CN114934898B - 基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电数字数据处理技术领域，具体涉及基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统。包括：数据采集模块、吸油能力获取模块、异常评估模块以及故障诊断模块。数据采集模块用于采集温度、压力以及振动信息；吸油能力获取模块用于基于粘性指标获取液压泵的吸油能力；异常评估模块用于获取液压泵的异常程度，获取负载状态不正常的液压泵的差异距离；故障诊断模块用于获取液压泵的工作健康指标进行故障预警。本发明实施例特别适用于特定功能，具体是液压泵故障诊断的数字数据处理设备，能够实时监测液压泵的工作状态，及时进行故障预警，能够应用于大数据资源服务、数据库和云数据库服务等互联网数据服务以及云端融合应用运行支撑平台软件。

Description

基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统

技术领域

本发明涉及电数字数据处理技术领域，具体涉及基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统。

背景技术

液压系统被广泛用于机械、化工等技术领域，液压系统包括动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、液压油。其中液压泵作为动力元件是液压系统的核心部件，液压泵的作用是把机械能转化为液体的压力能。

液压泵在工作当中，液压泵自身的零部件磨损老化会造成液压泵的压力故障，油液中杂质过多会堵塞油滤，并且导致液压泵异常振动以及产生噪声，使其工作效率降低，甚至造成重大经济损失。

针对液压泵的故障，通常采用的做法是人工定时对液压泵进行检查及维修，检查效率较低，不能及时应对突发情况；利用数据分析的液压泵故障诊断方法大多利用单一传感器采集振动数据进行故障评估，得到的结果又不够准确。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，所采用的技术方案具体如下：

本发明一个实施例提供了一种基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，该系统包括以下模块：

数据采集模块，用于采集液压油出油箱时的出箱温度、进入液压泵时的入泵温度，液压泵的进口压力和出口压力，以及液压泵的振动信息；

吸油能力获取模块，用于基于出箱温度和入泵温度评估液压泵工作时液压油的粘性指标，利用粘性指标和进口压力获取液压泵的吸油能力；

异常评估模块，用于通过预设时间内的吸油能力和振动信息获取液压泵的异常程度；根据出口压力判断液压泵的负载状态是否正常，通过进口压力、出口压力组成的压力范围与正常负载状态的压力范围之间的相似程度获取负载状态不正常的液压泵与正常状态的差异距离；

故障诊断模块，用于根据液压泵的异常程度和差异距离获取液压泵的工作健康指标，当工作健康指标小于健康阈值时，进行液压泵故障预警。

优选的，所述数据采集模块包括：振动信息采集单元，用于利用振动传感器采集液压泵的振动信息。

优选的，所述数据采集模块还包括：

振动信息滤波单元，用于利用滤波器对采集的振动信息进行特征提取，得到去除噪声的振动信息。

优选的，所述吸油能力获取模块包括：

粘性指标计算单元，用于以出箱温度和入泵温度的平均温度作为预设值的负指数计算液压油的所述粘性指标。

优选的，所述吸油能力获取模块还包括：

吸油能力计算单元，用于计算所述粘性指标的反正切函数与90度的比值，以该比值和进口压力的乘积作为所述吸油能力。

优选的，所述异常评估模块包括：

异常程度获取单元，用于获取预设时间内相邻时刻的振动信息的差值之和，获取吸油能力的第一差异情况和振动信息的第二差异情况，根据该差值之和、第一差异情况和第二差异情况获取所述异常程度；所述差值之和、第一差异情况和第二差异情况均与所述异常程度呈正相关关系。

优选的，所述异常评估模块还包括：

状态判断单元，用于通过将出口压力与高负载压力阈值以及低负载压力阈值进行对比，当所述出口压力大于低负载压力阈值且小于高负载压力阈值时，对应的液压泵处于正常状态；当所述出口压力小于等于低负载压力阈值时，对应的液压泵处于低负载状态；当所述出口压力大于等于高负载压力阈值时，对应的液压泵处于高负载状态。

