六自由度液压并联机构的故障诊断专家系统研究

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六自由度液压并联机构运动具有实时变化不确定性、转矩大等特点，稳定性是其运动性能的决定性因素。由于该液压系统结构复杂，元器件多，易出故障，且故障往往会导致灾难性的后果，因此对其进行智能故障诊断具有重要的意义。目前，系统故障诊断的研究主要集中在基于传递函数的故障诊断方法和基于人工智能(专家系统、神经网络)等方面 J。本研究针对六自由度液压系统的主驱动回路部分进行了典型故障分析，建立了基于故障树的故障诊断专家系统。

1 六自由度液压并联机构工作原理六自由度液压并联机构由电气控制部分和液压部分组成，电气控制部分主要作用是控制液压系统的启停和液压缸伸长量的控制；液压部分分为手动部分、冷却回路部分和主驱动回路部分，手动部分为安全防护性措施，冷却回路部分为系统冷却降温准备。

六 自由度液压并联机构建立两个工位：液压缸未伸出时为低位，液压缸伸出全长的-半时为中位；液压系统停止时，系统处于低位状态，液压系统正常运作时的工位为中位。液压系统启动，主泵 12在电机 11的带动下开始供油，电磁换向阀21、电磁溢流阀23得电，电液伺服阀28处于中位，二位二通电磁换向阀得电处于左位，平衡阀 25在压力作用下处于右位，蓄能器 l7开始蓄能，T口阀27得电处于右位，由于电液伺服阀28处于中位，磁滞油缸 33无杆腔没有液压油进入；按下至中位按钮后，电液伺服阀处于右位，无杆腔有液压油进入，磁滞油缸 33处于伸出状态，液压上平台到达中位后，电液伺服阀28回到中位，磁滞油缸 33无杆腔没有油液进入，停止运动；平台升到中位后，即可进行机构的正常运行并接受 PLC的模拟量信号以控制 6条液压缸的伸长量进而调整上平台的倾斜角度；1条液压缸和液压站的液压系统原理图如图 1所示，其余液压缸液压回路与这条液压缸液压回路并行运作。

2 基于故障树的故障诊断专家系统专家系统是-个具有大量专门知识和经验的计算机程序系统，是通过推理与判断来解决那些需要大量人类专家才能解决的复杂问题，专家系统-般由知识收稿 日期：2013-02-04基金项 目：国家自然基金资助项目(51075245)作者简介：李涛(1989-)，男，山东东营人，硕士研究生 ，主要研究方向为工业机器人工程及机电精密测控系统。

2013年第8期 液压与气动 47库、数据库、推理机、知识获鳃制、解释拈和人机交互界面组成，如图2所示。

1.液位液温计 2.油箱 3.吸油滤油器 4.蝶阀 5.挠性接头6.减震垫 7.定量叶片泵 8.电机 9.风冷却器 l0.减震垫11.电机 12.恒压变量柱塞泵 13.双金属电接点温度计l4.液位控制器 l5.空气滤清器 16.板式单向阀 17.蓄能器18.蝶阀 l9.测压软管 2O.电磁换向阀 21.耐震压力表22.电磁溢流阀 23.压力管路过滤器 24.平衡阀25.插装式电磁换向阀 26.双向截止型 T口阀 27.伺服阀28.耐震压力表 29.板式溢流阀 3O.回油滤油器 31.压力变送器32.磁滞油缸 33.二位二通电磁换向阀 34.三位四通电磁换向阀35.双向液压锁 36.手动调速阀图 1 液压系统原理图图 2 专 家系统结构 图采用基于故障树的故障诊断系统，根据液压系统正常运行时的参数建立静态数据库，根据监测点采集的数据建立动态数据库，根据建立的液压系统故障树建立系统知识库模型，结合产生式规则的过程性知识表示法，经过故障诊断系统中静态数据库与动态数据库参数的对比确定-定的参数，然后与知识库中的故障进行对比，进而确定系统故障点，并通过人机界面显示出系统故障点并提出合理的解决方案。

