韓影，高傳磊

（1.咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，西安 712000；2.彩虹集團(tuán)特種玻璃有限公司，邵陽(yáng) 422000）

引言

隨著城市化的高速發(fā)展，緩解交通擁擠壓力進(jìn)行了大量的城市化交通建設(shè)，盾構(gòu)機(jī)是不可或缺的地鐵掘進(jìn)隧道的大型機(jī)械設(shè)備[1]。盾構(gòu)機(jī)是一種機(jī)械、液壓以及電氣集成化的大型重載專業(yè)化設(shè)備，其長(zhǎng)期工作在復(fù)雜多樣的施工環(huán)境，功能的穩(wěn)定性和維護(hù)性面臨巨大的挑戰(zhàn)，尤其是復(fù)雜的電液系統(tǒng)，故障頻繁和故障原因復(fù)雜，極易導(dǎo)致電液控制系統(tǒng)的失效，從而影響盾構(gòu)機(jī)工作的穩(wěn)定性，面對(duì)這一重型復(fù)雜的機(jī)電液設(shè)備，需要有完善的故障診斷機(jī)制和策略，才能快速的識(shí)別出潛在的故障狀態(tài)，通過故障響應(yīng)分級(jí)的進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)保護(hù)[2]。

復(fù)雜機(jī)電液設(shè)備的故障診斷難點(diǎn)在于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件間的耦合性強(qiáng)，故障觸發(fā)后故障響應(yīng)較為復(fù)雜，因此復(fù)雜機(jī)電液設(shè)備故障診斷一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，在長(zhǎng)期的持續(xù)研究中，取得了重大的研究成果，其中，華北水利水電大學(xué)的郝用興[3]為了在線監(jiān)控盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，提出使用加權(quán)因子與傳統(tǒng)費(fèi)歇爾判別法相結(jié)合的加權(quán)費(fèi)歇爾判別法，運(yùn)用仿真故障數(shù)據(jù)得到每一類故障的加權(quán)向量，建立VWFDA模型對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行故障診斷；華南理工大學(xué)的史步海[4]以盾構(gòu)機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)故障診斷過程中各類故障數(shù)據(jù)集存在類別不平衡的問題，采用基于SMOTE算法和Bagging算法的故障診斷分類器對(duì)盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷；上海大學(xué)的樊彬彬[5]針對(duì)盾構(gòu)機(jī)的故障診斷，構(gòu)建了基于故障樹模型的綜合推理機(jī)，結(jié)合實(shí)時(shí)參數(shù)和動(dòng)態(tài)規(guī)則的實(shí)時(shí)診斷推理機(jī)能夠快速的識(shí)別盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)故障，提高盾構(gòu)機(jī)的故障診斷能力。本文針對(duì)復(fù)雜機(jī)電液設(shè)備的盾構(gòu)機(jī)電液系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)故障診斷，通過設(shè)計(jì)相關(guān)組件故障診斷事件處理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用故障特征值離群診斷方法裁剪電氣組件故障診斷處理過程，并通過集成化測(cè)試環(huán)境驗(yàn)證故障診斷方法的可行性和穩(wěn)定性。

1 盾構(gòu)機(jī)電液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高復(fù)雜度的盾構(gòu)機(jī)是多部件組成的一種機(jī)電液特征強(qiáng)耦合的綜合大型設(shè)備，主要由刀盤/刀盤驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、盾構(gòu)機(jī)架、輸送機(jī)、推進(jìn)液壓油缸、電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)以及電氣/推進(jìn)系統(tǒng)附件裝置，如圖1所示[6]。

圖1 復(fù)雜盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 故障事件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

復(fù)雜機(jī)電液設(shè)備在周期性監(jiān)測(cè)故障發(fā)生的狀態(tài)，在部件發(fā)生故障后，針對(duì)不同的故障確認(rèn)狀態(tài)進(jìn)行等級(jí)劃定，尤其是嚴(yán)重度高的故障，一旦確認(rèn)故障已發(fā)生，需要快速的進(jìn)行故障響應(yīng)[7]。因此需要根據(jù)復(fù)雜機(jī)電液設(shè)備的部件結(jié)構(gòu)和電氣部件的特性，設(shè)計(jì)可以承載高負(fù)荷高算力下的盾構(gòu)機(jī)故障監(jiān)測(cè)和故障響應(yīng)，整體的故障事件處理包含了故障監(jiān)測(cè)使能條件、故障確認(rèn)、故障恢復(fù)、故障特征集群、故障響應(yīng)分級(jí)等，在故障監(jiān)測(cè)的過程中，實(shí)時(shí)的對(duì)故障診斷使能條件進(jìn)行判斷，只有在故障診斷使能條件滿足的狀態(tài)下才能進(jìn)行相應(yīng)故障診斷項(xiàng)的監(jiān)測(cè)。

