CN201335057Y - 液压设备多源诊断信息获取实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液压设备多源诊断信息获取实验装置，该装置的元器件包括一个变量柱塞泵、一个齿轮泵、两个电机、两个吸油过滤器、五个节流截止阀、两个电磁溢流阀、一个电磁比例溢流阀、两个压力表、一个蓄能器、两组组合传感器、一个三位四通电磁换向阀、一个液压马达和一个冷却器；该实验装置可以模拟液压设备常见的效率低、油液污染、吸气、泄漏、油泵故障、溢流阀失效、电机故障、机械故障8类典型运行状态(故障)，可以用自组织特征映射神经网络对8类故障特征进行聚类分析与融合诊断。

Description

液压设备多源诊断信息获取实验装置

技术领域

本实用新型涉及液压设备状态监测与故障诊断领域，尤其涉及一种液压设备多源诊断信息获取实验装置。

背景技术

随着自动化程度的不断提高，液压设备的结构和信息传递过程越来越复杂，已经成为机电液一体化的综合体、自动化信息集成体，液压故障的早期预防、预报和诊断成为亟待解决的技术难题。目前，液压设备故障诊断技术相对落后于其它领域，在对系统诊断信息获取与处理技术方面，则主要是吸收和应用其它领域的一些成果，其主要原因为：

1)故障机理和失效形式的复杂性；

2)液压系统运行状态及故障信息的多样性和不完整性；

3)机械设备中所可能发生的故障在液压系统中都可能发生，如形变或应力断裂、腐蚀、磨损、冲击断裂、热应力和热变形等，除此之外，液压系统还具有其特有的失效形式，如油液污染、泄漏、气蚀、液压卡死、管路谐振、电气信号失真、噪声及系统振荡等；

迄今为止，液压设备监测与诊断信号源主要有流体压力、流量、温度，机械振动等。检索到与液压设备故障诊断实验装置有关的专利有4条：

1)中国专利(专利号：ZL 98205469.6)提出了利用流体压力信号对液压系统进行监测和诊断的实验装置。

2)中国专利(专利号：ZL 200620107842.8)提出一种液压传动教学实验装置，仅涉及液压元件和基本回路的性能实验。

3)中国专利(专利号：ZL 200320104607.1)提出一种液压设备检测实验装置，仅涉及液压元件性能检测实验。

目前，液压设备监测与诊断信号源主要有流体压力、流量、温度，机械振动等。这些信号源不仅信噪比低、诊断信息局限，而且当液压系统在泄漏

污染、充气、油温高和超载等不同工况下运行时，某些故障特征会随工况变化。

检索到与实验内容有关的国内外文献主要有4条：

1)邓乐等，“多传感器信息融合技术与液压系统状态监测故障诊断”提出一种多源信息融合的液压系统状态监测和故障诊断系统框图及设计方案，对多源诊断信息获取实验装置及融合方法问题没有考虑。

2)谷立臣，张优云，丘大谋，“液压动力系统运行状态识别技术研究”提出一种液压设备多源诊断信息获取的实验装置，但仅涉及电流、流体压力和振动信号的获取。

综上所述，从已查到的国内专利和有关参考文献看，还没有涉及到本实用新型所提出的利用多种检测手段来获取液压设备的多源动态信息，形成集成与融合的多源诊断信息获取实验系统。

发明内容

针对在校学生和工程技术人员对液压设备动态信号的获取、处理以及综合利用方法学习和研究的需要，在全面认识液压设备动态信号变化过程、流体传递特性的基础上，开展液压设备运行状态监测、故障诊断、故障控制及预知维修方面的研究和教学工作，本实用新型的目的在于，提供一种液压设备多源动态信号获取及融合的实验装置，该装置结合液压设备特有的失效形式和故障机理，利用信号处理技术，对提取的状态监测信号进行模式识别或分类，对系统故障进行诊断、机理分析、故障定位和故障预报等，不仅可以提供液压设备运行过程中的多种动态信息，还具有数据采集和分析处理的功能、闭环控制和故障诊断功能。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种液压设备多源诊断信息获取实验装置，其特征在于，该装置的元器件包括一个变量柱塞泵、一个齿轮泵、两个电机、两个吸油过滤器、五个节流截止阀、两个电磁溢流阀、一个电磁比例溢流阀、两个压力表、一个蓄能器、两组组合传感器、一个三位四通电磁换向阀、一个液压马达和一个冷却器；其中：

