挖掘机液压系统故障诊断方法研究

摘要：随着挖掘机自动化水平的提高，液压系统的故障诊断已经成为现代挖掘机的关键技术之一，开展挖掘机液压系统故障诊断方法的研究，对于提高挖掘机的可靠性水平和施工效率具有重要的意义。

关键词：挖掘机; 液压系统; 系统故障;诊断方法

中图分类号：TU621文献标识码： A

一、液压系统故障诊断研究方法

1、故障诊断技术概述

在工业生产和工程施工过程中，随着控制系统逐步趋向大型化和复杂化，系统中有大量的变量和回路需要监控，故障发生的可能性也随之增加。提高系统可靠性与安全性采取的主要方法有提高元器件的可靠性，进行高可靠性设计以及对系统进行容错设计。但是无论多么先进的设备，多么完美的设计和巧妙的控制策略，绝对的可靠是无法实现的。从可靠性观点看，“有故障”是绝对的，问题在于故障是怎样造成的，如何尽早地检测和发现潜在的故障，然后控制和排除故障，从而降低故障可能造成的严重后果，所以，故障诊断技术已成为提高系统可靠性必不可少的工具。

故障诊断技术是一门综合性技术，它的研究涉及到多个学科，包括现代控制理论、可靠性理论、数理统计、模糊集理论、信号处理、模式识别、人工智能等学科理论。

作为挖掘机的核心，液压系统的故障是最常见也是最难以诊断的，如果不能有效地排除系统故障，将严重的影响施工进度，降低生产效率，造成施工方的经济损失。通过拆卸检查元件内部故障，容易带来新的污染物进入液压系统。

由以上可知，造成挖掘机液压系统故障的这些外部或内部因素是客观存在的，也是不可避免的。一般来讲，挖掘机液压系统的故障会分为三个渐变的阶段:故障的早期阶段，挖掘机的工作状态虽然有所下降，但是依然能够正常工作;故障的中期阶段，故障对于挖掘机工作状态开始有明显的影响;故障的后期阶段，液压系统内的液压元件发生破坏，导致挖掘机完全不能工作。由此可见，挖掘机液压系统的故障检测或故障诊断，关键的问题是通过有效的分析手段在早期就可以判断故障的发生，从而及时地对液压系统进行维护和保养。一旦故障进入中后期，即便发现故障，液压元件的损坏也是不可避免的。所以，挖掘机液压系统故障诊断的研究对于提高挖掘机可靠性，以及提高挖掘机施工效率都具有重要的意义。

二、液压系统故障模式与故障机理分析

1、液压系统故障模式分析

挖掘机的液压系统是一个结构复杂的大系统，系统内部各子回路相互干涉，故障形式多样，导致液压系统故障诊断困难。为了加快故障分析，提高故障诊断的有效性，需要找到一种系统的故障分析方法，故障模式通常被作为故障诊断中重要的一环。本文所指的故障模式主要针对挖掘机液压系统中的模块化液压元件，比如液压泵、多路阀、液压杆等，因为它们既是构成挖掘机液压系统的关键元件，也是发生故障最高的元件，因此研究这些关键液压元件的故障是挖掘机液压系统故障诊的主要工作，具有重要的实用价值。图1列出了液压系统中关键液压元件的常见故障模式。

2.液压系统故障机理分析

故障模式体现的主要是故障发生的部位和现象，并不反映造成故障的本质原因，而故障机理才是造成液压系统故障的实质性原因。故障机理主要是指引起元部件故障的物理、化学等内在性的因。故障机理是针对所有的液压元件，即故障机理是统一的，但是，由于功能和结构的不同，产生故障的原因既具有相似性，也具有差异性。液压系统主要故障机理主要包括:

2.1.磨损

磨损是固体摩擦表面上物质不断损耗的过程，表现为物体尺寸和形状的改变。磨损是渐进的损耗过程，但也可能导致断裂的后果。根据磨损形成的原理，磨损可分为机械磨损和机械化学磨损。磨损是否构成失效，主要看磨损是否已危及该元件的工作能力。磨损失效的基本类型有:粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损等五种基本类型。其中粘着磨损、表面疲劳磨损和磨粒磨损是液压系统中最常见的磨损方式。液压元件中，磨损是造成故障的最主要原因之一，这是因为在液压泵、马达等液压元件中，存在着很多很多重载而又高速滑动的摩擦副，比如，柱塞泵的柱塞与缸体属于精密配合。

