C∈{i_e，ω_p，Q_m}其中，ω_e——电机输出角频率；ω_p——油泵输出角频率；ω_m——油马达输出角频率；ψ_A、ψ_B、ψ_C——各信号初始相位；

令为动能信号与势能信号载波的相位差，ψ_C＝ψ_A。令α＝ωt+ψ_B，则可得：

由式(5)可得：

当载波信号的相位差时，由式(6)可得：

$y=-\frac{dB}{dA}x---\left(7\right)$

同理可得：

$z=\frac{dC}{dA}x---\left(8\right)$

在笛卡尔坐标平面内，由式(7)、(8)绘制的李萨如图均为过原点的直线，分别称为逆向刚度线与正向刚度线，直线与水平坐标轴的夹角称为动能刚度角。由此绘制的李萨如图统称为动能刚度李萨如图。

(3)动能刚度圆

设在液压系统中，电机、液压泵及液压马达的动能刚度角大小分别为ζ_M、ζ_P、ζ_m，则可得如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_M=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_M\right)}^2\\ S_P=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_P\right)}^2\\ S_m=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_m\right)}^2\end{array}\right.---\left(9\right)$

在笛卡尔坐标系内，式(9)所绘制的同心圆称为动能刚度圆；S_M为电机动能刚度圆；S_P为液压泵动能刚度圆；S_m为液压马达动能刚度圆。

请参阅图1所示，本发明一种液压设备动能刚度检测系统，包括数据采集系统和信号调制与信息融合系统。

数据采集系统包括：用于分别采集机电液系统中电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m、液压马达转矩T_m的电机转速传感器、电机转矩传感器、液压泵压力传感器、液压泵流量传感器、液压马达转速传感器和液压马达转矩传感器。

信号调制与信息融合系统用于对数据采集系统采集的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m、液压马达转矩T_m进行求变化率处理、理、信号调制处理，然后进行电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制、液压马达转速刚度李萨如图绘制，通过绘制的电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制、液压马达转速刚度李萨如图获得电机、液压泵及液压马达的动能刚度角，最后利用获得的电机、液压泵及液压马达的动能刚度角绘制机电液系统的动能刚度圆。

本发明一种液压设备动能刚度图示化监测方法，包括以下步骤：

步骤1：如图1所示，用机械转速和转矩传感器，流体流量和压力传感器分别采集机电液系统运行过程中的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m、液压马达转矩T_m，经数据采集系统A/D采样后，将实时状态信息上传至信号调制与信息融合系统中；

步骤2：以机电液系统空载时的状态S₀∈{n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0、T_m0}值为基准，计算机电液系统当前状态S∈{n_e、T_e、Q_p、P_p、n_m、T_m}相对于空载状态的变化率，即：dS＝(S-S₀)/S₀，完成系统状态量的求变化率计算过程；n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0和T_m0分别为机电液系统空载时电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩；

步骤3：选用单位幅值的正弦信号对机电液系统的电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩的变化率进行调幅处理，则可得调幅信号如式(4)所示。令为动能信号与势能信号载波的相位差，ψ_C＝ψ_A。当载波信号的相位差时，可得逆向刚度线表达式如式(7)所示，同理，可得正向刚度线如式(8)所示。在笛卡尔坐标平面内，由式(7)、(8)绘制的李萨如图均为过原点的直线，如图2所示，其倾角大小正比于逆向刚度与正向刚度的大小。逆向刚度线顺时针旋转，角β增大，则动能刚度增大，反之减小；正向刚度线逆时针旋转，角α增大，则动能刚度增大，反之减小；

步骤4：设在机电液系统中，电机、液压泵及液压马达的动能刚度角大小分别为ζ_M、ζ_P、ζ_m，可得方程组(9)。式中，ζ_M∈{α_M，β_M}，ζ_P∈{α_P，β_P}，ζ_m∈{α_m，β_m}；

其中，α_M为电机的正向动能刚度角，β_M为电机的逆向动能刚度角；α_P为液压泵的正向动能刚度角，β_P为液压泵的逆向动能刚度角；α_m为液压马达的正向动能刚度角，β_m为液压马达的逆向动能刚度角。

以电机的动能刚度圆绘制为例，详述动能刚度圆的绘制过程。选用单位幅值的正弦信号与余弦信号对电机动能刚度角ζ_M进行调幅处理，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_M={\mathrm{\ξ}}_{M}sin\mathrm{\ω}t\\ y_M={\mathrm{\ξ}}_{M}cos\mathrm{\ω}t\end{array}\right.---\left(10\right)$