优选的，所述异常评估模块还包括：

差异距离获取单元，用于计算进口压力、出口压力组成的压力范围与正常负载状态的压力范围的余弦相似度进而获取所述相似程度，根据多个时刻下的相似程度的和获取所述差异距离；所述相似程度的和与所述差异距离呈负相关关系。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

通过数据采集模块采集液压泵的温度数据、压力数据和震动信息，通过吸油能力获取模块基于温度数据获取液压油的粘性指标，再根据粘性指标和压力数据获取液压泵的吸油能力；通过异常评估模块获取液压泵的异常程度并判断负载状态，获取负载状态不正常的液压泵与正常状态的差异距离；通过故障预警模块根据异常程度和差异距离获取工作健康指标，进而判断是否故障，出现故障时进行预警。本发明实施例特别适用于特定功能，具体是液压泵故障诊断的数字数据处理设备，能够实时监测液压泵的工作状态，及时进行故障预警，能够应用于大数据资源服务、数据库和云数据库服务等互联网数据服务以及云端融合应用运行支撑平台软件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例提供的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统的系统框图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统的系统框图，该系统包括以下模块：

数据采集模块100、吸油能力获取模块200、异常评估模块300以及故障诊断模块400。

数据采集模块100，用于采集液压油出油箱时的出箱温度、进入液压泵时的入泵温度，液压泵的进口压力和出口压力，以及液压泵的振动信息。

具体的，数据采集模块100包括温度采集单元、压力采集单元、振动信息采集单元以及振动信息滤波单元。

温度采集单元用于采集液压油出油箱时的出箱温度、进入液压泵时的入泵温度。

液压泵的工作原理是电机从液压油箱中吸入油液，将油液变成压力油液输送到执行元件中。液压泵在额定功率工作情况下，液压油的温度降低会导致其粘度变大，进而影响液压泵的吸油，严重的时候，液压泵无法吸入足够的油液进行加压。液压油的温度升高会导致其粘度降低，同样不利于液压泵工作。

温度传感器安装在吸油管内部，在液压油出油箱以及进入液压泵处安装温度传感器，因此应该选用微型的温度传感器进行检测，并且做好相应的保护措施。每间隔1s采集一次油液的温度数据，5s内采集到的油液温度数据为：出箱温度

，入泵温度

。由于吸油管中有可能混入空气和水分，因此液压油从油箱出来到进入液压泵，液压油的粘度有可能发生改变。

压力采集单元用于采集液压泵的进口压力和出口压力。

液压泵在工作过程中，可能会产生泵压力故障，造成该故障的原因有压力表故障、油温过高、电机转速不够等。使用压力变送器测量液压泵的进口、出口压力，可以实时检测液压泵的实时运行状况。

压力变送器在5s内测量的液压泵进口压力数据为

，液压泵的出口压力数据为

。

需要说明的是，对于选择何种的压力变送器型号应根据液压泵的具体型号及参数来决定。

振动信息采集单元，用于利用振动传感器采集液压泵的振动信息。

液压泵在工作过程中，液压元件把振动信号传递给液压泵壳体，液压元件的不同工作状态造成振动信号的差异。液压泵的故障主要反馈在液压泵的振动信息上。通过振动传感器每秒钟采集20次液压泵的振动信息，对液压泵的振动信息实时测量，5秒内测量的振动信号数据为

。

振动信息滤波单元，用于利用滤波器对采集的振动信息进行特征提取，得到去除噪声的振动信息。

液压泵产生振动信息的同时也会产生强噪音，产生的噪音会影响到振动传感器的数据采集，作为一个示例，本发明实施例采用变模式提取(VME)，原理是首先对数据进行变分模式分解(VMD)，将数据分解成各模式的分量，然后使用滤波器对其进行滤波处理。使用滤波器对采集到的液压泵振动信息进行特征提取，特征提取后的液压泵的振动数据为