針對(duì)不同的部件故障診斷，分為靜態(tài)故障診斷、動(dòng)態(tài)故障診斷，其中，故障診斷使能條件在部件上電或者工作時(shí)就自動(dòng)的靜態(tài)滿足，待故障監(jiān)測(cè)條件達(dá)到后確認(rèn)故障；故障使能條件在一定的條件或耦合相關(guān)部件后滿足，瞬態(tài)故障經(jīng)過故障診斷濾波后確認(rèn)成為動(dòng)態(tài)故障；當(dāng)故障確認(rèn)后經(jīng)過故障特征集群化優(yōu)化后，會(huì)將低效率低故障精度以及強(qiáng)耦合故障特征進(jìn)行裁剪，隨后故障事件處理模塊劃分相應(yīng)的故障等級(jí)，通過故障等級(jí)進(jìn)行故障響應(yīng)機(jī)制的執(zhí)行，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)機(jī)故障事件處理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)多部件的故障診斷需要利用故障特征離群進(jìn)行解耦，在故障診斷過程中，需要對(duì)盾構(gòu)機(jī)的電液信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，通過閾值[Sp0,Sp1]判斷電液信號(hào)的診斷有效性，反饋相關(guān)電液信號(hào)的瞬時(shí)有效性標(biāo)志、概要有效性標(biāo)志、有效性標(biāo)志[St2,Sp3,Sp4]，用于部件的故障診斷使能條件，返回值[Ze0,Ze1]用于表征電液信號(hào)處理的狀態(tài)；在故障特征離群優(yōu)化處理階段，將電液系統(tǒng)故障特征[Dk0,Dk1,Dk2]以及[Ds0,Ds1,Ds2]按照定好的離群策略進(jìn)行離群處理即可；故障診斷階段進(jìn)行故障的確認(rèn)和恢復(fù)[Ft1,Ft2]，隨后進(jìn)行部件的故障仲裁和故障事件處理，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)故障診斷時(shí)序

圖4 盾構(gòu)機(jī)故障確認(rèn)防抖處理

3 故障診斷方法

盾構(gòu)機(jī)多部件的故障診斷是在一個(gè)多變多耦合的故障監(jiān)測(cè)過程，電液部件故障監(jiān)測(cè)的瞬時(shí)故障結(jié)果是突變的，不能立刻作為故障結(jié)果，需要對(duì)瞬態(tài)的故障結(jié)果進(jìn)行濾波防抖處理，將最后的故障結(jié)果作為確認(rèn)故障，進(jìn)行故障特征離群處理后執(zhí)行故障響應(yīng)。本文設(shè)計(jì)的故障濾波處理方法是基于時(shí)間的持續(xù)型故障防抖處理方法[8]。

基于時(shí)間的持續(xù)型故障防抖處理關(guān)注的是故障使能Fen、故障重置、瞬態(tài)故障、確認(rèn)故障以及故障防抖處理的時(shí)間Ten,Tenf,Teh,Tet，在設(shè)計(jì)其故障確認(rèn)和故障恢復(fù)過程的防抖時(shí)，故障診斷使能優(yōu)先級(jí)最高。故障使能條件滿足=1的狀態(tài)下，電液系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)瞬時(shí)狀態(tài)為故障狀態(tài)后，在故障確認(rèn)時(shí)間內(nèi)一直持續(xù)為故障狀態(tài)且無故障重置命令，經(jīng)過持續(xù)的防抖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)達(dá)到故障確認(rèn)計(jì)數(shù)值后故障可確認(rèn)；若在故障確認(rèn)過程中，故障診斷使能條件不滿足=0，防抖計(jì)數(shù)需要停止計(jì)數(shù)，故障狀態(tài)保持，直到故障使能條件重新滿足后，計(jì)數(shù)開始重新計(jì)數(shù)；在故障重置和故障使能條件滿足的狀態(tài)下，只要故障重置置位后=1，故障可以直接清除=0，其防抖處理具體實(shí)現(xiàn)描述如下圖所示。