由式(10)可得：

x_M ²+y_M ²＝ξ_M ² (11)

式(11)即为半径为电机的动能刚度角大小的圆。同理可得液压泵、液压马达的动能刚度圆，即为：

$\left\{\begin{array}{c}{x_M}^2+{y_M}^2={{\mathrm{\ξ}}_M}^2\\ {x_P}^2+{y_P}^2={{\mathrm{\ξ}}_P}^2\\ {x_m}^2+{y_m}^2={{\mathrm{\ξ}}_m}^2\end{array}\right.---\left(12\right)$

在笛卡尔坐标系中，式(12)所绘制的即为动能刚度圆图，如图3所示。圆的面积代表子系统的动能刚度大小，圆环面积代表子系统间的动能刚度损失。圆环面积越大，则所代表的子系统动能刚度越大。圆环面积越小，则动能刚度损失越小，子系统间的连接越趋近于刚性，能量传递过程中因动能改变而产生的损失越小，系统动力源与负载间的动态匹配性越好。

本方法的具体实施所依托的机电液系统实验装置原理如图4所示。主要包括：变频电机拖动液压泵作为动力源，驱动液压马达作为执行机构，带动磁粉制动器作为加载装置；并具有电流、电压传感器，转速、转矩传感器及压力、流量传感器。

实施例1：变载荷工况

变载荷工况下，动力源输入转速恒定，系统动能刚度主要受逆向刚度的影响。设定电机转速为820r/min，控制输入磁粉制动器的输入电流，使马达输出轴上的摩擦力矩斜坡变化，实现实际变载荷工况，系统压力由3.34MPa～11.29MPa～3.34MPa斜坡变化。可得机电液子系统动能刚度李萨如图及动能刚度圆的变化过程如图4所示，变载工况下的动能刚度角的变化规律如图5所示。

变载工况下，负载变化所产生的影响，由液压马达端至动力源端逆向传递，各子系统的动能刚度逆向依次递增。电机转速经伺服控制器闭环控制，负载的变化不会引起电机转速刚度角产生较大变化。随着液压系统压力的升高，泵与马达的泄漏量增大，能量损失加剧，动能刚度圆环面积增大。图4、图5所示的实施结果符合液压设备实际运行状态。

实施例2：变转速工况

变转速工况下，负载恒定，系统动能刚度主要受正向刚度影响。控制伺服控制器的输入电压，使电机转速由210r/min～1560r/min～210r/min呈斜坡函数规律变化，磁粉制动器的输入电流恒定。可得机电液子系统动能刚度李萨如图及动能刚度圆的变化过程如图6所示，变转速工况下的动能刚度角的变化规律如图7所示。

变转速工况下，电机转速变化所产生的影响，由动力源至液压马达端正向传递，各子系统动能刚度正向递增。随电机转速的逐渐升高，液压泵和马达的容积效率提高，油液迅速压缩，能量损失减小，动能刚度损失减小，圆环面积减小。当电机运行在高转速时，油液粘性阻尼及机械阻尼增大，导致系统压力升高，液压系统泄漏量增大，泵和马达动能刚度角变化缓慢。图6、图7所示的规律与理论分析一致。

本发明中，在相同的激扰输入下，系统内部参数不同，则实际外部输出特性不同，将系统动能抵抗外部激扰的能力，根据激扰源的不同，动能刚度可分为正向刚度和逆向刚度两部分。其中，正向刚度为系统动能抵抗动力源输入变化的能力；逆向刚度为系统动能抵抗负载变化的能力。针对液压系统动能刚度表达式为：

$G_{Tw}=\frac{\∂\mathrm{\τ}}{\∂T};G_{uw}=\frac{\∂\mathrm{\υ}}{\∂T}$

液压系统全局刚度包括电机的转速刚度、液压泵的流量刚度以及马达的转速刚度。各子系统的局部正向刚度可表示为：

$G_{uwe}=\frac{\∂i_e}{\∂n_e};G_{uwp}=\frac{\∂n_p}{\∂Q_p};G_{uwm}=\frac{\∂Q_m}{\∂n_m}$

局部逆向刚度可表示为：

$G_{uwe}=\frac{\∂i_e}{\∂n_e};G_{uwp}=\frac{\∂n_p}{\∂Q_p};G_{uwm}=\frac{\∂Q_m}{\∂n_m}$