齿轮泵、第一吸油过滤器、第一节流截止阀、第二电机和第一压力表构成第一支路，第一支路上并联有第一电磁溢流阀，第二变频电机的三相输入电流通过第一电流和电压传感器测量，第二变频电机和齿轮泵的振动通过安装在第一弹性联轴器垂直和水平方向的第一电涡流位移传感器测量；

变量柱塞泵、第二吸油过滤器、第二节流截止阀、第一变频电机和第二压力表构成第二支路，第二支路上并联有第二电磁溢流阀，第一变频电机的三相输入电流通过第二电流和电压传感器测量；第一变频电机和变量柱塞泵的振动通过安装在第二弹性联轴器垂直和水平方向的第一电涡流位移传感器测量；

第一支路上连接第三节流截止阀，该第三节流截止阀的开/闭可以使第一、第二支路处于单独工作或联合工作状态，实现齿轮泵和变量柱塞泵单独或同时供油；

液压马达的转速由传感器测量，液压马达与三位四通电磁换向阀连接，三位四通电磁换向阀与第一支路的变量柱塞泵连接以及与第二支路上的第三节流截止阀相连；在三位四通电磁换向阀连接的压力油路上，连接第一组合传感器和第四节流截止阀，其中，第四节流截止阀与蓄能器相连，在三位四通电磁换向阀的回油油路上，连接电磁比例溢流阀、第五节流截止阀、第二组合传感器和冷却器。

本实用新型的液压设备多源诊断信息获取实验装置，能够模拟出液压设备在多种典型工况下的8种常见故障，如：效率低、油液污染、吸气、泄漏、油泵故障、溢流阀失效、电机故障、机械故障，通过本实用新型的装置数据采集和信号处理系统对上述8种常见故障发生时的多种传感器信号进行数字化和故障特征提取，再利用自组织特征映射神经网络将多源故障特征聚类融合，并将8种故障由聚类融合空间映射到故障类别空间。装置适用面宽，操作简便，可以满足多学科、多层次、综合性、设计性实验的需要，可作为一项具有创新意义的实验技术研究成果推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的液压系统多源诊断信息获取实验装置原理图。其中的标号分别表示：1、变量柱塞泵；2、齿轮泵；3、第一变频电机，4、第二变频电机；5-1、第一弹性联轴器；5-2、第二弹性联轴器；6-1、第一吸油过滤器；6-2、第二吸油过滤器；7-1、第一节流截止阀；7-2、第二节流截止阀；7-3、第三节流截止阀；7-4、第四节流截止阀；7-5、第五节流截止阀；8-1、第一电磁溢流阀，8-2、第二电磁溢流阀；9、比例溢流阀；10-1、第一压力表；10-2、第二压力表；11、蓄能器；12、组合传感器(包括12-1、流量传感器，12-2、应变式压力传感器，12-3、温度传感器，12-4、压力波动传感器，12-5、压差式压力传感器)；13、三位四通电磁换向阀；14、液压马达；15、组合传感器(包括15-1、温度传感器，15-2、压力波动传感器，15-3、应变式压力传感器，15-4、流量传感器)；16、冷却器；17、传感器；18-1、第一电涡流传感器，18-2、第二电涡流传感器；19-1、第一电机输入电流和电压传感器，19-2、第二电机输入电流和电压传感器。

图2为组合传感器结构原理图。

图3为多源动态信号采集、故障特征提取及故障控制原理框图。

图4为液压设备多源诊断信息聚类与融合方法原理框图，其中，(a)为多源诊断信息获取、聚类融合、故障分类、故障控制过程原理图，(b)是多源诊断信息流动和映射过程图。

图5为8种故障由聚类融合空间C映射到故障类别空间B的分类结果映射图，其中g1表示效率低故障；g2表示油液污染；g3表示吸气；g4表示泄漏；g5表示油泵故障；g6表示溢流阀失效；g7表示电机故障；g8表示机械故障。

