液壓系統(tǒng)故障診斷的實(shí)用方法探析

原作者:包頭鋼鐵學(xué)院機(jī)械工程系 喬文剛   

【論文摘要】針對現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的液壓傳動系統(tǒng)故障診斷的困難性，提出一種簡便、實(shí)用的故障診斷方法。此法通過對系統(tǒng)參數(shù)的定量檢測和邏輯分析，大大提高了系統(tǒng)故障診斷的科學(xué)性、快速性和準(zhǔn)確性，降低了對維修人員的技術(shù)水平要求。大量實(shí)驗(yàn)表明，此法較傳統(tǒng)的故障診斷方法效率大大提高，裝拆工作量大大減少，具有較高的實(shí)用推廣價值。

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引言

　　液壓傳動系統(tǒng)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即具有廣泛的工藝適應(yīng)性、優(yōu)良的控制性能和較低廉的成本，在各個領(lǐng)域中獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。但由于客觀上元、輔件質(zhì)量不穩(wěn)定和主觀上使用、維護(hù)不當(dāng)，且系統(tǒng)中各元件和工作液體都是在封閉油路內(nèi)工作，不象機(jī)械設(shè)備那樣直觀，也不象電氣設(shè)備那樣可利用各種檢測儀器方便地測量各種參數(shù),液壓設(shè)備中，僅靠有限幾個壓力表、流量計(jì)等來指示系統(tǒng)某些部位的工作參數(shù)，其他參數(shù)難以測量，而且一般故障根源有許多種可能，這給液壓系統(tǒng)故障診斷帶來一定困難。
　　 在生產(chǎn)現(xiàn)場，由于受生產(chǎn)計(jì)劃和技術(shù)條件的制約，要求故障診斷人員準(zhǔn)確、簡便和高效地診斷出液壓設(shè)備的故障；要求維修人員利用現(xiàn)有的信息和現(xiàn)場的技術(shù)條件，盡可能減少拆裝工作量，節(jié)省維修工時和費(fèi)用，用最簡便的技術(shù)手段，在盡可能短的時間內(nèi)，準(zhǔn)確地找出故障部位和發(fā)生故障的原因并加以修理，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，并力求今后不再發(fā)生同樣故障。

1　液壓系統(tǒng)故障診斷的一般原則

　　正確分析故障是排除故障的前提，系統(tǒng)故障大部分并非突然發(fā)生，發(fā)生前總有預(yù)兆，當(dāng)預(yù)兆發(fā)展到一定程度即產(chǎn)生故障。引起故障的原因是多種多樣的，并無固定規(guī)律可尋。統(tǒng)計(jì)表明，液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障約90%是由于使用管理不善所致為了快速、準(zhǔn)確、方便地診斷故障，必須充分認(rèn)識液壓故障的特征和規(guī)律，這是故障診斷的基礎(chǔ)。

以下原則在故障診斷中值得遵循：

　　(1) 首先判明液壓系統(tǒng)的工作條件和外圍環(huán)境是否正常 需首先搞清是設(shè)備機(jī)械部分或電器控制部分故障，還是液壓系統(tǒng)本身的故障，同時查清液壓系統(tǒng)的各種條件是否符合正常運(yùn)行的要求。

　　(2) 區(qū)域判斷 根據(jù)故障現(xiàn)象和特征確定與該故障有關(guān)的區(qū)域，逐步縮小發(fā)生故障的范圍，檢測此區(qū)域內(nèi)的元件情況，分析發(fā)生原因，最終找出故障的具體所在。

　　(3) 掌握故障種類進(jìn)行綜合分析　根據(jù)故障最終的現(xiàn)象，逐步深入找出多種直接的或間接的可能原因，為避免盲目性，必須根據(jù)系統(tǒng)基本原理，進(jìn)行綜合分析、邏輯判斷，減少懷疑對象逐步逼近,最終找出故障部位。

　　(4) 故障診斷是建立在運(yùn)行記錄及某些系統(tǒng)參數(shù)基礎(chǔ)之上的。建立系統(tǒng)運(yùn)行記錄，這是預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和處理故障的科學(xué)依據(jù)；建立設(shè)備運(yùn)行故障分析表，它是使用經(jīng)驗(yàn)的高度概括總結(jié)，有助于對故障現(xiàn)象迅速做出判斷；具備一定檢測手段，可對故障做出準(zhǔn)確的定量分析。