盾構(gòu)機(jī)故障診斷的特征值是一個(gè)融合了大量復(fù)雜信息的故障信息集[9]，利用故障特征離群處理方法，將確認(rèn)故障突變、故障信息準(zhǔn)確度下降率大、部件診斷效率下降的故障監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行分集處理，制定多向的故障離群判定準(zhǔn)則后，將故障特征模糊的故障確認(rèn)狀態(tài)進(jìn)行剝離，如圖5所示，制定故障特征離群區(qū)域FA和FB，其中，F(xiàn)A故障特征離群區(qū)在[Fet1,Fet2,Fet3]故障監(jiān)測(cè)周期內(nèi)評(píng)估的確認(rèn)故障質(zhì)效[Qt1,Qt2,Qt3,Qt4]判定結(jié)果較為低，同理FB故障特征離群區(qū)的故障診斷質(zhì)效非常高，但是其故障診斷的效率較為低下且故障監(jiān)測(cè)響應(yīng)過慢，具體的如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)機(jī)故障特征離群

4 故障診斷實(shí)驗(yàn)

對(duì)復(fù)雜機(jī)電液盾構(gòu)機(jī)故障特征離群故障診斷方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，利用盾構(gòu)機(jī)工況模擬測(cè)試臺(tái)架構(gòu)建了盾構(gòu)機(jī)電液系統(tǒng)故障診斷集成化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以通過特定的標(biāo)定工具進(jìn)行在線實(shí)時(shí)參數(shù)標(biāo)定[10]，盾構(gòu)機(jī)模擬臺(tái)架和電氣控制柜的集成化環(huán)境可以對(duì)電氣系統(tǒng)和附件裝置進(jìn)行可變參數(shù)的模擬，在一個(gè)完整的故障模擬周期內(nèi)進(jìn)行故障診斷實(shí)驗(yàn)，其中，盾構(gòu)機(jī)故障診斷集成化實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6～8所示。

圖6 盾構(gòu)機(jī)故障診斷集成化實(shí)驗(yàn)環(huán)境

對(duì)盾構(gòu)機(jī)主要的電液驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)和電氣附件進(jìn)行了故障診斷實(shí)驗(yàn)，采用真實(shí)故障注入的方法，其中，圖7是對(duì)盾構(gòu)機(jī)不同的電液節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障診斷精度的試驗(yàn)驗(yàn)證，在一個(gè)完整的故障注入周期內(nèi)，采用故障特征離群故障診斷方法后，各個(gè)電液節(jié)點(diǎn)的故障診斷精度均達(dá)到了90 %以上，能夠很好的精確的對(duì)相關(guān)的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)；圖8是故障響應(yīng)的結(jié)果，利用所設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)故障事件處理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，在不同的帶載狀態(tài)下，故障發(fā)生后會(huì)在相應(yīng)的時(shí)間觸發(fā)故障響應(yīng)機(jī)制，待故障恢復(fù)后，故障響應(yīng)機(jī)制應(yīng)該退出，此時(shí)，相應(yīng)的功率器件應(yīng)該在滿足帶載狀態(tài)下的功率需求，從圖中可以看出，盾構(gòu)機(jī)故障恢復(fù)后，掘進(jìn)輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率快速的提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)極為迅速，保證了盾構(gòu)機(jī)在負(fù)荷狀態(tài)下的功率需求。

圖7 盾構(gòu)機(jī)電液節(jié)點(diǎn)故障診斷精度

圖8 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率

5 結(jié)束語

復(fù)雜機(jī)電液盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中極易出現(xiàn)各種故障，針對(duì)復(fù)雜多變工況下盾構(gòu)機(jī)的故障診斷，在盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用設(shè)計(jì)好的故障事件處理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行故障事件管理，采用故障特征值離群診斷方法進(jìn)行電氣系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)，最后通過分析集成化故障診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出所設(shè)計(jì)的盾構(gòu)機(jī)故障診斷方法能夠有效的提升其診斷精度和故障診斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。