基于分形理论的液压系统故障诊断技术研究
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摘要
分形是一门新的学科，它特别适用于分析复杂系统，而把分形理论应用于机械系统的故障诊断领域，是近年来国际学术界的新动向。可以采用分形理论分析机械系统的状态信号，从中提取出分形维数作为特征信息，与故障档案进行比较，从而实现机械设备的故障诊断。
本文首先对液压系统故障诊断技术的研究现状进行了综述性回顾，以故障特征提取为切入点，提出了分形用于液压系统故障诊断的新方法。然后，分别介绍了液压系统故障的复杂性理论和分形理论，并对液压系统中的各种状态信号进行了分析。在这些基础上，研究了基于分形的液压系统故障诊断的方法及流程，提出了其诊断模型。
本文以液压泵源系统为研究对象，运用分形理论对其进行故障诊断的仿真研究和实验研究，其中包括仿真模型的建立、实验系统的设计、数据的采集、特征参数的提取等。结果显示，液压泵壳体振动信号和管道压力信号在一定尺度范围内具有分形特征，不同工作(故障)状态下的液压泵壳体振动信号和管道压力信号的关联维数是不同的，具有明显可分性。关联维数对设备故障比较敏感，能够反映系统的动态特性。因此，关联维数作为液压设备故障诊断的敏感因子是可行的。这种方法简单、直观、易行，大大克服传统方法分析上故障特征的提取、分析的困难。
最后对课题的研究作了总结和展望。
Fractal is a new subject which is especially suitable for the analysis of complex system. Recently signal processing methods based on fractal have been applied to mechanical system fault diagnosis. The objective of the proposed research is to develop a method based on fractal theory for analyzing the operating signals of mechanical system. This method will provide further useful information about the underlying dynamics. It is possible to implement mechanical system fault diagnosis by using this method compared with fault files.
Firstly, this paper generalizes and reviews state of art and development in the field of fault diagnosis for hydraulic system faults and, starting with fault signal identification, it raises a new method of hydraulic system fault diagnosis based on fractal. Then, it describes separately hydraulic system's complexity theory and fractal theory and analyzes all kinds of operating signals in hydraulic system. On these bases, it studies the method of fractal-based fault diagnosis of hydraulic system, puts forward its diagnosis model.
Hydraulic pump is the research object in this paper. In this research, the simulation and experiment of fault diagnosis of hydraulic pump are established, including model establishing, data sampling, obtaining character parameters and so on. The results indicate that the different correlation dimensions of vibration and pressure signals of hydraulic pump under different operating states and the correlation dimension is sensitive to hydraulic pump faults. It reflects the dynamic characteristic of system. The method is simple, intuitionistic and feasible. It greatly overcomes the difficulty of characteristic identification in traditional methods.
At last, the research is summarized and prospected in this paper.
本文首先对液压系统故障诊断技术的研究现状进行了综述性回顾，以故障特征提取为切入点，提出了分形用于液压系统故障诊断的新方法。然后，分别介绍了液压系统故障的复杂性理论和分形理论，并对液压系统中的各种状态信号进行了分析。在这些基础上，研究了基于分形的液压系统故障诊断的方法及流程，提出了其诊断模型。
本文以液压泵源系统为研究对象，运用分形理论对其进行故障诊断的仿真研究和实验研究，其中包括仿真模型的建立、实验系统的设计、数据的采集、特征参数的提取等。结果显示，液压泵壳体振动信号和管道压力信号在一定尺度范围内具有分形特征，不同工作(故障)状态下的液压泵壳体振动信号和管道压力信号的关联维数是不同的，具有明显可分性。关联维数对设备故障比较敏感，能够反映系统的动态特性。因此，关联维数作为液压设备故障诊断的敏感因子是可行的。这种方法简单、直观、易行，大大克服传统方法分析上故障特征的提取、分析的困难。
最后对课题的研究作了总结和展望。
Fractal is a new subject which is especially suitable for the analysis of complex system. Recently signal processing methods based on fractal have been applied to mechanical system fault diagnosis. The objective of the proposed research is to develop a method based on fractal theory for analyzing the operating signals of mechanical system. This method will provide further useful information about the underlying dynamics. It is possible to implement mechanical system fault diagnosis by using this method compared with fault files.
