基于运动波理论吸油管路故障诊断

李云鹏，阚哲，王晓蕾，汪毅

（1辽宁石油化工大学矿业工程学院，辽宁抚顺113001；2辽宁石油化工大学计算机与通信学院，辽宁抚顺113001；3.中船重工远舟（北京）科技有限公司北京100861）

基于运动波理论吸油管路故障诊断

李云鹏1，阚哲1，王晓蕾2，汪毅3

（1辽宁石油化工大学矿业工程学院，辽宁抚顺113001；2辽宁石油化工大学计算机与通信学院，辽宁抚顺113001；3.中船重工远舟（北京）科技有限公司北京100861）

液压系统广泛存在于煤矿生产机械中，如矿用破碎锤液压系统就是其正常工作的基本保障。针对液压系统吸油管路故障问题，提出用一种改进后的互相关原理结合静电传感器诊断矿用液压设备故障。通过监测油路速度，进而对液压设备管路进行监测，对矿用液压设备吸油管路故障进行故障诊断和预判。在模拟实验装置上进行了实验验证，其油路速度的重复性误差小于±1%，保证了故障诊断的准确性。利用运动波理论对互相关速度测量精度进行矫正，本测量系统具有较快的响应速度，可以通过监测矿用设备液压油管中油速度变化对其运行状态快速准确地诊断。

静电传感器；液压管路；互相关；运动波；油路速度；故障诊断

液压设备中一些的工作参数难以测量，而且一般故障根源有许多种可能，这给液压系统故障诊断带来一定困难。如采煤机、破碎锤和掘进机都有液压系统，一旦由液压系统故障而使此类机器停工将导致整个采煤工作中断，产生巨大经济损失。

液压系统故障诊断的一般原则，正确分析故障是排除故障的前提，系统故障大部分并非突然发生，发生前总有预兆，当预兆发展到一定程度即产生故障。文中采用环状静电传感器［1-4］结合互相关原理［5-7］针对液压系统管路异常速度信号进行监测及故障诊断。在分析相关速度影响因素的前提下，运用运动波理论来更精确测量液压系统油路速度，与故障速度进行比对即可诊断矿用液压系统故障。通过监测液压管路油速来诊断液压系统故障，通过实验装置验证基于静电传感器互相关法诊断液压油路故障是可行的。

1　环状静电传感器及系统设计

1.1静电传感器

静电传感器如图1所示，其中，1为环状静电传感器电极，2为金属屏蔽罩，3为PVC绝缘管，4为电极上静电信号引出线，5为金属屏蔽管与PVC绝缘管的固定螺栓（共8个）。这种静电传感器安装方便，加工简单。

1.2静电传感器系统设计

静电传感器利用油与其它物质（管壁）摩擦而产生静电，使金属电极上产生电荷。金属电极的电势等于管路中油（在电极附近）所带电荷在金属电极上产生的电势。由于油的流动，导致电场波动，即产生了交变信号。

图1　静电传感器

静电传感器系统由电极感应出油管中的静电信号，进入预处理电路，后经低通滤波电路滤波滤除2 k以上的信号，在经过放大电路放大到可以采集的范围，最后经调整电路将静电电压信号调整为直流量，由LPC2468单片机采集得到静电信号后进行存储、计算，并上传到PC机中，计算结果即可以在下微机显示，也可以在上微机显示。静电传感器系统构成框图如图2所示。

图2　静电传感器系统框图

2　互相关法诊断液压管路故障原理

2.1基于运动波理论的油速测量

利用互相关原理测量得到的速度具有一定的波动性，这样再仅仅利用互相关速度诊断就会存在一定的误判断。针对互相关速度波动的问题，在此采用运动波理论来进行解决，进一步提高互相关速度的测量精度。运动波理论从流体动量方程出发，结合漂移模型来建立基于运动波的互相关速度测量模型。具体如下所示：

对于两相流体流场的内部特性，运用二流体模型，模型建立的依据是基于斯托克斯方程，其中动量方程为：

其中，uk为相速度向量；pk为相压力标量；I为单位张量；T为剪应力张量；gk为重力加速度向量。

将二流体模型的动量方程变形，即可以得到漂移模型的动量方程：

漂移速度指流体的相速度与流体平均速度的差值

其中，VD为流体的漂移速度；Vα为流体的相速度；Vk为流体的平均速度。

对于油含气的两相流，对于流体局部漂移速度有

其中，y0为局部参考位置。此表达式即为油含气的两相流漂移模型，天津大学油水两相流课题组已经进行了详细论述。

油含气的两相流漂移模型分别考虑了分相浓度和分相速度分布又概括了流体参数的滑脱现象。在前面实验过程中发些互相关速度存在一定的波动性，通过分析流体模型，可以得到产生互相关速度波动的原因是由流体分相速度和分相浓度分布的波动性引起的。

