液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)及圖示化監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)及圖示化監(jiān)測(cè)方法，包括：1：分別采集機(jī)電液系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te、液壓泵輸出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm；2：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求變化率處理、去量綱化處理；3：對(duì)變化率進(jìn)行調(diào)幅處理；然后進(jìn)行李薩如圖繪制，通過繪制的李薩如圖獲得電機(jī)、液壓泵及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角；4：利用獲得的動(dòng)能剛度角繪制機(jī)電液系統(tǒng)的動(dòng)能剛度圓。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)變工況下液壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、性能可靠性的綜合評(píng)價(jià)問題，避免了單一信號(hào)評(píng)價(jià)的片面性等問題，經(jīng)具體實(shí)施驗(yàn)證，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】
液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)及圖示化監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷領(lǐng)域，設(shè)及一種基于動(dòng)能剛度分析的液 壓系統(tǒng)性能圖示化識(shí)別系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 液壓設(shè)備W其功率密度大、復(fù)雜工況適應(yīng)性強(qiáng)W及易于操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于 工程建設(shè)、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域。隨著液壓設(shè)備向大型、集成、高速、高壓方向發(fā) 展，極端工況下所凸顯的各種性能弱化現(xiàn)象已逐漸被國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注，尤其是液壓設(shè)備 在低速、高速、高壓等狀態(tài)下所表現(xiàn)的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、效率低下等問題已成為設(shè)備狀態(tài)監(jiān) 測(cè)、故障診斷、性能可靠性評(píng)價(jià)領(lǐng)域的亟待解決的問題。
[0003] 液壓設(shè)備作為典型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，其運(yùn)行過程伴隨著多能域中參數(shù)的相互禪合、 相互轉(zhuǎn)換W及非線性因素的強(qiáng)禪合作用，運(yùn)決定了液壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能評(píng)估的復(fù)雜性 W及故障類型的多樣性。設(shè)備在運(yùn)行過程中，其運(yùn)行狀態(tài)、性能可靠性等諸多信息蘊(yùn)含于系 統(tǒng)的多源信號(hào)中，如電機(jī)Ξ相電壓、電流、壓力、流量、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)信號(hào)等，而單一信號(hào) 不能全局的反映系統(tǒng)整體的性能，且不同信號(hào)對(duì)故障、性能的敏感程度不一，為了避免傳統(tǒng) 單一指標(biāo)評(píng)價(jià)方法的片面性，需要從多方位、多角度融合多源信息量，W獲取系統(tǒng)全面的性 能狀態(tài)指標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)及圖示化監(jiān)測(cè)方法，W解 決上述技術(shù)問題。本發(fā)明為液壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與可靠性評(píng)估提供一種圖示化檢測(cè)和分 析方法，W動(dòng)能剛度大小量化系統(tǒng)性能退化程度并作為衡量設(shè)備性能的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，為 液壓設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、性能可靠性評(píng)價(jià)W及早期故障預(yù)警控制提供圖示化、數(shù)據(jù)化科學(xué)指 標(biāo)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)調(diào)制與信息融合系統(tǒng)；
[0007] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:分別用于采集機(jī)電液系統(tǒng)中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te、液 壓累輸出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm的電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn) 矩傳感器、液壓累壓力傳感器、液壓累流量傳感器、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳 感器；
[000引信號(hào)調(diào)制與信息融合系統(tǒng)用于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩 Te、液壓累輸出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm進(jìn)行求變化率處理、信 號(hào)調(diào)制處理，然后進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制、液壓累流量剛度李薩如圖繪制和液壓 馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制，通過繪制的電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制、液壓累流量剛度李 薩如圖繪制、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖獲得電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角，最后 利用獲得的電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角繪制機(jī)電液系統(tǒng)的動(dòng)能剛度圓。
