液压系统故障快速检测技术研究

党跃轩，陈树海，周 威，刘桂波，李 伟，康维新，胡天明

（1.黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨150050；2.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨150001）

液压传动系统具有结构轻巧、传动比大、运行平稳、能有效防止过载、易于实现无级调速和自动化及自动控制、远距离操纵等优点，已广泛应用于工业生产的各个领域。但由于液压系统结构复杂，其内部状态又难以观测，容易发生故障，给液压系统的运行状态监测和日常维护保养带来一定的困难。液压系统故障快速检测的任务就是在液压系统运行过程中不拆卸或少拆卸的情况下对压力、温度、流量等状态参数进行监测，掌握设备运转状态和发现异常现象。

本文进行基于虚拟仪器的液压系统故障现场快速检测技术研究，实现液压系统工作过程中各种参数的计算机采集与数据处理，并自动生成性能曲线，形成一个自动化程度高、操作简便、人机界面友好、数据处理能力强的液压系统故障快速检测设备。

1 现场快速诊断仪器的发展方向

随着数据处理技术、计算机技术、网络技术和通信技术飞速发展及不同学科之间的融合，液压系统故障诊断技术已逐渐从传统主观分析方法，向虚拟化、便携式、多功能、智能化的方向发展。

1）虚拟化。虚拟化是指监测与诊断仪器的虚拟化。LabVIEW具有强大的图形显示和数据处理能力，测试过程准确，操作简单，测试数据和结果输出迅速、直观，能够直接通过软件进行系统的性能分析处理，为开发通用的液压元件、系统计算机辅助现场快速检测系统提供了便利条件。

2）便携式。液压系统现场故障诊断仪器向便携式方向发展是现场故障诊断的必然要求，因为现场故障诊断受工作环境、技术条件和人员数量等诸多方面的限制，只能使用功能多、体积小和重量轻的便于携带的“万用表”式的仪器，这也是现场故障诊断仪器向便携式功能方向发展的一个重要原因。

3）多功能。液压系统故障诊断仪器向多功能方向发展表现在3个方面：一是仪器用途的多方面，即1台仪器即可以用作系统故障诊断，也可以用作系统的状态监控，还可以用作其它仪器的标定；二是仪器本身不仅能对多种参数进行检测，而且还具有对所检测的参数进行显示、计算和处理的功能，三是单台仪器能对某项参数进行多点位检测。

4）智能化。随着机电液技术日益结合，使得液压系统越来越复杂，故障诊断越来越困难，这就要求现代诊断仪器不仅具有对被测参数进行感知和显示的一般功能，还应当具有对被测参数进行计算、分析、识别和处理等智能化功能。

2 液压系统故障快速检测技术

2.1 检测系统硬件结构

液压系统故障快速检测系统采用笔记本电脑进行数据采集，利用USB总线进行数据采集和传感器的供电，无需外接电源或充电，使用方便，即插即用。本系统主要由嵌入加载阀的F6100集成式传感器、美国NI公司的USB－6009数据采集卡、升压电路、信号转换电路等组成，系统硬件结构组成如图1所示。

图1 检测系统硬件结构

2.2 检测系统软件设计

系统软件采用面向对象的虚拟仪器开发平台LabVIEW软件开发，主要功能是对所采集的液压系统的压力、温度、流量等参数数据进行转换、显示、处理、存储和故障的判断与报警等工作。主要包括检测参数的采集与显示、报警参数值设置、故障状态报警等功能，并可将检测数据和报警数据保存成数据文件。功能框图如图2所示。

图2 系统软件功能

2.2.1 数据采集模块

数据采集模块在安装NI－DAQ程序后，就可以通过VC＋＋ 来使用NI USB－6009上安装的Easy I／O for DAQ函数库，实现USB－6009数据采集卡的驱动。该系统采用多个模拟输入通道同时采集多个通道的压力、温度、流量信号，多通道采集程序如图3所示。由于机械设备作业时其工况比较复杂，液压系统中经常有各种干扰存在，系统所检测到的信号中不可避免地存在大量的噪声信号，对采样数据进行傅立叶变换（FFT），对信号的频谱特性进行分析和滤波。

2.2.2 数据显示模块

数据显示模块提供实时的图形和数字界面，用于监测与记录液压系统的压力、温度及流量参数。为显示图形与数值，主屏上还有菜单栏、带常用功能的按钮及报警指示灯。数据显示界面如图4所示。

图3 多通道采集程序

图4 液压故障快速检测装置软件界面

检测时，系统将采集到的电压信号转换为工况参数实际值，在数据显示模块用3条曲线分别记录液压系统压力、温度、流量等参数在检测期间的数据变化趋势，主屏上的图形最多可包含当前的60个数据点，先前的数据点被存入存储器，随时可以调出浏览。通过隐藏部分曲线，调节坐标比例，添加水平格线等，调节曲线来优化显示的数据与图形，同时以数值方式显示当前值。

2.2.3 报警参数设置模块、故障数据报警模块和报警数据记录模块

报警参数设置模块用于设置液压系统正常工作时压力、温度、流量等参数的上下限值。

报警模块主要是当被测系统的物理参数超过正常范围时通过报警指示灯或者报警声音提醒操作人员有异常现象发生，并根据异常参数的具体数字判断应该采取的措施。主要功能：当检测数据超过设置值时，系统报警，数据显示界面中检测参数当前值显示区的相应指示灯变红闪亮。

故障数据报警子VI程序如图5所示。

图5 故障数据报警子VI程序

报警数据记录模块可以将检测期间发生的超出正常工作范围的故障数据进行记录并显示。

2.2.4 检测报告生成模块

检测报告生成模块可以将采样数据以两种文件格式进行保存。一种是将采集数据存为Lab－VIEW特有的动态数据纪录形式的文件，通过波形回放将保存起来的采样纪录重新通过数字或曲线波形的形式显示出来，以供分析。另一种是存为电子表格文件，使技术人员能够方便地使用Excel电子表格程序对采样数据文件进行访问，掌握设备运转状态，及时发现故障征兆并加以控制排除，检测报告如图6所示。

图6 检测报告

3 检测系统使用

使用该系统可进行液压泵、溢流阀、方向控制阀和双向液压马达测试、双作用缸测试、液压传动装置诊断等测试项目。使用时首先按测试项目要求将嵌入加载阀的F6100集成式传感器接入液压系统，然后旋转手柄将加载阀完全打开，启动液压泵使其达到额定转速，逐步关闭加载阀使系统压力上升到略低于溢流阀设置压力，直到液压油温度上升到系统要求的工作温度，将加载阀完全打开，按测试项目步骤要求进行测试，检测系统将实施采集、记录液压系统的压力、温度和流量数据。

4 结束语

该系统利用虚拟仪器技术，通过计算机USB总线进行数据采集和对传感器组进行供电，采用嵌入加载阀的集成式压力、温度和流量传感器，系统结构简单，连接操作方便，便于携带和使用。基于LabVIEW平台开发了软件系统，数据采集整个界面设计成虚拟仪器风格，实现了多种控制功能和显示功能，界面友好。该系统能够利用一个测点对压力、温度、流量等状态参数进行监测，有效地提高了液压系统故障检测与诊断的效率，为机械设备的现场检测与故障诊断维修提供有力的保证。

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