2.2.疲劳

结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力作用下发生的失效，称为疲劳失效，简称为疲劳。统计结果表明，在各种机械的断裂事故中，大约有80%以上是由于疲劳失效引起的。因此，对于承受交变应力的设备，疲劳分析在设计中占有重要的地位。

2.3.密封件老化

密封件大都属于高分子材料，从其本质上讲，高分子材料的老化可以分为化学老化和物理老化两大类。化学老化是一种不可逆的化学反应。它是高分子材料分子结构变化的结果;物理老化是指处于非平衡态的不稳定结构下存放过程中会逐渐趋向稳定的平衡态，从而引起材料物理变化的现象。物理老化是液压系统密封件的主要老化方式，物理老化的结果使材料的自由体积减少，密度增加，模量和抗拉强度增加，断裂伸长及冲击强度下降，材料由塑性转变为脆性，从而导致材料在低应力水平下的破坏。

2.4.液压油污染

在液压系统中，液压油不仅起动力传递作用，也起、冷却作用。如果说液压泵是整个液压系统的心脏的话，那么液压油就是整个液压系统的血液，它不仅影响液压系统的工作性能和液压元件曲使用寿命，而且直接关系到液压系统能否正常工作。液压油污染物主要包括固体污染物、液体污染物、气体污染物。固体污染除了外界的灰尘，主要来自元件磨损所产生的颗粒;液体污染物主要包括水分和清洗液体;气体污染物则主要是混入的空气。严重的液压油污染可导致系统无法正常工作，比如固体污染物将比例换向阀的阀芯卡死，导致阀芯无法换向。液压油污染所造成的故障是系统性的，所有的液压元件都会受到影响，而且，液压油的污染会加剧液压元件的磨损;疲劳，降低系统的效率。

三、挖掘机液压系统故障诊断研究策略

1.合理选择信号变量

对于一个系统进行有效的故障诊断，获取系统的输入或输出的信号变量数据是必不可少的，因为只有从信号变量中提取可用的故障信息才能保证准确的故障诊断结果。在一些大型的系统当中，由于高可靠性的要求，一般都会安装几十个甚至上百个传感器，采集系统各个部位所产生信号的变化。对于液压系统，压力和流量的信号当中往往都蕴含了丰富的故障信息，如何能够合理的使用这些变量中的信息，准确地跟踪挖掘机液压系统模型的变动是本文故障诊断研究方法的关键问题之一。

2.非常规故障建模方法

通常的系统建模方法如解析法、功率键图法、传递函数法等等，只要方程的系数确定了，模型便确定了，这通常被称为常规建模方法。对于挖掘机液压系统，由于元件的性能参数以及元件之间响应特性的较大差别，常规建模方法具有很大的困难。非常规建模是一种将理论分析和试验辨识相结合的一种建模方法。这种方法充分利用有关液压系统和元件的己知信息和现有参数，利用较少的实验数据便能建立液压系统的动态模型。.

3.故障特征提取方法

故障特征也被称为故障征兆，常见包括数值型特征、语义性特征、图形特征等等。对于故障特征的提取，并没有一个系统化的方法，需要结合研究特定系统的特性和结构。一般来讲，各种类型特征可能直接来源于系统的信号变量信息，尤其是数值型特征。对于某些线性系统，数值特征变化可以直接反映故障的发生，可以使用线性的故障特征提取方方法。

结语：

展开挖掘机液压系统的故障诊断研究对于提高挖掘机的可靠性、施工效率以及维护管理水平和应用水平具有重要意义。挖掘机是结构最为典型的工程机械，其液压系统的结构与其它工程机械具有很多的相似性，应用在挖掘机液压系统上故障诊断方法完全可以应用到其他工程机械上，这为本文研究的故障诊断方法提供了更为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]常绿，王国强，韩云武.液压挖掘机自动控制系统的设计和实现.农业工程学报，2007 23(6): 140-144.

[2]张铁.液压挖掘机结构、原理及使用.东营:石油大学出版社，2002.

作者简介：郝心雨，1989-8，男，汉，内蒙古呼和浩特市，内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，专业：机电一体化。