，通过滤波处理大大降低计算量并提高了运行速度。

吸油能力获取模块200，用于基于出箱温度和入泵温度评估液压泵工作时液压油的粘性指标，利用粘性指标和进口压力获取液压泵的吸油能力。

具体的，吸油能力获取模块200包括粘性指标计算单元和吸油能力计算单元。

粘性指标计算单元，用于以出箱温度和入泵温度的平均温度作为预设值的负指数计算液压油的粘性指标。

在液压泵工作的液压油粘性指标的计算公式为：

其中，

表示液压油在第n秒的粘性指标，

表示液压油在第n秒的出箱温度，

表示液压油在第n秒的入泵温度，e为自然常数。

在本发明实施例中预设值为自然常数e。

液压油在进入液压泵的过程中，若油液中混入空气和水分，会导致液压泵吸入的油液温度增高。液压油的正常工作温度是[15℃，65℃]，偏离这个温度范围就会对液压泵的吸油造成明显的影响。

吸油能力计算单元，用于计算粘性指标的反正切函数与90度的比值，以该比值和进口压力的乘积作为吸油能力。

液压泵的吸油能力U与液压油的粘性指标有直接关系，液压油的粘性指标过高会导致液压泵吸油阻力增加，液压油的粘性指标过低会导致液压泵吸油变少。

具体的，依据反正切函数对液压泵的吸油能力和液压油的粘性指标进行拟合，得到吸油能力：

其中，X表示粘性指标；a是函数的平移距离，是一个常数；

表示液压泵的进口压力。

作为一个示例，本发明实施例中a的取值为20。

异常评估模块300，用于通过预设时间内的吸油能力和振动信息获取液压泵的异常程度；根据出口压力判断液压泵的负载状态是否正常，通过进口压力、出口压力组成的压力范围与正常负载状态的压力范围之间的相似程度获取负载状态不正常的液压泵与正常状态的差异距离。

具体的，异常评估模块300包括异常程度获取单元、状态判断单元以及差异距离获取单元。

异常程度获取单元，用于获取预设时间内相邻时刻的振动信息的差值之和，获取吸油能力的第一差异情况和振动信息的第二差异情况，根据该差值之和、第一差异情况和第二差异情况获取异常程度；差值之和、第一差异情况和第二差异情况均与异常程度呈正相关关系。

液压泵在工作过程中，壳体产生有规律的振动信息，当液压泵产生故障的时候，液压泵壳体的振动幅度会产生较大的变化，液压泵的振动数据更加散乱。因此利用振动信息的差异情况进行液压泵的异常情况的分析。

计算预设时间内液压泵的吸油能力的标准差

作为第一差异情况，以及液压泵的振动信息的标准差

作为第二差异情况。以5秒钟作为预设时间计算预设时间内液压泵的异常程度R：

其中，

表示第k个振动信息，

表示第k+1个振动信息，5秒内共有100个震动信息，因而求和时上限为99。

对异常程度R进行归一化处理，使其值域位于[0,1]。液压泵的正常振动数据呈现一定规律性，液压泵发生故障的时候，液压泵的振动数据更加离散并且振动的极值会变大，液压泵的相邻振动的差值和标准差反应了液压泵的离散程度，计算液压泵的吸油能力的标准差反映了液压泵吸油稳定性。

在其他实施例中，第一差异情况还可以采用吸油能力的方差，第二差异情况还可以采用振动信息的方差，或者其他能够体现差异情况的方法。

液压泵在工作过程中发生故障的时间是难以预测的，采用上述公式计算出液压泵的异常程度。

状态判断单元，用于通过将出口压力与高负载压力阈值以及低负载压力阈值进行对比，当出口压力大于低负载压力阈值且小于高负载压力阈值时，对应的液压泵处于正常状态；当出口压力小于等于低负载压力阈值时，对应的液压泵处于低负载状态；当出口压力大于等于高负载压力阈值时，对应的液压泵处于高负载状态。