2.1 故 障监测点的设置根据资深液压工程师提供的指导和查阅的相关液压故障知识，液压系统常见故障主要出现在常见液压阀、油箱液位、液压油油温、液压缸、过滤器等液压元件，根据六 自由度并联机构液压系统的组成，设置液压系统常见故障监测点对液压系统运行时各个常见故障点的运行参数进行检测，方便故障点的确定，设置故障诊断系统的常见故障点如表 1所示。

表 1 常见故障点7编号 常见故障点0o1 系统压力002 进油路滤油器0o3 电液伺服阀0o4 平衡阀oo5 液压缸o06 位移传感器0o7 回油滤油器008 油箱液位低于设定值0o9 油箱液位高于设定值010 油箱油温低于设定值六自由度液压并联机构电气控制部分 PLC采用B&R CP1484系列，为保障故障监测点监测功能的实现，在各个监测点设置传感器，将传感器的信号作为PLC的输入信号，继而在 PLC梯形图中将各个监测点正常运行的状态信号作为液压系统启动、正常运行的条件，以及在系统运行中，故障监测点的运行状态偏离正常运行状态时，液压系统停止运行并报警。

(1)针对系统压力监测点，在液压泵的出油口油路设置压力表。

(2)针对进油路滤油器和回油路滤油器监测点，选择压力管路过滤器作为进油路滤油器，并将压力管路过滤器的传感器的输出信号作为PLC的输入信号。

(3)针对电液伺服阀监测点，利用 B&R PLC的编程软件的系统参数监控功能监测电液伺服阀运行时的阀芯运动信号和输入电流信号是否在设定的范围内变化，监测到的数据不在规定范围内时即电液伺服阀出现故障。

48 液压与气动 2013年第8期(4)针对位移传感器监测点，利用另-传感器监测位移传感器的运行参数，并将这-传感器的输出信号作为 PLC的输入信号。

(5)针对油箱液位监测点，利用二级液位传感器监测油箱内油液的高度，并将二级液位传感器的输出信号作为 PLC的输入信号。油箱内液位高度低于最低液位设定值时，液压系统不能正常运行并伴有液位低报警；油箱内液位高度高于最高液位设定值时，液压系统不能正常运行并伴有液位高报警。

(6)针对油箱内油液温度监测点，利用温度传感器监测油箱内油液的温度，并将温度传感器的输出信号作为 PLC的输入信号。油箱内温度低于最低温度设定值时，液压系统不能正常运行并伴有油温低报警；油箱内油液温度高于最高温度设定值时，液压系统不能正常运行并伴有油温高报警。

(7)针对 PLC运行状况监测点，设置 PLC自运行参数监测的硬件故障监测。PLC运行出现故障时，液压系统不能正常运行并伴有硬件故障报警。

(8)针对液压缸监测点，主要监测液压缸内泄漏情况。当上平台处于中位后，利用上位机软件采集位移传感器反镭来的液压缸位移信号和伺服阀的阀芯位移信号，-段限定的时间后，当液压缸位移量信号和伺服阀的阀芯位移信号的变化范围在给定的范围内变化时，说明液压缸运行正常；否则，软件部分将给出报警，提示液压缸内泄漏故障。

2.2 液压系统故障树模型的建立故障树是-种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它从系统到部件，再到零件，按下降形”分析的方法，通过由逻辑符号(与、或)绘制出的-个逐渐展开成树状的分枝图来分析故障事件发生的概率。基于故障树的分析法不仅可以对系统、部件和元件进行定性分析而且可以做定量分析，不仅可以分析由单-故障点造成的系统故障，而且可以对由多故障点造成的复杂故障也可以进行分析。在故障树中，研究所关心的结果事件为顶事件，是故障树中首先要分析的系统故障事件，导致顶事件发生的根本原因是底端事件，顶事件和底端事件之间的称为中间事件 J。现仅以液压系统停止后，上平台不能回到低位为顶事件为例建立系统故障树模型如图3所示。

2.3 推理机制的建立专家推理就是根据-定的推理策略从知识库中选择有关知识，对用户提供的故障进行推理，指导找到故图 3 上平 台不能回到低位 的系统故障树障点。本文中采用了产生式规则形式的过程性知识表示方法，知识库和动、静态数据库对比结果--对应，能快速、准确确定系统故障点。产生式规则形式的过程性知识表示方法-般形式为：IF Condition THEN Result。

