农机电液控制系统的故障表现与维修技术

张春雨

(肇州县朝阳沟镇人民政府，黑龙江 肇州 166405)

0 引言

自帕斯卡尔提出静态液体压力传递的基本规律以来，电液控制系统在各个方面的应用已经发展了近4个世纪[1]。电液控制系统具有功率密度高、输出力大、易于实现直线运动等优点，广泛应用于工业液压和移动液压机械中。该系统主要包括控制流量、压力或执行器的液压系统的关键部件。电液控制系统中控制阀门有很多种类型，如比例阀、喷嘴挡板阀，或其他带电子控制器的阀。随着材料、制造、电子技术、计算机技术的发展，电液控制系统逐步向智能化方向发展。

工业4.0是德国从一个高科技战略项目中提出的，其本质是促进制造业的智能化发展。其中，电液控制系统也正在逐步实现工业4.0的特性。由于电液控制系统安装在农机远程终端，未来方便对其进行控制和监控，工业4.0下的电液控制系统应该增加自我检测、故障诊断、功能重新定义和集成的能力。数字技术可以使电液控制系统集成了数字控制器和各种传感器等硬件，可以通过CANopen或其他通信技术实现在线远程监测和诊断，还可定制和扩展功能。

本文从工业4.0的角度对农机电液控制系统的研究现状进行了阐述，主要包括目前农机电液控制系统状态采集和诊断的传感器技术，并提出一些间接的状态采集方法。在此基础上，总结了电液阀的集成通信技术和管理软件，实现了电液阀在线远程监测、控制、故障诊断与维修技术。研究结果对于提高农机电液控制系统智能化故障检测与高效维修提供理论参考与技术借鉴。

1 农机电液控制系统状态监测方法

农机电液控制系统状态采集是实现电液控制数字化、智能化的基础。电液控制系统需要通过获取每个零部件的状态来实现自主控制、远程故障诊断和物联网的构建。现有的农机电液控制系统状态采集方法有两种，一种是由传感器直接获取；另一种是通过间接获取技术获得的。从电液控制系统的动态运动方程可以看出，阀口压力、阀口流量、阀芯位移和阀体温度是运动控制和故障诊断中最重要的状态变量。随着传感器技术和间接采集技术的发展，农机电液控制系统有望获得各个关键零部件完整状态信息，实现全面监测与远程控制[2]。

1.1 农机电液控制系统状态直接采集法

为了实现闭环控制或监测每个阀的状态，需要使用传感器来获取阀或电液控制系统中其他元件的状态。传感器有很多种类型，如压力传感器、流量传感器、位置传感器、污染传感器、颗粒物传感器等，可以为电液控制系统建立系统状态采集网络，实现控制功能和故障诊断功能。外部传感器通过现场总线、IO-Link、传感器管理器等多种通信方式将系统状态信息传输给阀门，使阀门成为具有传感功能的元件。然而，外部传感器给硬件安装、维护和维修带来了困难，也给电缆和通信发射机带来了额外的投入成本。

随着电子技术和材料技术的发展，现代传感器的小型化和集成化水平越来越高。许多制造商将各种传感器集成到阀门中，以提高阀门的状态采集能力。Atos AGMZO-RES在先导油口集成了一个压力传感器，以实现先导级阀的闭环压力控制。Eaton Axis Pro配备了集成的传感器适配板，获取每个端口的压力和T端口的温度，以提供过程控制和智能系统诊断。伊顿CMA 200系列在每个端口集成了内部膜压力传感器，实现每个端口独立的闭环压力控制。多个换向阀集成位移传感器采用线性变差变压器(LVDT)，具有良好的兼容性和便捷性，传感器的精度越高，尺寸越小，安装方式越好，阀门的状态采集能力逐渐提高，这是实现农机电液控制系统发智能化、现代化发展的必要条件。

1.2 农机电液控制系统状态间接采集法

采用直接采集的方法可以解决状态监测中的一些问题，如端口压力和阀体温度。但是，监测某些阀门的状态会带来额外的困难和成本，或者导致在农业生产中传感器的精度和采样率不能满足工作要求[3]。许多研究人员使用间接采集的方法来检测农机电液控制系统工作状态。