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

本实用新型的液压设备多源诊断信息获取实验装置，它包括：变量柱塞泵1和齿轮泵2，第一电机3和第二电机4，第一、第二电机(3、4)可以按实验需要切换为变频电机或三相异步电机驱动，能实现闭环调速控制；

电磁比例溢流阀9，蓄能器11，三位四通电磁换向阀13，液压马达14，冷却器16；

第一吸油过滤器6-1和第二吸油过滤器6-2；

第一节流截止阀7-1、第二节流截止阀7-2、第三节流截止阀7-3、第四节流截止阀7-4、第五节流截止阀7-5；

第一电磁溢流阀8-1和第二电磁溢流阀8-2；

第一压力表10-1和第二压力表10-2；

第一组合传感器12和第二组合传感器15；

第一电机3与变量柱塞泵1通过第二弹性联轴器5-2连接，第二电机4与齿轮泵2通过第一弹性联轴器5-1连接。

第一电机3和第二电机4的三相输入电流和电压分别通过第一电流和电压传感器19-1、第二电流和电压传感器19-2测量，第一电机3和第二电机4和变量柱塞泵1、齿轮泵2的振动可以通过安装在第一、第二弹性联轴器(5-1、5-2)垂直和水平方向的第一电涡流位移传感器18-1和第二电涡流位移传感器18-2测量；

第一吸油过滤器6-1、第二节流截止阀7-2、变量柱塞泵1、第三节流截止阀7-3设置在一条支路上；第二吸油过滤器6-2、第一节流截止阀7-1、齿轮泵2设置在另一条支路上，两支路分别并联了第一电磁溢流阀8-1和第二电磁溢流阀8-2；

第三节流截止阀7-3可以使两条支路处于单独工作或联合工作状态，实现齿轮泵2和变量柱塞泵1单独或同时供油；液压马达14的转向由电磁换向阀13确定，液压马达14的转速由传感器17测量，负荷由电磁比例溢流阀9调定；

装置的压力油路上和回油油路上分别装有第一组合传感器12和第二组合传感器15，组合传感器结构原理如附图2所示，其中，第一组合传感器12由流量传感器12-1、应变式压力传感器12-2、温度传感器12-3、压力波动传感器12-4和压差式压力传感器12-5组成。第二组合传感器由温度传感器15-1，压力波动传感器15-2，应变式压力传感器15-3和流量传感器15-4组成。

需要说明的是，第二组合传感器只是比第一组合传感器少了一个压差式压力传感器，其余传感器完全相同。

组合传感器能够同时获取液压系统的压力、流量和温度信号随时间的变化过程。

具体的实施过程如下：

1)齿轮泵单独工作系统

打开第一节流截止阀7-1、第三节流截止阀7-3、第五节流截止阀7-5，关闭第二节流截止阀7-2，第一电机4启动后驱动齿轮泵2开始泵油，通过第一电磁溢流阀8-1调定系统最高压力，当第一电磁溢流阀的电磁铁3DT不得电时，装置处于卸荷状态(此时，第二电磁溢流阀8-2的调定压力要高于第一电磁溢流阀8-1调定的压力，电磁铁4DT得电)。当第一电磁溢流阀的电磁铁3DT得电时，利用比例溢流阀9模拟负载加载。液压油经过第三节流截止阀7-3、第一组合传感器12、三位四通电磁换向阀13，当三位四通电磁换向阀13的电磁铁1DT得电，液压马达14正转；当三位四通电磁换向阀13的电磁铁2DT得电，液压马达14反转。液压油通过比例溢流阀9、第五节流截止阀7-5、第二组合传感器15、冷却器16流回油箱。

2)柱塞泵单独工作系统

打开第二节流截止阀7-2、第五节流截止阀7-5，关闭第三节流截止阀7-3，第一电机3启动，驱动变量柱塞泵1开始泵油，通过第二电磁溢流阀8-2调定系统最高压力，当电磁溢流阀4DT不得电时系统处于卸荷状态。当第二电磁溢流阀8-2的电磁铁4DT得电时，利用比例溢流阀9模拟负载加载。液压油经过第一组合传感器12、电磁换向阀13，当三位四通电磁换向阀13的电磁铁1DT得电，液压马达14正转；当三位四通电磁换向阀13的电磁铁2DT得电，液压马达14反转。液压油通过比例溢流阀9、第五节流截止阀7-5、第二组合传感器15、散热器16流回油箱。