[0009] 進(jìn)一步的，求變化率處理包括W下步驟：W機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)的狀態(tài)S〇e {ne〇、Te〇、 9口〇、？。日、加日、1?日}值為基準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)電液系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)化{116、了6為、？。、血、1?}相對(duì)于空載狀 態(tài)的變化率:dS = ( S-So ) /So ; ; neO、TeO、QpO、PpO、nm日和Tm日分別為機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn) 速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓累輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。
[0010] 進(jìn)一步的，信號(hào)調(diào)制處理為選用單位幅值的正弦信號(hào)對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn) 速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓累輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的變化率進(jìn)行調(diào) 幅處理;得調(diào)幅信號(hào)為：
[0011]
(4)
[001 2]式中，Αε { We，Qp，ω。}，Βε {Te，Pp，Tm}，CG {ie，Up,Qm}其中，"e--電機(jī)輸出角 頻率；ωρ--油累輸出角頻率；COm-一油馬達(dá)輸出角頻率;ie--電機(jī)的輸入電流；
[OOU] 令0=料-俾，0為動(dòng)能信號(hào)與勢(shì)能信號(hào)載波的相位差，恥= Φα;令日=wt+ife，得：
[0021] 在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，由式(7)、（8)繪制電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖、液壓累流量剛度 李薩如圖、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖；李薩如圖包括過原點(diǎn)的兩條直線，分別稱為逆向剛 度線與正向剛度線，逆向剛度線、正向剛度線與水平坐標(biāo)軸的夾角稱為動(dòng)能剛度角。
[0022] 進(jìn)一步的，電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的剛度角大小分別為^?、(。、("，得方程組(9);
[0023]
(9)
[0024] 在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)，式(9)所繪制的同屯、圓稱為動(dòng)能剛度圓；式中，Cme {α"，齡}，ζρ e {αρ,βρ}，Cme {amA};其中，Qm為電機(jī)的正向動(dòng)能剛度角，βΜ為電機(jī)的逆向動(dòng)能剛度角;αρ 為液壓累的正向動(dòng)能剛度角，化為液壓累的逆向動(dòng)能剛度角;am為液壓馬達(dá)的正向動(dòng)能剛度 角，為液壓馬達(dá)的逆向動(dòng)能剛度角。
[0025] 液壓設(shè)備動(dòng)能剛度圖示化監(jiān)測(cè)方法，包括W下步驟：
[0026] 步驟1:分別采集機(jī)電液系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te、液壓累輸 出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm;
[0027] 步驟2:對(duì)步驟1采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求變化率處理；
[0028] 步驟3:對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓累輸出流量、壓力、液壓馬 達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的變化率進(jìn)行調(diào)幅處理;然后進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪 審IJ、液壓累流量剛度李薩如圖繪制和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制，通過繪制的電機(jī)轉(zhuǎn) 速剛度李薩如圖繪制、液壓累流量剛度李薩如圖繪制、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖獲得電 機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角；
[0029] 步驟4:利用獲得的電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角繪制機(jī)電液系統(tǒng)的動(dòng)能 剛度圓。
[0030] 進(jìn)一步的，步驟1中采用電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳感器、液壓累壓力傳感器、液 壓累流量傳感器、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器分別采集機(jī)電液系統(tǒng)運(yùn)行過 程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te、液壓累輸出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm和液 壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm。
[0031] 進(jìn)一步的，步驟2中求變化率處理包括W下步驟機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)的狀態(tài)S〇e 相〇、了6日為日、？。日、血日、1?日}值為基準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)電液系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)化{116、了6、9。、？。、加、1?}相對(duì) 于空載狀態(tài)的變化率地=(5-5日)/5日；；116日、了6日為日、？。日、血日和1?日分別為機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)電 機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓累輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。
[0032] 進(jìn)一步的，步驟3中信號(hào)調(diào)制處理為選用單位幅值的正弦信號(hào)對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的電 機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓累輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的變化 率進(jìn)行調(diào)幅處理;得調(diào)幅信號(hào)為：
[0033]
(4)