液压泵在实际工作中，液压泵的负载由于各种原因，例如液压泵配件间隙过大或者过小、零部件的磨损及老化等，可能会一直变化，液压泵的负载变化引起液压泵的出口压力变化。计算5s之内的液压泵出口压力平均值

，然后与高负载阈值

以及低负载阈值

进行比较：当

时，说明液压泵处在高负载状态；当

时，说明液压泵处在正常负载状态；当mean(

)

时说明液压泵处在低负载状态。

作为一个示例，本发明实施例中高负载阈值

取值为20 Mpa，低负载阈值

取值为1 Mpa。

差异距离获取单元，用于计算进口压力、出口压力组成的压力范围与正常负载状态的压力范围的余弦相似度进而获取相似程度，根据多个时刻下的相似程度的和获取差异距离；相似程度的和与差异距离呈负相关关系。

当液压泵处于高负载状态时，每一秒的进口压力和出口压力组成的压力范围与高负载阈值组成的压力范围计算余弦相似度：

其中，

表示第i秒的余弦相似度，

表示第i秒的进口压力，

表示第i秒的出口压力，

表示进口压力的高负载阈值，

表示出口压力的高负载阈值。

该公式表示计算由

和

组成的序列与由

和

组成的序列之间的余弦相似度。

进而计算相似程度：

其中，

表示第i秒的相似程度，e为自然常数，

表示由

和

组成的向量的模长，

表示由

和

组成的向量的模长，

表示绝对值。

采用上述公式实时计算高负载状态的液压泵的相似程度，5s内得到5个相似程度，计算该液压泵与正常状态的差异距离

。

以同样的方法计算低负载状态时的液压泵的相似程度和差异距离。具体的过程为：

当液压泵处于低负载状态时，每一秒的进口压力和出口压力组成的压力范围与低负载阈值组成的压力范围计算余弦相似度：

其中，

表示第j秒的余弦相似度，

表示第j秒的进口压力，

表示第j秒的出口压力，

表示进口压力的低负载阈值，

表示出口压力的低负载阈值。

该公式表示计算由

和

组成的序列与由

和

组成的序列之间的余弦相似度。

进而计算相似程度：

其中，

表示第j秒的相似程度，e为自然常数，

表示由

和

组成的向量的模长，

表示由

和

组成的向量的模长，

表示绝对值。

采用上述公式实时计算低负载状态的液压泵的相似程度，5s内得到5个相似程度，计算该液压泵与正常状态的差异距离

。

作为一个示例，本发明实施例中进口压力的高负载阈值

的取值为0.03Mpa，低负载阈值

取值为0。

故障诊断模块400，用于根据液压泵的异常程度和差异距离获取液压泵的工作健康指标，当工作健康指标小于健康阈值时，进行液压泵故障预警。

具体的，故障诊断模块400包括工作健康指标获取单元和故障预警单元。

工作健康指标获取单元用于根据液压泵的异常程度和差异距离获取液压泵的工作健康指标。

随着使用时间的增加，液压泵的健康状况会出现变化，计算液压泵在第t个预设时间即5s内的液压泵的工作健康指标为：

其中，

表示第t个预设时间内的液压泵的工作健康指标，

表示第t个预设时间的异常程度，

表示第t个预设时间的差异距离，e为自然常数。

状态不正常的液压泵与正常范围的差异距离越大，说明该液压泵的健康程度越低；液压泵的异常程度越大，说明该液压泵的健康程度越低。

故障预警单元用于根据工作健康指标判断液压泵是否故障，出现故障时，进行故障预警。

将液压泵的工作健康指标与健康阈值进行对比，当工作健康指标小于健康阈值时，进行液压泵故障预警。

作为一个示例，本发明实施例中健康阈值的取值为0.6。

优选的，还可以建立液压泵进出口压力、液压油粘度数据显示模块，通过显示器实时观测液压泵测量的数据，方便工作人员检测以及维修。

综上所述，本发明实施例为基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，该系统包括以下模块：

数据采集模块100、吸油能力获取模块200、异常评估模块300以及故障诊断模块400。