　　(5) 驗(yàn)證可能故障原因時，一般從最可能的故障原因或最易檢驗(yàn)的地方開始，這樣可減少裝拆工作量，提高診斷速度。

2　故障診斷方法

　　目前查找液壓系統(tǒng)故障的傳統(tǒng)方法是邏輯分析逐步逼近斷。此法的基本思路是綜合分析、條件判斷。即維修人員通過觀察、聽、觸摸和簡單的測試以及對液壓系統(tǒng)的理解，憑經(jīng)驗(yàn)來判斷故障發(fā)生的原因。當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障根源有許多種可能。采用邏輯代數(shù)方法，將可能故障原因列表，然后根據(jù)先易后難原則逐一進(jìn)行邏輯判斷，逐項(xiàng)逼近，最終找出故障原因和引起故障的具體條件。

　　 此法在故障診斷過程中要求維修人員具有液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)知識和較強(qiáng)的分析能力，方可保證診斷的效率和準(zhǔn)確性。但診斷過程較繁瑣，須經(jīng)過大量的檢查，驗(yàn)證工作，而且只能是定性地分析，診斷的故障原因不夠準(zhǔn)確。為減少系統(tǒng)故障檢測的盲目性和經(jīng)驗(yàn)性以及拆裝工作量，傳統(tǒng)的故障診斷方法已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的要求。

　　近年來，隨著液壓系統(tǒng)向大型化、連續(xù)生產(chǎn)、自動控制方向發(fā)展，又出現(xiàn)了多種現(xiàn)代故障診斷方法。如鐵譜技斷，可從油液中分離出來的各種磨粒的數(shù)量、形狀、尺寸、成分以及分布規(guī)律等情況，及時、準(zhǔn)確地判斷出系統(tǒng)中元件的磨損部位、形式、程度等。而且可對液壓油進(jìn)行定量的污染分析和評價，做到在線檢測和故障預(yù)防。再如基于人工智能的專家診斷系斷，它通過計(jì)算機(jī)模仿在某一領(lǐng)域內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)專家解決問題的方法。將故障現(xiàn)象通過人機(jī)接口輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的現(xiàn)象以及知識庫中的知識，可推算出引起故障的原因，然后通過人機(jī)接口輸出該原因，并提出維修方案或預(yù)防措施。這些方法給液壓系統(tǒng)故障診斷帶來廣闊的前景，給液壓系統(tǒng)故障診斷自動化奠定了基礎(chǔ)。但這些方法大都需要昂貴的檢測設(shè)備和復(fù)雜的傳感控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，有些方法研究起來有一定困難。目前不適應(yīng)于現(xiàn)場推廣使用。下面介紹一種簡單、實(shí)用的液壓系統(tǒng)故障診斷方法。

   2.1 基于參數(shù)測量的故障診斷系統(tǒng)

　　一個液壓系統(tǒng)工作是否正常，關(guān)鍵取決于兩個主要工作參數(shù)即壓力和流量是否處于正常的工作狀態(tài)，以及系統(tǒng)溫度和執(zhí)行器速度等參數(shù)的正常與否。液壓系統(tǒng)的故障現(xiàn)象是各種各樣的，故障原因也是多種因素的綜合。同一因素可能造成不同的故障現(xiàn)象，而同一故障又可能對應(yīng)著多種不同原因。例如：油液的污染可能造成液壓系統(tǒng)壓力、流量或方向等各方面的故障，這給液壓系統(tǒng)故障診斷帶來極大困難。

　　參數(shù)測量法診斷故障的思路是這樣的，任何液壓系統(tǒng)工作正常時，系統(tǒng)參數(shù)都工作在設(shè)計(jì)和設(shè)定值附近，工作中如果這些參數(shù)偏離了預(yù)定值，則系統(tǒng)就會出現(xiàn)故障或有可能出現(xiàn)故障。即液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障的實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)工作參數(shù)的異常變化。因此當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，必然是系統(tǒng)中某個元件或某些元件有故障，進(jìn)一步可斷定回路中某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)的參數(shù)已偏離了預(yù)定值。這說明如果液壓回路中某點(diǎn)的工作參數(shù)不正常，則系統(tǒng)已發(fā)生了故障或可能發(fā)生了故障，需維修人員馬上進(jìn)行處理。這樣在參數(shù)測量的基礎(chǔ)上，再結(jié)合邏輯分析法，即可快速、準(zhǔn)確地找出故障所在。參數(shù)測量法不僅可以診斷系統(tǒng)故障，而且還能預(yù)報可能發(fā)生的故障，并且這種預(yù)報和診斷都是定量的，大大提高了診斷的速度和準(zhǔn)確性。這種檢測為直接測量，檢測速度快，誤差小，檢測設(shè)備簡單，便于在生產(chǎn)現(xiàn)場推廣使用。適合于任何液壓系統(tǒng)的檢測。測量時，既不需停機(jī)，又不損壞液壓系統(tǒng)，幾乎可以對系統(tǒng)中任何部位進(jìn)行檢測，不但可診斷已有故障，而且可進(jìn)行在線監(jiān)測、預(yù)報潛在故障。