[0034] 式中，Αε { We，Qp，ω。}，BG {Te，Pp，Tm}，CG {ie，Up,Qm}其中，ω e--電機(jī)輸出角 頻率；ωρ--油累輸出角頻率；COm-一油馬達(dá)輸出角頻率;ie--電機(jī)的輸入電流；
[003引令r=料-押，餐為動(dòng)能信號(hào)與勢(shì)能信號(hào)載波的相位差，恥= Φα;令日=wt+ife，得：
[0039]當(dāng)載波信號(hào)的相位差口=180°時(shí)，由式(6)得：
[0043] 在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，由式(7)、（8)繪制電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖、液壓累流量剛度 李薩如圖、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖；李薩如圖包括過原點(diǎn)的兩條直線，分別稱為逆向剛 度線與正向剛度線，逆向剛度線、正向剛度線與水平坐標(biāo)軸的夾角稱為動(dòng)能剛度角。
[0044] 進(jìn)一步的，步驟4中，電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的剛度角大小分別為(《向、（"，得方 程組(9);
[0045]
(9)
[0046] 在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)，式(9)所繪制的同屯、圓稱為動(dòng)能剛度圓；式中，Cme {α"，齡}，ζρ e {αρ,βρ}，Cme {amA};其中，Qm為電機(jī)的正向動(dòng)能剛度角，βΜ為電機(jī)的逆向動(dòng)能剛度角;αρ 為液壓累的正向動(dòng)能剛度角，化為液壓累的逆向動(dòng)能剛度角;am為液壓馬達(dá)的正向動(dòng)能剛度 角，為液壓馬達(dá)的逆向動(dòng)能剛度角。
[0047] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有W下有益效果：
[004引（1)本發(fā)明W動(dòng)能剛度作為液壓設(shè)備的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，將系統(tǒng)的運(yùn)行性能及性能 可靠性評(píng)價(jià)統(tǒng)一于剛度，通過建立剛度的圖示化在線監(jiān)(檢)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)液壓設(shè)備的運(yùn)行狀 態(tài)監(jiān)測(cè)及可靠性安全保障的評(píng)價(jià)與控制。
[0049] (2)根據(jù)本發(fā)明形成的基于信號(hào)調(diào)制的李薩如圖信息融合方法，通過結(jié)合信號(hào)調(diào) 制技術(shù)，將抽象的動(dòng)能剛度量化問題轉(zhuǎn)化為為直觀的圖形化表示方法，根據(jù)李薩如圖圖形 特征的大小，衡量系統(tǒng)動(dòng)能剛度的大??；W圖形特征的變化規(guī)律，分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
[0050] (3)根據(jù)本發(fā)明形成的動(dòng)能剛度圓，能夠分析變工況下機(jī)、電、液各子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)匹 配特性，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各子系統(tǒng)間的能量傳遞性能，對(duì)整體設(shè)備的性能可靠性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)液 壓設(shè)備的自適應(yīng)控制W及早期故障預(yù)警具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0051] 圖1是基于信號(hào)調(diào)制的李薩如圖信息融合方法的在線監(jiān)測(cè)原理圖；
[0052] 圖2是動(dòng)能剛度李薩如圖；
[0053] 圖3是動(dòng)能剛度圓圖；
[0054] 圖4是液壓實(shí)驗(yàn)裝置原理圖；
[0化5] 圖5是電機(jī)拖動(dòng)液壓系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)速82化/min,變載3.34MPa~11.29MPa~3.34MPa全 過程，動(dòng)能剛度李薩如圖與動(dòng)能剛度圓的變化過程圖；
[0056]圖6是變載工況下機(jī)電液系統(tǒng)動(dòng)能剛度角的變化規(guī)圖律；
[0化7] 圖7是電機(jī)拖動(dòng)液壓系統(tǒng)變轉(zhuǎn)速21化/min~1560;r/min~21化/min全過程，動(dòng)能剛 度李薩如圖與動(dòng)能剛度圓的變化過程圖；
[005引圖8是變轉(zhuǎn)速工況下機(jī)電液系統(tǒng)動(dòng)能剛度角的變化規(guī)律圖。
[0059] 其中：1.散熱器;2-1.截止閥；2-2.截止閥；3.柱塞馬達(dá);4.測(cè)速齒盤;5.減速箱;6. 磁粉制動(dòng)器;7.電流變換器;8.磁電式轉(zhuǎn)速傳感器;9.電磁換向閥；10.壓力、流量組合傳感 器；11.單向閥；12.先導(dǎo)式電磁溢流閥；13.變頻電機(jī)；14.齒輪累；15.濾油器；16.溫度傳感 器;17.霍爾電壓電流傳感器;18.伺服控制器;19. A/D轉(zhuǎn)換器;20.工控機(jī);21. D/A轉(zhuǎn)換器。
【具體實(shí)施方式】
[0060] (1)動(dòng)能剛度原理
[0061] 液壓設(shè)備的實(shí)際輸出動(dòng)能受動(dòng)力源及負(fù)載輸入影響，在相同的負(fù)載激擾輸入下， 系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)不同，則實(shí)際外部輸出特性不同，將系統(tǒng)動(dòng)能抵抗外部激擾的能力定義為動(dòng) 能剛度。根據(jù)激擾源的不同，動(dòng)能剛度可分為正向剛度和逆向剛度兩部分。正向剛度為系統(tǒng) 動(dòng)能抵抗動(dòng)力源輸入變化的能力;逆向剛度為系統(tǒng)動(dòng)能抵抗負(fù)載變化的能力。
[0062] 液壓設(shè)備在運(yùn)行過程中伴隨著勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)功率鍵合圖理論，廣 義勢(shì)變量包括:電壓、壓力、轉(zhuǎn)矩;廣義流變量包括:電流、壓力、轉(zhuǎn)速。由此，系統(tǒng)正向動(dòng)能剛 度、反向動(dòng)能剛度數(shù)值上可表示為：
[0063]
(1)
[0064] 式中，τ--廣義勢(shì)變量;U--廣義流變量;Τ一一系統(tǒng)輸出動(dòng)能。
[0065] 液壓系統(tǒng)的全局動(dòng)能剛度由各個(gè)子系統(tǒng)的局部動(dòng)能剛度組成，包括電機(jī)（內(nèi)燃機(jī)） 的轉(zhuǎn)速剛度、液壓累的流量剛度W及液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速剛度。各子系統(tǒng)的局部正向動(dòng)能剛度 可表不為：
[0066]
(2)
[0067] 式中，ie-一電機(jī)的輸入電流;ne--電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速;np-一累的輸入轉(zhuǎn)速;Qp-一 累輸出流量;Qm--馬達(dá)的輸入流量;nm--馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速。
