基于功率谱容量维的液压阀故障诊断

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Fault diagnosis of hydraulic valve based on capacity dimensionof AR power spectrumwu Wen-bing - HUANG Yi-jian(1.Fuzhou Technical Colege of Foreign Studies and Trade，Fuzhou 350018，China；2.School of Information Science and Engineering，Xiamen university，Xiamen 361000，China；3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China)Abstract：The relief valve is easy to break down in hydraulic systems.The fault diagnosis of the relief valve issignifcant for maintaining the mechanical system.By means of AR model，the AR power spectrum of normal andfault signals from the vibration of the relief valve was acquired respectively.According to the self-similarity of thepower spectrum，the capacity dimension of each set of data was calculated in an experiment.The fault diagnosisof relief valve was implemented according to the calculated result.The diagnosis accuracy is satisfactory。

Key words：fault diagnosis；relief valve；bi-spectral slice；capacity dimension0 前言大自然中存在的不规则的物体，可能存在不同尺度上的相似性，称为自相似性。自相似性就是局部与整体相似，局部中又有相似的局部。本文通过建立 AR模型，获取正常状态和故障状态下信号的 AR功率谱 ，再根据其自相似性，采用分别计算其容量维数的方法来进行故障诊断。

收稿日期：2012-09-26；修订日期：2012-12-15作者简介：国家自然科学基金(50975098)作者简介：吴文兵，(1968-)，男，福州外语外贸学院教师博士，副教授。

1 减压阀液压回路系统实验研究的减压阀为先导式减压阀。油液经液压泵至主油路，液压泵排出油液的最大压力由溢流阀根据主油路的需要来调节。当液压缸需要的压力要比液压泵的供油压力低时，这时可在油路中串上-减压阀来进行减压，减压阀可保证减压后压力恒定。减压阀数据采集系统如图1所示。

当减压阀进出油口有异物，压力偏高或偏低都会影响到减压阀的正常运行，为了获弱压阀在故障状态下的运行信号，本文进行的实验特设置了在 减压阀进油II和出油口同时加 西3 mln铁芯的故障，通过实验可以近似模拟减压阀工作故· 90· 重 型 机 械 2012 N0.2障状况。

图 1 减压阀数据采集系统Fig.1 Data acquisition system of relief valve2 数据采集与动态测试程序振动信号的采集和处理使用的软件虚拟仪器软件开发 工具 LabVIEW2]。利用 LabVIEW 及PCI-6014的数据采集卡和-个加速度传感器，依次采集调速阀在正常和故障状态下的振动信号。

在测试过程中，采样频率设为 1 024 Hz，读取频率为512 Hz。在每种信号状态的测量中，将油路压力从 1-5 MPa分 5个压力等级，采样过程时间约2 min，实验使用的数据个数为 1 024个。

由于测试过程中系统外部和内部各种因素的影响必然在输出过程中夹杂着许多不需要的成分，本文采用中值法对采集的振动信号进行了预处理。

3 AR建模如图2所示，假设Y (t)是系统实际输出信号Y(t)经过去噪后的信号，系统输出的随机振动信号是由均值等于零的非高斯的白噪声 a(t)造成的，所以输出的随机信号中含有丰富的动态信息，可以建立 AR模型为Yl(t)∑ Y1(t- )a(t)，(t1，2，，Ⅳ) (1)式中， (i1，2，，P)为自回归系数，P为自回归模型的阶数。

对于稳定的线性物理过程 h(t)，考虑到系统为最小相位系统，可得到基于 AR模型的功率谱表达式为P ( )Ta，2H ( )H( )式中，∞为频率；Ya，2为滞后量为 0的二阶累量；H( )为系统的传递函数；H ( )为H(∞)的共轭函数。

图2 信号流图Fig.2 Flow chart of signal4 容量维具有某种 自相似性的图形或集合称为分形。

大自然中存在的不规则的物体，可能存在不同尺度上的相似性 ，称为自相似性。自相似性就是局部与整体相似，局部中又有相似的局部，每-小局部中包含的细节并不比整体所包含的少，不断重复的无穷嵌套，不仅包括严格的几何相似性，还包括通过大量的统计而呈现出的自相似性。为了解决这类物体的维数计算，发展了计算容量相似维数方法。常用的容量维数分析方法有变方法、结构函数法、自仿射法以及盒子覆盖算法。