本发明中，动能刚度、信号调制与信息融合技术结合，通过图形特征的大小及变化进行衡量，以此形成基于信号调制的李萨如图信息融合方法。该方法选用单位幅值的正弦信号对液压设备的转速、转矩以及压力、流量信号的变化率进行调幅处理，当载波信号的相位差时，可在笛卡尔坐标平面内，绘制李萨如图，并均为过原点的直线，分别成为逆向刚度线与正向刚度线。由此绘制的李萨如图统称为动能刚度李萨如图。其表达式为：

$y=-\frac{dB}{dA}x$

$z=\frac{dC}{dA}x$

本发明可引申为动能刚度圆，对系统运行过程中的子系统动态匹配关系进行描述。若在液压设备中，电机、液压泵及液压马达的动能刚度角大小分别为ζ_M、ζ_P、ζ_m，则可得如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_M=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_M\right)}^2\\ S_P=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_P\right)}^2\\ S_m=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_m\right)}^2\end{array}\right.$

在笛卡尔坐标系内，所绘制的同心圆称为动能刚度圆。

本发明中，结合信号调制与信息融合技术所融合成的李萨如图，以及动能刚度圆，通过图形特征-倾角衡量动能刚度的大小及变化规律，并以此图示化方法针对液压设备运行状态、性能可靠性进行监测、评价。

Claims (9)

1.液压设备动能刚度检测系统，其特征在于，包括数据采集系统和信号调制与信息融合系统；

数据采集系统包括：分别用于采集机电液系统中电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m、液压马达转矩T_m的电机转速传感器、电机转矩传感器、液压泵压力传感器、液压泵流量传感器、液压马达转速传感器和液压马达转矩传感器；

信号调制与信息融合系统用于对数据采集系统采集的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m、液压马达转矩T_m进行求变化率处理、信号调制处理，然后进行电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制和液压马达转速刚度李萨如图绘制，通过绘制的电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制、液压马达转速刚度李萨如图获得电机、液压泵及液压马达的动能刚度角，最后利用获得的电机、液压泵及液压马达的动能刚度角绘制机电液系统的动能刚度圆。

2.根据权利要求1所述的液压设备动能刚度检测系统，其特征在于，求变化率处理包括以下步骤：以机电液系统空载时的状态S₀∈{n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0、T_m0}值为基准，计算机电液系统当前状态S∈{n_e、T_e、Q_p、P_p、n_m、T_m}相对于空载状态的变化率：dS＝(S-S₀)/S₀；；n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0和T_m0分别为机电液系统空载时电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩。

3.根据权利要求1所述的液压设备动能刚度检测系统，其特征在于，信号调制处理为选用单位幅值的正弦信号对机电液系统的电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩的变化率进行调幅处理；得调幅信号为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{dA}{dt}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_A)\\ y=\frac{dB}{dt}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_B)\\ z=\frac{dC}{dt}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_C)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，A∈{ω_e，Q_p，ω_m}，B∈{T_e，P_p，T_m}，C∈{i_e，ω_p，Q_m}其中，ω_e——电机输出角频率；ω_p——油泵输出角频率；ω_m——油马达输出角频率；i_e——电机的输入电流；

令 为动能信号与势能信号载波的相位差，ψ_C＝ψ_A；令α＝ωt+ψ_B，得：

由式(5)得：

当载波信号的相位差时，由式(6)得：

$y=-\frac{dB}{dA}x---\left(7\right)$

同理得：

$z=\frac{dC}{dA}x---\left(8\right)$

在笛卡尔坐标平面内，由式(7)、(8)绘制电机转速刚度李萨如图、液压泵流量刚度李萨如图、液压马达转速刚度李萨如图；李萨如图包括过原点的两条直线，分别称为逆向刚度线与正向刚度线，逆向刚度线、正向刚度线与水平坐标轴的夹角称为动能刚度角。

4.根据权利要求3所述的液压设备动能刚度检测系统，其特征在于，电机、液压泵及液压马达的刚度角大小分别为ζ_M、ζ_P、ζ_m，得方程组(9)；

$\left\{\begin{array}{c}{S}_M=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_M\right)}^2\\ S_P=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_P\right)}^2\\ S_m=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_m\right)}^2\end{array}\right.---\left(9\right)$