成熟的LVDT位移测量技术已广泛应用于农机电液控制系统中。然而，LVDT技术在先导比例阀先导级阀芯位移检测方面仍存在许多困难。很多研究集中在分析线圈的电流、电压和电感来估计阀芯的位移，后期逐渐提出了一种通过获取螺线管在大电流区域的电感增量来估计螺线管位置的方法，并通过硬件实现验证了该方法的有效性，解决了位置估计问题，在数字信号处理器(DSP)上实现了位置估计过程，并进行了实时计算。该方法适用于任何慢动单相磁阻运动装置；但是，位置估计的精度依赖于器件的电感—位置—电流特性。Braun等人提出了一种通过建立观测器来估计阀芯位移的方法，采用差动电感法来解决这个问题。对电磁阀电感与阀芯位移关系的分析方法进行了不同的修改，使之更准确、更快。间接排量采集技术可以弥补传感器的局限性，节约成本，提高阀门的状态采集能力。

2 农机电液控制系统管理与故障诊断方法

2.1 人机交互系统

农机工作需要建立一个覆盖整个生产过程的传感、测量和控制网络。因此，电液控制系统作为现代农业机械的重要控制部件，还需要具有压力、流量等信号的测量功能。同时，控制功能需要根据工作条件进行快速调试和集成，以及通过总线或以太网进行通信的快速信息交换。

2.1.1 基于CAN总线的通信模式

CAN总线技术使液压阀成为一个独立的控制元件，可实现工业现场的分散控制和集中管理。同时，电液压阀和电液压缸可以通过CAN总线形成分散独立的轴向控制器。CAN总线将电液阀及其压力、流量、位置传感器组成的通信单元与其他液压单元、电子单元和中央工业控制单元连接起来，形成数据交互网络。这样可以实现对整个农机电液控制系统的控制和基本信息的收集。

2.1.2 基于蓝牙的通信模式

在某些农机生产中，由于电液控制系统没有足够的空间放置通信电缆，需要将通信网络无线化。另一方面，无线通信网络可以方便工程师调试阀门和监测设备状态。针对无线通信网络的需求，一些企业已经发布了集成蓝牙的产品，如sun7904a24比例插装阀。HAWE RV2S-BT集成了蓝牙技术，使电液控制系统的控制、监控和管理更加方便、智能。

2.1.3 基于IO-Link的通信模式

不同农业生产方式与地理环境的CAN总线标准很多，这使得用户在一个项目中使用不同的通信接口连接传感器、执行器和阀门成为一个难点。IO-Link具有一个开放的生产标准，因此集成了IO-Link的产品几乎可以与任何使用不同CAN总线的设备连接，使这些产品更容易与其他具有独立控制系统的设备结合。但是，其只能实现点对点通信，没有IO-Link Master或IO-Link Hub，它不能将多个设备组合成一个通信网络。

2.1.4 人机交互软件

作为硬件基础，相关电液控制接口可以构建一个巨大的通信网络，在此基础上，用户可以使用ATOS Z-SW、Parker ProPxD、MOOG Valve和泵组态软件等PC软件远程、实时地控制、监测和管理电液控制系统。同时，该软件可以远程诊断一些系统故障，如通信故障、硬件故障、电源电压过载等。

2.2 智能故障诊断

农机电液控制系统的安全性、稳定性与可靠性是保障农业生产效率的重要基础[4]。随着统计数学工具的发展，利用数学工具可以定量计算农机电液控制系统的可靠性和稳定性。相关电液控制系统制造商已开始进行产品可靠性测试和故障诊断。目前，市场上的产品大多集中于一些简单故障的诊断，如电气故障和通信故障。在实际农业生产中，电液控制系统经常会遇到一些内部深层故障，导致传感器网络无法检测到这些故障。

2.2.1 电流控制系统故障诊断平台

Marco Münchhof等为农机电液控制系统建立了一个专门的故障诊断实验平台。在实际农业生产中，由于系统设计和个人操作失误，会导致农机电液控制系统出现故障，同时，没有合适的测量装置进行自动判别，无法监测阀门的运动状态和系统运行状态，只有在故障明显时才能检测到故障。因此，研究农机电液控制系统的智能故障诊断对于及时发现故障，防止系统失控具有重要意义。因此，如何从多传感器信号中提取故障特征并判断异常状态是故障诊断的研究重点与发展难点。根据故障诊断的理论和方法，电液控制系统领域常用的诊断方法可分为两类，基于数据的诊断方法和基于模型的诊断方法。