其中盒子覆盖算法简单、快速、精确。本文采用盒子覆盖算法来计算功率谱的容量维数。计算相似比时，采用圆片(或方块)去填充(或覆盖)被测对象，统计覆盖所需的方块数来计算其维数。

如此方法计算的维数称为容量维数。如果用长度为 r尺子去测长度为 的线段， 与 r之比为Ⅳ，Ⅳ值的大小与 r长短有关，r越小，Ⅳ越大。对于 D 维物体，有取对数得容量相似维数为ml(1 ogN (r )5 实验结果分析本次实验-共获取了26组数据，正常状态和故障状态各 13组。为了对所获得的信号进行定量分析以便进行故障判别，首先计算出每组数据的AR功率谱，本文分别选取油压为 1 MPa、3 MPa、5 MPa时测得的2种振动状态下的各 3组数据，其功率谱示如图3和图4所示。图中横轴表示频率，单位为Hz，纵轴表示归-化后的幅值大小，无量纲。从图中可以看出，正常状态下的 AR功率谱不如故障状态下的尖锐，底部也更宽大，这种直观上的差别为故障诊断提供了可能。从图 3和图4可以看出，无论信号处于正常状态还是故障状态，其AR功率谱都具有-定程度的自相似2013 NO.2 重 型 机 械性。本文为了有效判别故障，利用容量维作为工具，分别计算正常状态和故障状态的容量维数，其结果见表 1。为了对结果进行有效观察，特绘制了表-的点折线图，如图5所示。其中系列 1代表正常状态数据，系列2代表故障状态数据。

从图中可以看出，正常状态下信号的容量维数在整体上明显大于故障状态下的容量维数，这表明正常状态下的功率谱的自相似性要高于其故障状态下的功率谱，这是因为信号在故障状态下其运行更无规律，而这种无规律性必然反映到其功率谱中，导致其自相似性降低。对于正常状态，若以1.140±0.035为震荡区间，处于这-区间 的有 12组 数据；对 于故 障状态，若 以1.080±0.0252为震荡区间，处于这-区间的有9组数据。如果在判断有无故障时以上述确定的两个区间为标准，则本实验得出的总体正确识别率超过了80%，说明本文提出的方法是可行的。

迥罂j型馨频f/Hz频 "-flHz频]7Hz图3 正常状态信号 AR功率谱图Fig.3 AR power spectrum of sign，s in normal statej型粤j型馨× l0J L 。 J -爪 。

O 200 400 600 800 1000 l200 1400 1600 1800 2000频SJlHz43 53坦 2 5粤 21 510 50×1 0频"f/Hz- . . . ，√ 0 200 400 600 800 1(x)O120014001600l800 2Oo0频；THz图4Fig.4 AR故障状态信号AR功率谱图power spectrum of signals in fault state表 1 容量维数表Tab.1 List of capacity dimension正常 1. 1097 1.1125 1.1368 1.14l3 1.1036 1.1072 1.1072状态故 1. 1408 1.o843 1.1052 1.0862 1.o873 1.0657 1.o734状态1816l412108O604021图5 AR功率谱点折线图Fig.5 Graph of broken lines for AR power spectrum(下转第94页)0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 粤· 94· 重 型 机 械 2012 No.2min；△ 为进出口油温差，℃，-般取 15C；为滚动轴承摩擦系数，取 0.0025；n为轴承转速，r/min；F 为轴承径向负荷，N。

表2 轴承润滑油的用量Table 2 Quantity of lubrication oil for bearin其次，计算齿轮所需润滑油量。计算公式为At C 60 7 n (2) g × × × ～ 、-式中，Q 为齿轮给油量，L/min；r/为单极传动效率，磨齿为 0.995；y为油的比重，0.9kg/L；C为油的比热，0.4 kcal/kgC；At为进出油El温度，-般为 10℃。

两部分合计总用油量为 Q：25.6732.6L/rain为保险起见，根据经验向上圆整至 50 L/min。实际系统泵的流量是 50 L/min，满足使用要求。前面已经分析过，设计流量不代表与每个轴承的实际流量相符。若实际经过高速轴承的流量受到自然流量的限制，实际流量就达不到设计流量，造成故障。从理论上讲，飞溅自然流动润滑是可行的，但高速轴承要求喷嘴和小孑L的精度和位置都很高，容易造成润滑不良。

4 结束语通过在减速箱高速轴承处外部增加强制压力循环润滑，卷鳃稀油润滑改造后轴承实际使用寿命远远大于设计寿命，达到了预期改造要求。