具体的，数据采集模块100，用于采集液压油出油箱时的出箱温度、进入液压泵时的入泵温度，液压泵的进口压力和出口压力，以及液压泵的振动信息；吸油能力获取模块200，用于基于出箱温度和入泵温度评估液压泵工作时液压油的粘性指标，利用粘性指标和进口压力获取液压泵的吸油能力；异常评估模块300，用于通过预设时间内吸油能力和振动信息获取液压泵的异常程度；根据出口压力判断液压泵的负载状态是否正常，通过进口压力、出口压力组成的压力范围与正常负载状态的压力范围的相似程度获取负载状态不正常的液压泵与正常状态的差异距离；故障诊断模块400，用于根据液压泵的异常程度和差异距离获取液压泵的工作健康指标，当工作健康指标小于健康阈值时，进行液压泵故障预警。本发明实施例特别适用于特定功能，具体是液压泵故障诊断的数字数据处理设备，能够实时监测液压泵的工作状态，及时进行故障预警。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其特征在于，该系统包括以下模块：

数据采集模块，用于采集液压油出油箱时的出箱温度、进入液压泵时的入泵温度，液压泵的进口压力和出口压力，以及液压泵的振动信息；

吸油能力获取模块，用于基于出箱温度和入泵温度评估液压泵工作时液压油的粘性指标，利用粘性指标和进口压力获取液压泵的吸油能力；

异常评估模块，用于通过预设时间内的吸油能力和振动信息获取液压泵的异常程度；根据出口压力判断液压泵的负载状态是否正常，通过进口压力、出口压力组成的压力范围与正常负载状态的压力范围之间的相似程度获取负载状态不正常的液压泵与正常状态的差异距离；

故障诊断模块，用于根据液压泵的异常程度和差异距离获取液压泵的工作健康指标，当工作健康指标小于健康阈值时，进行液压泵故障预警；

所述吸油能力获取模块包括：

粘性指标计算单元，用于以出箱温度和入泵温度的平均温度作为预设值的负指数计算液压油的所述粘性指标。

2.根据权利要求1所述的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：振动信息采集单元，用于利用振动传感器采集液压泵的振动信息。

3.根据权利要求1所述的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：

振动信息滤波单元，用于利用滤波器对采集的振动信息进行特征提取，得到去除噪声的振动信息。

4.根据权利要求1所述的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其特征在于，所述吸油能力获取模块包括：

吸油能力计算单元，用于计算所述粘性指标的反正切函数与90度的比值，以该比值和进口压力的乘积作为所述吸油能力。

5.根据权利要求1所述的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其特征在于，所述异常评估模块包括：

异常程度获取单元，用于获取预设时间内相邻时刻的振动信息的差值之和，获取吸油能力的第一差异情况和振动信息的第二差异情况，根据该差值之和、第一差异情况和第二差异情况获取所述异常程度；所述差值之和、第一差异情况和第二差异情况均与所述异常程度呈正相关关系。

6.根据权利要求1所述的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其特征在于，所述异常评估模块包括：

状态判断单元，用于通过将出口压力与高负载压力阈值以及低负载压力阈值进行对比，当所述出口压力大于低负载压力阈值且小于高负载压力阈值时，对应的液压泵处于正常状态；当所述出口压力小于等于低负载压力阈值时，对应的液压泵处于低负载状态；当所述出口压力大于等于高负载压力阈值时，对应的液压泵处于高负载状态。

7.根据权利要求1所述的基于多模态参数的液压泵故障诊断分析系统，其特征在于，所述异常评估模块包括：

差异距离获取单元，用于计算进口压力、出口压力组成的压力范围与正常负载状态的压力范围的余弦相似度进而获取所述相似程度，根据多个时刻下的相似程度的和获取所述差异距离；所述相似程度的和与所述差异距离呈负相关关系。

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