3)两泵同时工作系统

打开第一节流截止阀7-1、第二节流截止阀7-2、第三7-3节流截止阀、第五节流截止阀7-5，第一电机3和第二电机4同时启动，分别驱动齿轮泵2和变量柱塞泵1同时泵油，通过第一电磁溢流阀8-1，第二电磁溢流阀8-2调定系统最高压力，利用比例溢流阀9模拟负载加载。液压油合流经过第一组合传感器12、电磁换向阀13，当三位四通电磁换向阀13的电磁铁1DT得电，液压马达14正转；当三位四通电磁换向阀13的电磁铁2DT得电，液压马达14反转。液压油通过比例溢流阀9、第五节流截止阀7-5、第二组合传感器15、冷却器16流回油箱。

4)装置含气量检测的实验方法

通过调节齿轮泵2和变量柱塞泵1进油口的第一节流截止阀7-1和第二节流截止阀7-2的开度，模拟液压装置含气量的3个等级(正常、轻微、严重)，按下第二电机M2的启动按钮，单独启动齿轮泵2；打开第三节流截止阀7-3、第五节流截止阀7-5，关闭第二节流截止阀7-2，按下齿轮泵2的加载按钮，第一电磁溢流阀8-1上电，设定压力，第一压力表10-1显示压力值；打开电磁换向阀13，液压马达14开始旋转；第一组合传感器中的第四传感器12-4采集装置不同压力下含气量变化时的压力波动信号，见附图1。

按下第一电机3启动按钮，单独启动变量柱塞泵1；打开节流截止阀7-5，关闭节流截止阀7-3，按下变量柱塞泵2的加载按钮，第二电磁溢流阀8-2上电，设定压力，第二压力表10-2显示压力值；打开电磁换向阀13，油马达开始旋转；用传感器12-4采集变量柱塞泵2单独工作时不同压力下含气量变化时的压力波动信号，见附图1；

打开所有节流截止阀，按下第一、第二电机3、4的启动按钮，同时启动变量柱塞泵1和齿轮泵2；首先按下变量柱塞泵1的加载按钮，第二电磁溢流阀8-2上电，设定系统压力，第二压力表10-2显示压力值，然后按下齿轮泵1的加载按钮，第一电磁溢流阀8-1上电，设定压力与变量柱塞泵1相同；打开第三电磁换向阀13，液压马达14开始旋转；第一组合传感器中的第四传感器12-4采集变量柱塞泵1和齿轮泵2同时供油时不同压力下含气量变化时的压力波动信号，见附图1。

该实验装置采用小波包对油压波动信号进行能量特征提取，再用神经网络对3种含气量状态下的油压信号能量特征进行训练和检验，计算结果能够正确判断对应的油液含气量等级。

5)液压设备多源诊断信息获取及融合诊断方法

利用上述实验装置模拟液压设备常见的效率低、油液污染、吸气、泄漏、油泵故障、溢流阀失效、电机故障、机械故障8类典型运行状态(故障)，通过本实用新型的数据采集和信号处理系统建立上述8种常见故障发生时的多种传感器信号空间S后，进行数字化和故障特征提取，如附图3所示；首先建立输入信息空间(模式空间)X，用自组织特征映射神经网络把输入模式空间X无监督地映射到聚类融合空间C中，映射后其维数比输入模式空间维数大为减少，并同时兼有聚类分析和信息融合的作用；利用综合知识和全局数据库提供的专家领域知识和推理知识对聚类融合空间C进行有监督(导师指导)的划分，即将聚类融合空间C映射到故障类别空间B，如附图4所示；8种故障由聚类融合空间C映射到故障类别空间B的分类结果如附图5所示。

综上所述，本实用新型的液压设备多源诊断信息获取实验装置具有以下技术特点：

1)整个实验装置选用了2台三相变频电机，分别匹配了2台变频器、6个电流传感器、6个电压传感器、4个电涡流位移传感器，可以完成电机电流、电压、功率和振动信号的获取。