2.2.2 基于数据的故障诊断方法

基于数据的故障诊断方法通过各种数据分析方法挖掘数据中的隐藏信息，对故障进行预测;然而，大量数据的采集成本较高，数据的不确定性和不完全性会影响该方法的准确性。从实际应用来看，通过检测信号阈值来诊断故障是一种很实用的方法。一些电液阀产品，如伊顿公司的AxisPro，在电液控制系统安装传感器以提高状态采集能力，并采用数值阈值监测阀的运行状态。然后，检查阀门的状态量，看是否超过预设的阀值，从而进行故障诊断。

后期对该方法进行了推广，根据采集的大量数据，有效降低了故障诊断的阈值范围，对于特定比例阀，控制信号与阀芯位移之间的关系随工况的改变在一定范围内发生变化。如果出现故障，对应关系也会发生变化。当给出相同的控制信号时，执行器或阀芯位移会超过指定的阈值，可用于故障诊断。

2.2.3 基于模型的故障诊断方法

基于模型的故障诊断方法将故障特征与模型参数紧密联系起来，建立一个精确的数学模型。由于模型经过大量数据的验证，可以得到更精确的计算结果。同时，利用物理模型计算系统内部状态，有效降低了对模型修正数据的要求。图1模拟了模型故障诊断方法的工作原理。为了提高电液阀控制缸系统模型的精度，可以最小二乘法对模型进行实时补偿，也可将识别出的参数与正常工况下的参数进行比较，进行故障诊断。Samadani等也采用参数估计的方法识别电液伺服阀中电磁力放大系数和阀芯运动摩擦力。另一种直接方法是直接利用开环模型仿真与实际物理系统信号进行比较，通过得到的偏差进行故障诊断。由于缺乏保证模型无偏性的数学机制，该方法在建模过程中需要使用更为复杂的非线性模型，而且需要更多的数据来进行模型修正。

3 农机电液控制系统维修技术

由于农业机械在田间使用环境较为恶劣，农机电液控制系统各个零部件在配合过程中可能会出现松动、磨损、零件变形、疲劳及腐蚀等现象，为了维持农机电液控制系统在田间正常运行与延长寿命，应该对农业机械进行定期保养，对各个零部件进行清洁、检查、润滑、加紧、调整或及时更换已经磨损的零部件，检查各个零部件运行状态，保持农业机械相关系统处于稳定状态。当农机电液控制系统出现故障时，应该及时进行维修，首先注意对各个关键零部件是否存在裂隙进行检查，主要是将零部件浸泡在煤油中，检查是否有缝隙流油[5]。

图1 基于模型的故障诊断方法

4 结论

农机电液控制系统经历了从纯机械结构到机电液一体化的漫长发展历程，目前正与数字技术和各种通信技术相结合。农机电液控制系统具有智能状态获取信息、监测和在线诊断能力，并提供更有效的控制。本研究从传感器、执行器和电子控制器三个方面阐述了农机电液控制系统的硬件发展，提出高精度集成传感器和强大的计算数字控制器是未来农机电液控制系统的发展趋势。精确的模型构建和实验曲线拟合方法在间接状态感知方面取得了良好的效果，随着神经网络等新技术的逐渐发展及在农业生产中的广泛应用，间接状态获取方法的准确性和计算复杂度得到了显著提高。采用CAN总线、蓝牙、IO-Link等集成通信接口的电液控制系统，为农业生产物联网搭建硬件基础，再通过软件将控制系统的可视化状态传递给用户，最后，采用基于数据和模型的故障诊断方法，实现了电液控制系统内部故障的实时诊断，从而实现数字化、集成化、智能化发展，推动农机电液控制系统逐渐发展与稳步提升，研究结果对于提高农机电液控制系统的智能化与现代化发展提供技术借鉴与理论基础。

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