现以液压缸中位时监测信号为例，具体说明产生式规则的使用方法。设缸长实际值与理想值的最大差距为 ，实际值为 ，并设定：X <0.75X 正常工作区0.75X ≤X <1.2X 预测报警区1.2X ≤X <1.5X -般故障区X ≥1.5 严重故障区上述的规则用产生式规则可以表示为：Def(R，R )：IF(X ∈R)A(X <0.75X)THEN液压缸运行正常”；Def(R，R )：IF(X ∈R)A(0.75X ≤X <1.2X )THEN液压缸处于预测报警区或者或者电液伺服阀处于预测报警区”OR”位移传感器处于预测报警区”OR”电液伺服阀处于预测报警区”；Def(R，R )：IF(X ∈R)A(1.2X ≤X <1.5X)THEN液压缸存在-般性故障，请及时维修液压缸”OR”位移传感器处于预测报警区，请及时维修”OR”电液伺服阀处于预测报警区，请及时维修”；Def(R，R )：IF(X。∈R)A( ≥1.5 X )THEN液压缸存在严重故障，请及时维修液压缸”OR”位移传感器存在严重故障，请及时维修”OR”电液伺服阀存在严重故障，请及时维修”；其中， 为实测液压缸信号变化范围， 为液压缸信2013年第8期 液压与气动 49DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.08.013不压井作业装置举升液控系统的设计研究刘 峰，王太星，魏景山，颜家福The Design of Hydraulic Control Lifting System in Snubbing UnitLIU Feng，WANG Tai-xing，WEI Jing-shan，YAN Jia-fu(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东 青岛 266580)摘 要：由于不压井作业优于常规压井作业，依据我国油井的具体情况，对短冲程不压井作业装置的举升液控系统进行 了设计，并借助于AMESim软件对举升液压控制系统进行了计算机仿真，分析了举升液压缸的同步性。

关键词：不压井作业；举升系统；液控系统；同步性中图分类号：TH137；TP391.7 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)08-O49-5引言陆地油田开采已进人中后期，开采难度越来越大，而传统的开采方法是放喷溢流作业或者是压井循环作业。放喷溢流作业不仅损坏油井底部地层结构，还影响周边油气井的产能；压井作业能堵塞油层，也能污染底层。所以现在各油 田积极探索和应用不压井作业技术。

不压井作业技术是在井筒内有压力的情况下，带压强行起下管柱的新技术。不压井作业技术能够有效保护油气层，降低油气层污染，并提高油井采收率。还能够取代各油田仍在普遍采用的常规压井修井作业方法，降低修井作业成本，保护油气藏，减轻修井作业污染，达到油田稳产增产的目标 I2 J。

不压井作业装置是-套用于井口带压起下管柱的专门设备，该装置的各个系统协调工作，实现带压作业。主要由井口主体装置、动力系统、液压举升装置、液压控制系统和辅助装置等组成，其结构如图1所示。

其各组成部分的作用是：① 液压动力系统在进行不压井作业时为整个不压井作业装置提供液压动力；② 防喷密封系统由-台球形胶芯环形防喷器和两台液控单闸板防喷器组成，在进行不压井作业时控制环空压力；③ 压力平衡系统由2台液控平行闸板阀、1个升高四通和管线组成，在作业过程中连接井口油管头，平衡和放空来自升高四通内的压力；④ 液压举升系统采用2个双作用液压缸对称布置，并用举升横梁固连，在作业过程中提供起下油管需要的举升力和下压力；⑤卡瓦系统包括 2个自紧式防顶卡瓦和 1个承重卡瓦，在作业过程中用来夹紧油管，并和举升液压缸配合起下油管。

收稿 日期：20132-26作者简介：刘峰(1964-)，男，山东东营人 ，教授，硕士，主要从事机械设计及制造、液压传动的教学和科研工作。

3 结论基于故障树分析法的故障诊断专家系统，很好地适应了六自由度液压并联机构系统元件多、故障复杂和不确定性的特点，利用建立的静态数据库、动态数据库和知识库的有规则推理，实现了对六自由度并联液压系统的故障自动诊断，并提出合理的解决方案，保障系统的稳定运行。