Firstly, this paper generalizes and reviews state of art and development in the field of fault diagnosis for hydraulic system faults and, starting with fault signal identification, it raises a new method of hydraulic system fault diagnosis based on fractal. Then, it describes separately hydraulic system's complexity theory and fractal theory and analyzes all kinds of operating signals in hydraulic system. On these bases, it studies the method of fractal-based fault diagnosis of hydraulic system, puts forward its diagnosis model.
Hydraulic pump is the research object in this paper. In this research, the simulation and experiment of fault diagnosis of hydraulic pump are established, including model establishing, data sampling, obtaining character parameters and so on. The results indicate that the different correlation dimensions of vibration and pressure signals of hydraulic pump under different operating states and the correlation dimension is sensitive to hydraulic pump faults. It reflects the dynamic characteristic of system. The method is simple, intuitionistic and feasible. It greatly overcomes the difficulty of characteristic identification in traditional methods.
At last, the research is summarized and prospected in this paper.
引文
[1] 刘永健，胡培金．液压故障诊断分析，1998，人民交通出版社，1-3
[2] 石博强，申焱华．机械故障诊断的分形方法，2001，冶金工业出版社，1-3
[3] 肖龙．液压传动技术，1999，冶金工业出版社，246-250
[4] 王益群，高英杰．液压传动及控制系统故障诊断枝术的新进展，燕山大学学报，1998，22(1)，1-3
[5] Frank P.M. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy-a survey and some new results, Automatics,1990,26(3),459-474
[6] 赖启原，宋瑶蠡．液压系统故障诊断的热力学方法研究，机械，1996，23(2)，11-13
[7] 祝海林．管道流量非接触测量及液压系统故障诊断的研究，北京科技大学博士学位论文，1995，12
[8] 崔钦华，梁彦伟．振动分析在液压实验故障诊断中的应用，洛阳工业高等专科学校学报，2002，12(1)，22-23
[9] 赵永凯，赵静一，陈一鸣．轴向柱塞泵的振动诊断研究，机床与液压，1992，2，87-92
[10] 张养利．模糊故障诊断技术及其在液压系统中的应用，机车车辆工艺，1999，6，31-33
[11] 邹曼，祝海林．模糊数学在液压设备故障诊断中的应用，冶金设备，1995，6，39-40
[12] 祝海林，邹曼，胡爱萍．液压系统故障诊断的灰色理论方法探讨，石油化工高等学校学报，1998，11(3)，55-59
[13] 张荣沂，苏群．液压系统故障诊断专家系统，工程机械，2002，33(7)，32-35
[14] Angeli Chr.Online expert system for fault diagnosis in hydraulic systems,Expert Systems,1999,Vol.16 NO.2,115-120
[15] 徐克林，徐克勇．液压系统故障诊断专家系统的建立，内燃机，2000，(2)，33-35
[16] 王益群，高英杰．液压AGC系统故障诊断专家系统的实现，液压气动与密封，2000，1，29-31
[17] 方志宏．基于神经网络的液压系统故障诊断方法研究，浙江大学博士学位论文，1997，7
[18] 麻健．神经网络在液压泵故障诊断中的应用，工程机械，1998，29(6)，37-39
[19] 方志宏，傅周东．基于BP神经网络的液压系统泄漏故障诊断，机械科学与技术(西安)，1998，17(1)，116-118
[20] 姜万录，王益群．混沌振子在液压泵故障诊断中的应用，机床与液压，1999，5，52-53，83
[21] 荆双喜，方佳雨．样条小波在液压泵故障诊断中的应用研究，煤炭学报，2000，25(1)，95-99
[22] 戴智华，易建钢．模糊故障树理论在液压系统故障诊断中的应用，机床与液压，2002，5，202-203，205
[23] 王益群，高英杰．基于模糊神经网络的液压系统故障诊断方法，液压气动与密
封，2001，5，20-22