   2.1.1 參數(shù)測量法原理

　　只要測得液壓系統(tǒng)回路中所需任意點(diǎn)處工作參數(shù)，將其與系統(tǒng)工作的正常值相比較，即可判斷出系統(tǒng)工作參數(shù)是否正常，是否發(fā)生了故障以及故障的所在部位。

　　液壓系統(tǒng)中的工作參數(shù)，如壓力、流量、溫度等都是非電物理量，用通用儀器采用間接測量法測量時，首先需利用物理效應(yīng)將這些非電量轉(zhuǎn)換成電量，然后經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換和顯示等處理，被測參數(shù)則可用轉(zhuǎn)換后的電信號代表并顯示。由此可判斷液壓系統(tǒng)是否有故障。但這種間接測量方法需各種傳感器，檢測裝置較復(fù)雜，測量結(jié)果誤差大、不直觀，不便于現(xiàn)場推廣使用。

　　本人通過多年的教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐，設(shè)計(jì)出一種簡單、實(shí)用的液壓系統(tǒng)故障檢測回路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1a所示。檢測回路通常和被檢測系統(tǒng)并聯(lián)連接，此連接需在被測點(diǎn)設(shè)置如圖1a所示的雙球閥三通接頭，它主要用于對系統(tǒng)進(jìn)行不拆卸檢測。它對液壓系統(tǒng)所需點(diǎn)的各種參數(shù)進(jìn)行直接的快速檢測，不需任何傳感器，它可同時檢測系統(tǒng)中的壓力、流量和溫度三個參數(shù)，而執(zhí)行器的速度和轉(zhuǎn)速則可通過測量出口流量的方法計(jì)算得到。例如：只要在泵出口及執(zhí)行器進(jìn)、出口安裝雙球閥三通，如圖2所示，則通過測量1、2、3三點(diǎn)的壓力、流量及溫度值，則可立刻診斷出故障所在的大致部位(泵源、控制傳動部分或執(zhí)行器部分)。增加參數(shù)檢測點(diǎn)，則可縮小故障發(fā)生區(qū)域。

　　檢測原理如圖1a所示。系統(tǒng)正常工作時，閥門1開啟，2關(guān)閉，檢測口罩上防塵罩，以防污染。檢測時，只要將檢測回路與檢測口接通，即旋緊活接頭螺紋并打開閥門2 。通過調(diào)節(jié)閥門1和溢流閥7即可方便地測出壓力、流量、溫度、速度等參數(shù)。但要求系統(tǒng)配管時，將雙球閥三通在需檢測系統(tǒng)參數(shù)的部位當(dāng)作接管(如圖1a連接)或彎管接頭(如圖1b連接,這樣做既不會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,也不會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生明顯影響)來配置。

1,2.截止球閥 3,8.軟管 4.壓力表 5.流量計(jì)
6.溫度計(jì) 7.溢流閥 9.過濾器

圖1　故障診斷檢測回路

圖2　液壓系統(tǒng)參數(shù)測量點(diǎn)

   2.1.2　參數(shù)測量方法

　　第1步：測壓力——如圖1a所示，首先將檢測回路的軟管接頭與雙球閥三通螺紋接口旋緊接通。打開球閥2，關(guān)死溢流閥7，切斷回油通道，這時從壓力表4上可直接讀出所測點(diǎn)的壓力值(為系統(tǒng)的實(shí)際工作壓力)。

　　第2步：測流量和溫度——慢慢松開溢流閥7手柄，再關(guān)閉球閥1。重新調(diào)整溢流閥7，使壓力表4讀數(shù)為所測壓力值，此時流量計(jì)5讀數(shù)即為所測點(diǎn)的實(shí)際流量值。同時溫度計(jì)6上可顯示出油液溫度值。
　　 第3步：測轉(zhuǎn)速(速度)——不論泵、馬達(dá)或缸其轉(zhuǎn)速或速度僅取決于兩個因素，即流量和它本身的幾何尺寸(排量或面積)，所以只要測出馬達(dá)或缸的輸出流量(對泵為輸入流量)，除以其排量或面積即得到轉(zhuǎn)速或速度值。

    2.2　參數(shù)測量法實(shí)例

　　圖3所示為250 t注塑機(jī)液壓傳動及控制系統(tǒng)原理圖。此系統(tǒng)在調(diào)試中出現(xiàn)以下現(xiàn)象：泵能工作，但供給合模缸和注射缸的高壓泵壓力上不去(壓力調(diào)至8.0 Mpa左右，再無法調(diào)高)，泵有輕微的異常機(jī)械噪聲，水冷系統(tǒng)工作，油溫、油位均正常，有回油。