利用质量守恒方程或连续性方程来表述油含气流体的流动特性：

综上，利用流体流动过程中存在运动波的这一特性，利用建立的运动波速度修正模型，对互相关速度进行校正，最后再利用互相关原理测量得到的油速进行液压系统故障诊断。

2.2液压管路故障诊断原理

矿用液压系统常见异常现象有压力损失、流量损失等，而压力损失和流量损失都可以导致管路中的油速发生变化，结合静电传感器和互相关原理（利用运动波理论进测量模型），当被测油管速度区别于正常工作速度时，即诊断此液压系统吸油管路工作异常，报警。

3　实验与讨论

实验装置如图3所示，由漏斗、油路、环状静电传感器［8］（两组）、滤波放大电路、单片机采集处理电路、人机接口（键盘显示模块）和PC机等部分组成。

图3　实验系统框图

图4　不同速度下互相关测量结果

利用自建实验装置，模拟油含气穴和油中混有金属小颗粒两种故障，利用互相关原理测量得到油速进行液压系统故障诊断。气泡的产生是用针管将其注入到油管中，金属颗粒是按一定比例混在预先制好的油中。

为进一步提高互相关速度测量精度，采用运动波速度测量模型：

其中，Vk为运动波测量速度，C流型分布函数，εs为截面气相含量。校正后，速度测量精度有所改善，代入公式（10）计算得到吸油管路速度测量误差为±0.5%，图5给出了互相关速度和采用运动波后的诊断正确率图。

图5　液压系统诊断结果对比

通过实验发现当液压系统管路油中含有气泡（气穴）或金属颗粒时，互相关测量得到的速度与油中没有混杂物时的油速相比，速度确实发生了变化，通过速度的测量可以判断气泡或金属颗粒出现的时刻。观察图5，可以得到利用运动波的速度诊断原理的诊断正确率高于互相关速度，其原因是任何相似的信号均有一定的相似度。因此，运用运动波测量模型可更好地完成液压系统故障诊断过程。

实验装置采集系统的采样频率为4 k，计算一次互相关时间小于1s，所以本互相关测速系统具有很好的响应特性，当油速发生变化时，静电监测系统就会检测到，进而诊断出液压系统故障。

4　结论

针对液压系统吸油管路故障，采用互相关原理结合静电传感器诊断矿用破碎锤液压系统故障，运用运动波理论对互相关速度进行校正。由互相关原理检测油管中油速，可以对液压设备管路进行快速监测，并对液压设备吸油管路进行故障检测及报告。结合自建实验装置进行实验验证，经实验验证得到被测油速的重复性误差小于±1%，这保证了对液压系统吸油管路故障诊断的可靠性和准确性。通过实验验证，系统有较快的响应特性，可以通过监测［9］液压油速度对其运行状态快速准确地诊断。经运动波理论校正后吸油管路速度测量误差为±0.5%。

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［7］阚哲，邵富群.基于静电传感器相关测速精度探讨［J］.化工自动化及仪表，2010，37（3）：69-72.

［8］徐雪峰，田东风，伍钧，等.对高崎台站放射性核素Xe监测异常的溯源分析［J］.现代应用物理，2016（1）：62-68.

［9］陈红，杨玉霞.面向湿地水环境监测的无线传感器网络拓扑控制［J］.西安工业大学学报，2016（2）：161.166.

The fault diagnosis of oil pipeline based on the kinematic wave theory

LI Yun-peng1，KAN Zhe1，WANG Xiao-lei2，WANG Yi3
（1.School of Mining Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；2.School of Computer and Communication Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；3.The Chinese Heavy Industry Far Boat Beijing Science and Technology CO.，Beijing 100861，China）

Hydraulic system is widely used in the production of coal mine machinery，such as that mine crushing hammer hydraulic system is the basic guarantee of its normal work.To the oil pipeline failure problems of hydraulic system，a new method was first proposed in conjunction with the relevant principles of mutual electrostatic sensor fault diagnosis of hydraulic equipment.By monitoring the speed of the oil，and then monitoring the pipe for hydraulic equipment，hydraulic equipment troubleshooting and pre-judgment.Completing the experimental verification with the simulation experiment device，repeatability error rate is less than its oil line±1%，and this ensures the accuracy of fault diagnosis.The measurement system has a faster response，you can monitor the hydraulic tubing Petroleum speed changes rapidly and accurately diagnose its operation.

electrostatic sensor；hydraulic lines；cross-correlation；kinematic wave；oil pipeline velocity；fault diagnosis

TN98

A

1674－6236（2016）17-0116-03

2015-09-18稿件编号：201509129

辽宁省科技厅面上项目（201602468）；大学生创新创业训练项目（201510148032；201510148071）

李云鹏（1992—），男，河北巨鹿人。研究方向：测控电路设计。