在笛卡尔坐标系内，式(9)所绘制的同心圆称为动能刚度圆；式中，ζ_M∈{α_M，β_M}，ζ_P∈{α_P，β_P}，ζ_m∈{α_m，β_m}；其中，α_M为电机的正向动能刚度角，β_M为电机的逆向动能刚度角；α_P为液压泵的正向动能刚度角，β_P为液压泵的逆向动能刚度角；α_m为液压马达的正向动能刚度角，β_m为液压马达的逆向动能刚度角。

5.液压设备动能刚度图示化监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分别采集机电液系统运行过程中的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m和液压马达转矩T_m；

步骤2：对步骤1采集的数据进行求变化率处理；

步骤3：对机电液系统的电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩的变化率进行调幅处理；然后进行电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制和液压马达转速刚度李萨如图绘制，通过绘制的电机转速刚度李萨如图绘制、液压泵流量刚度李萨如图绘制、液压马达转速刚度李萨如图获得电机、液压泵及液压马达的动能刚度角；

步骤4：利用获得的电机、液压泵及液压马达的动能刚度角绘制机电液系统的动能刚度圆。

6.根据权利要求5所述的液压设备动能刚度图示化监测方法，其特征在于，步骤1中采用电机转速传感器、电机转矩传感器、液压泵压力传感器、液压泵流量传感器、液压马达转速传感器和液压马达转矩传感器分别采集机电液系统运行过程中的电机输出转速n_e、电机转矩T_e、液压泵输出流量Q_p、压力P_p、液压马达输出转速n_m和液压马达转矩T_m。

7.根据权利要求5所述的液压设备动能刚度图示化监测方法，其特征在于，步骤2中求变化率处理包括以下步骤：以机电液系统空载时的状态S₀∈{n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0、T_m0}值为基准，计算机电液系统当前状态S∈{n_e、T_e、Q_p、P_p、n_m、T_m}相对于空载状态的变化率：dS＝(S-S₀)/S₀；；n_e0、T_e0、Q_p0、P_p0、n_m0和T_m0分别为机电液系统空载时电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩。

8.根据权利要求5所述的液压设备动能刚度图示化监测方法，其特征在于，步骤3中信号调制处理为选用单位幅值的正弦信号对机电液系统的电机输出转速、电机转矩、液压泵输出流量、压力、液压马达输出转速和液压马达转矩的变化率进行调幅处理；得调幅信号为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{dA}{dt}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_A)\\ y=\frac{dB}{dt}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_B)\\ z=\frac{dC}{dt}sin(\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ψ}}_C)\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，A∈{ω_e，Q_p，ω_m}，B∈{T_e，P_p，T_m}，C∈{i_e，ω_p，Q_m}其中，ω_e——电机输出角频率；ω_p——油泵输出角频率；ω_m——油马达输出角频率；i_e——电机的输入电流；

令 为动能信号与势能信号载波的相位差，ψ_C＝ψ_A；令α＝ωt+ψ_B，得：

由式(5)得：

当载波信号的相位差时，由式(6)得：

$y=-\frac{dB}{dA}x---\left(7\right)$

同理得：

$z=\frac{dC}{dA}x---\left(8\right)$

在笛卡尔坐标平面内，由式(7)、(8)绘制电机转速刚度李萨如图、液压泵流量刚度李萨如图、液压马达转速刚度李萨如图；李萨如图包括过原点的两条直线，分别称为逆向刚度线与正向刚度线，逆向刚度线、正向刚度线与水平坐标轴的夹角称为动能刚度角。

9.根据权利要求8所述的液压设备动能刚度图示化监测方法法，其特征在于，步骤4中，电机、液压泵及液压马达的刚度角大小分别为ζ_M、ζ_P、ζ_m，得方程组(9)；

$\left\{\begin{array}{c}{S}_M=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_M\right)}^2\\ S_P=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_P\right)}^2\\ S_m=\mathrm{\π}{\left({\mathrm{\ξ}}_m\right)}^2\end{array}\right.---\left(9\right)$

在笛卡尔坐标系内，式(9)所绘制的同心圆称为动能刚度圆；式中，ζ_M∈{α_M，β_M}，ζ_P∈{α_P，β_P}，ζ_m∈{α_m，β_m}；其中，α_M为电机的正向动能刚度角，β_M为电机的逆向动能刚度角；α_P为液压泵的正向动能刚度角，β_P为液压泵的逆向动能刚度角；α_m为液压马达的正向动能刚度角，β_m为液压马达的逆向动能刚度角。