    從回路分析故障有以下可能原因：

　　(1) 溢流閥故障�？赡茉�因：調(diào)整不正確，彈簧屈服，阻尼孔堵塞，滑閥卡住。
　　 (2) 電液換向閥或電液比例閥故障�？赡茉�因：復(fù)位彈簧折斷，控制壓力不夠，滑閥卡住，比例閥控制部分故障。
　　 (3) 液壓泵故障�？赡茉�因：泵轉(zhuǎn)速過低，葉片泵定子異常磨損，密封件損壞，泵吸入口進(jìn)入大量空氣，過濾器嚴(yán)重堵塞。

　　故障診斷方法：

　　(1) 應(yīng)用傳統(tǒng)的邏輯分析逐步逼近法。需對以上所有可能原因逐一進(jìn)行分析判斷和檢驗(yàn)，最終找出故障原因和引起故障的具體元件。此法診斷過程繁瑣，須進(jìn)行大量的裝拆、驗(yàn)證工作，效率低，工期長，并且只能是定性分析，診斷不夠準(zhǔn)確。

　　(2) 應(yīng)用基于參數(shù)測量的故障診斷系統(tǒng)。只需在系統(tǒng)配管時，在泵的出口a、換向閥前b及缸的入口c( )三點(diǎn)(如圖3所示)設(shè)置雙球閥三通，則利用故障診斷檢測回路，在幾秒鐘內(nèi)即可將系統(tǒng)故障限制在某區(qū)域內(nèi)并根據(jù)所測參數(shù)值診斷出故障所在。檢測過程如下：

　　(a) 如圖1所示，將故障診斷回路與檢測口a接通，打開球閥2并旋松溢流閥7，再關(guān)死球閥1，這時調(diào)節(jié)溢流閥7即可從壓力表4上觀察泵的工作壓力變化情況，看其是否能超過8.0 Mpa并上升至所需高壓值。若不能則說明是泵本身故障，若能說明不是泵故障，則應(yīng)繼續(xù)檢測。
　　 (b) 若泵無故障，則利用故障診斷回路檢測b點(diǎn)壓力變化情況。若b點(diǎn)工作壓力能超過8.0 Mpa并上升至所需高壓值，則說明系統(tǒng)主溢流閥工作正常，需繼續(xù)檢測。
　　 ? 若溢流閥無故障，則通過檢測c點(diǎn)壓力變化情況即可判斷出是否換向閥或比例閥故障。

圖3　整機(jī)液壓傳動及控制系統(tǒng)

　　通過檢測最終故障原因是葉片泵內(nèi)漏嚴(yán)重所引起。拆卸泵后方知，葉片泵定子由于滑潤不良造成異常磨損，引起內(nèi)漏增大，使系統(tǒng)壓力提不高，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)是由于水冷系統(tǒng)的水漏入油中造成油乳化而失去潤滑作用引起的。

3　結(jié)論

　　參數(shù)測量法是一種實(shí)用、新型的液壓系統(tǒng)故障診斷方法，它與邏輯分析法相結(jié)合，大大提高了故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性。首先這種測量是定量的，這就避免了個人診斷的盲目性和經(jīng)驗(yàn)性，診斷結(jié)果符合實(shí)際。其次故障診斷速度快，經(jīng)過幾秒到幾十秒即可測得系統(tǒng)的準(zhǔn)確參數(shù)，再經(jīng)維修人員簡單的分析判斷即得到診斷結(jié)果。再者此法較傳統(tǒng)故障診斷法降低系統(tǒng)裝拆工作量一半以上。

　　此故障診斷檢測回路具有以下功能：
　　 (1) 能直接測量并直觀顯示液流流量、壓力和溫度，并能間接測量泵、馬達(dá)轉(zhuǎn)速。
　　 (2) 可以利用溢流閥對系統(tǒng)中被測部分進(jìn)行模擬加載，調(diào)壓方便、準(zhǔn)確；為保證所測流量準(zhǔn)確性，可從溫度表直接觀察測試溫差(應(yīng)小于±3℃)。
　　 (3) 適應(yīng)于任何液壓系統(tǒng)，且某些系統(tǒng)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不停車檢測。
　　 (4) 結(jié)構(gòu)輕便簡單，工作可靠，成本低廉，操作簡便。
　　 這種檢測回路將加載裝置和簡單的檢測儀器結(jié)合在一起，可做成便攜式檢測儀，測量快速、方便、準(zhǔn)確，適于在現(xiàn)場推廣使用。它為檢測、預(yù)報和故障診斷自動化打下基礎(chǔ)。