2)实验装置内安装了流体压力、压差、压力波动、流量、温度，转速，振动，电机电压、电流等9种不同类型的传感器。当两供油回路单独或同时工作时，可以获取液压系统在不同工况下的多种动态信息。

3)将变频调速技术引入实验装置，为开展液压设备节能调速、降低系统噪声、模拟故障特征、探索故障控制策略等研究提供了实验条件。

4)在总油路上设置了电液比例溢流阀作为模拟加载元件，并能将控制指令和反馈信号比较后，实现反馈控制，为研究液压系统节能、和故障控制的智能化提供了实验装置。

Claims (4)

1、一种液压设备多源诊断信息获取实验装置，其特征在于，包括变量柱塞泵(1)、齿轮泵(2)，第一电机(3)、第二电机(4)、第一吸油过滤器(6-1)、第二吸油过滤器(6-2)、第一节流截止阀(7-1)、第二节流截止阀(7-2)、第三节流截止阀(7-3)、第四节流截止阀(7-4)、第五节流截止阀(7-5)、第一电磁溢流阀(8-1)、第二电磁溢流阀(8-2)、电磁比例溢流阀(9)、第一压力表(10-1)、第二压力表(10-2)、蓄能器(11)、第一组合传感器(12)、三位四通电磁换向阀(13)、液压马达(14)、第二组合传感器(15)和冷却器(16)；其中：

齿轮泵(2)、第一吸油过滤器(6-1)、第一截止阀(7-1)、第二电机(4)和第一压力表(10-1)构成第一支路，第一支路上并联有第一电磁溢流阀(8-1)，第二变频电机(4)的三相输入电流和电压通过第一电流和电压传感器(19-1)测量，第二变频电机(4)和齿轮泵(2)的振动通过安装在第一弹性联轴器(5-1)垂直和水平方向的第一电涡流位移传感器(18-1)测量；

变量柱塞泵(1)、第二吸油过滤器(6-2)、第二节流截止阀(7-2)、第一变频电机(3)和第二压力表(10-2)构成第二支路，第二支路上并联有第二电磁溢流阀(8-2)，第一变频电机(3)的三相输入电流和电压通过第二电流和电压传感器(19-2)测量；第一变频电机(3)和变量柱塞泵(1)的振动通过安装在第二弹性联轴器(5-2)垂直和水平方向的第二电涡流位移传感器(18-2)测量；

第一支路上连接第三节流截止阀(7-3)，该第三节流截止阀(7-3)的开/闭可以使第一、第二支路处于单独工作或联合工作状态，实现齿轮泵(2)和变量柱塞泵(1)单独或同时供油；

液压马达(14)的转速由传感器(17)测量，液压马达(14)与三位四通电磁换向阀(13)连接，三位四通电磁换向阀(13)与第一支路的变量柱塞泵(1)连接以及与第二支路上的第三节流截止阀(7-3)相连；在三位四通电磁换向阀(13)的压力油路上，连接第一组合传感器(12)和第四节流截止阀(7-4)，其中，第四节流截止阀(7-4)与蓄能器(11)相连，在三位四通电磁换向阀(13)的回油油路上，连接电磁比例溢流阀(9)、第五节流截至阀(7-5)、第二组合传感器(15)和冷却器(16)。

2.如权利要求1所述的液压设备多源诊断信息获取实验装置，其特征在于，所述的液压马达(14)的转向由三位四通电磁换向阀(13)确定，液压马达(14)的负荷由电磁比例溢流阀(9)调定。

3.如权利要求1所述的液压设备多源诊断信息获取实验装置，其特征在于，所述的第一组合传感器(12)由流量传感器(12-1)、应变式压力传感器(12-2)、温度传感器(12-3)、压力波动传感器(12-4)和压差式压力传感器(12-5)组成。

4.如权利要求1所述的液压设备多源诊断信息获取实验装置，其特征在于，所述的第二组合传感器由温度传感器(15-1)，压力波动传感器(15-2)，应变式压力传感器(15-3)和流量传感器(15-4)组成。

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