[24] 江丽，甄少华．基于BP神经网络的液压系统故障诊断专家系统，机床与液压，2002，4，169-170，225
[25] Chandler Jon K. Flowler Don P., External pressure measurement system, International Instrumentation Symposium, 35th,Orlando, FL, May1-4,1989, Research Triangle Park, NC, Instrument Society of America,653-661
[26] 于凤，崔玉亮．液压系统油液压力非插入测量的新方法，仪器仪表学报，2001，22(5)，476-478
[27] 张济忠．分形，1995，清华大学出版社
[28] 陈新，黄洪钟，黄文培等．分形理论及其在机械工程中的应用，机械科学与技术，2000，19(5)，693-696
[29] Mine Qiu Zhang. On the wear debris of Poly Ether Ether Ketone, fractal dimensions in relation to wear mechanisms, Iridology International, 1997,30,87-102
[30] 蒋东翔，黄文虎，徐世昌．分形几何及其在旋转机械故障诊断中的应用，哈尔滨工业大学学报，1996，28(2)，27-31
[31] 张文明，李莉，申焱华等．滚动轴承故障诊断中的分形，北京科技大学学报，1996，3，24-26
[32] 廖明，石博强，张文明，冯雅丽．分形在柴油机燃油系故障诊断中的应用，北京科技大学学报，1998，5，417-420
[33] 陈章位，路甬祥，傅周东．液压设备状态监测和故障诊断技术，液压与气动，1995，2，3-7
[34] 朱才朝，唐中一．液压系统故障诊断，全国流体动力与机电—体化技术学术年会论文，1999，151-154
[35] 阳洪志，李壮云．液压泵气蚀初生的诊断，液压与气动，1988，1，2-6
[36] 陆元章．液压系统的建模与分析，1989．12，上海交通大学出版社，107-114
[37] 吴敏金．分形信息导论，1994，上海科学技术文献出版社
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[42] 祁仁俊．液压系统压力脉动的机理，同济大学学报，2001，29(9)，1017-1022
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[44] 姜建东，王晓升，屈梁生．分形几何在回转机械振动信号分析中的应用，中国机械工程，1998，9(10)，39-41
[45] 鄂春盛，蒋东翔，倪维斗．分形几何及其在汽轮机组振动故障征兆提取中的应用，汽轮机技术，1999，41(6)，32-324
[46] Liu Li, Li Li, Shen Yanhua. Vibration analysis of diesel' s combation bases on Fractal Theory, Journal of Univ. of Sci. and Tech. Beijing,
1996, Vol. 3, No. 2,103-106
[47] 夏勇，张振仁，商斌梁．内燃机振动信号的混沌分形特性研究，振动与冲击，2001，20(2)，65-68
[48] 金萍，陈怡然，白烨．内燃机表面振动信号的性质，天津大学学报，2000，33(1)，63-68
[49] Keshner M.S. 1/f Noise, Proceedings of the IEEE, 1982,70(3),212
[50] 汤一波，金忠青．脉动压力的紊流分形特征，水科学进展，1998，9(4)，361-365
[51] 吕金虎，陆君安，陈士华．混沌时间序列分析及其应用，2002第1版，武汉大学出版社，57-66
[52] Holger Kantz, Thomas Schreiber. Nonlinear Time Series Analysis,1997,2nd Edition, Cambridge University Press, 33-136
[53] 王忠民，王信义，陈爱弟等．基于分形维数的刀具状态在线监测新方法，北京理工大学学报，2000，20(4)，44-444
[54] 张萍，欧阳光耀．基于分形几何的信号特征提取技术及其应用研究，海军工程大学学报，2001，13(1)，1-7
[55] 林嘉宇，王跃科，黄芝平．语音信号相空间重构中的时间延迟的选择—复自相关法，信号处理，1999，33(10)，72-76
[56] Daubechies小波分解程序，Daubechies小波重构程序，Daubechies小波去噪程序，http,//matlabspace.myrice.com/oldweb/matlab
[57] 董选明，裘丽华，王占林．基于BP算法的液压泵在线状态监测及故障诊断，北京航空航天大学学报，1997，23(3)，322-327
[58] 葛思华．液压系统故障诊断，1992，西安交通大学出版社
[59] 张雨，徐小林，张建华．设备状态监测与故障诊断的理论与实践，2000，国防科技大学出版社
[60] H.S. Kim, R. eybholt, J.D. Salas. Nonlinear dynamics, delay times, and embedding windows, Physica D, 1999,127,48-60
[61] H. OHASHI. Vibration and Oscillation of Hydraulic Machinery, 1991,Avebury Technical, England
[62] (美)A．H．海恩著，易孟林，邹占江等译．流体动力系统的故障诊断及排除，2000，机械工业出版社
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