[0068] 局部逆向動(dòng)能剛度可表示為：
[0069]
[0070] 式中，Te-一電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;Pp-一累輸出壓力;Tm-一馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩。
[0071] (2)基于信號(hào)調(diào)制的李薩如圖信息融合方法
[0072] 選用單位幅值的正弦信號(hào)對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩W及壓力、流量信號(hào)的變化 率進(jìn)行調(diào)幅處理，則可得調(diào)幅信號(hào)為：
[0073]
(4
[0074] 式中，Ae { We，Qp，ω。}，Be {Te，Pp，Tm}，Ce {ie, Wp，Qm}其中，ω e--電機(jī)輸出角 頻率；ωρ--油累輸出角頻率；Wm--油馬達(dá)輸出角頻率;Φα、Φβ、Φε--各信號(hào)初始相位；
[007引令(6=狗-俾，Ρ為動(dòng)能信號(hào)與勢(shì)能信號(hào)載波的相位差，恥=板。令α= cot+ih，則可 得：
[0083] 在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，由式(7)、（8)繪制的李薩如圖均為過原點(diǎn)的直線，分別稱為 逆向剛度線與正向剛度線，直線與水平坐標(biāo)軸的夾角稱為動(dòng)能剛度角。由此繪制的李薩如 圖統(tǒng)稱為動(dòng)能剛度李薩如圖。
[0084] (3)動(dòng)能剛度圓
[0085] 設(shè)在液壓系統(tǒng)中，電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角大小分別為(Μ、ζρ、ζη，βυ 可得如下方程組：
[0086]
巧）
[0087] 在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)，式（9)所繪制的同屯、圓稱為動(dòng)能剛度圓；Sm為電機(jī)動(dòng)能剛度 圓；Sp為液壓累動(dòng)能剛度圓；Sm為液壓馬達(dá)動(dòng)能剛度圓。
[0088] 請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信 號(hào)調(diào)制與信息融合系統(tǒng)。
[0089] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:用于分別采集機(jī)電液系統(tǒng)中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te、液 壓累輸出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm的電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn) 矩傳感器、液壓累壓力傳感器、液壓累流量傳感器、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳 感器。
[0090] 信號(hào)調(diào)制與信息融合系統(tǒng)用于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩 Te、液壓累輸出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm進(jìn)行求變化率處理、 理、信號(hào)調(diào)制處理，然后進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制、液壓累流量剛度李薩如圖繪制、 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制，通過繪制的電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制、液壓累流量剛 度李薩如圖繪制、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖獲得電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角， 最后利用獲得的電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角繪制機(jī)電液系統(tǒng)的動(dòng)能剛度圓。
[0091] 本發(fā)明一種液壓設(shè)備動(dòng)能剛度圖示化監(jiān)測(cè)方法，包括W下步驟：
[0092] 步驟1:如圖1所示，用機(jī)械轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳感器，流體流量和壓力傳感器分別采集機(jī) 電液系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速ne、電機(jī)轉(zhuǎn)矩Te、液壓累輸出流量Qp、壓力Pp、液壓馬達(dá) 輸出轉(zhuǎn)速nm、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D采樣后，將實(shí)時(shí)狀態(tài)信息上傳至信號(hào)調(diào)制 與信息融合系統(tǒng)中；
[0093] 步驟2: W機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)的狀態(tài)So e {neO、TeO、QpO、PpO、nmo、TmO}值為基準(zhǔn)，計(jì)算 機(jī)電液系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)化相、了6為、？。、11。、1?}相對(duì)于空載狀態(tài)的變化率，即：(15=(5-5〇)/5〇， 完成系統(tǒng)狀態(tài)量的求變化率計(jì)算過程;neO、TeO、QpO、PpO、nm日和Tm日分別為機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)電 機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓累輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩；
[0094] 步驟3:選用單位幅值的正弦信號(hào)對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓 累輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的變化率進(jìn)行調(diào)幅處理，則可得調(diào)幅 信號(hào)如式(4)所示。令f=料-仲，為動(dòng)能信號(hào)與勢(shì)能信號(hào)載波的相位差，恥= Φα。當(dāng)載波信 號(hào)的相位差巧=180°時(shí)，可得逆向剛度線表達(dá)式如式(7)所示，同理，可得正向剛度線如式(8) 所示。在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，由式(7)、（8)繪制的李薩如圖均為過原點(diǎn)的直線，如圖2所示， 其傾角大小正比于逆向剛度與正向剛度的大小。逆向剛度線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角0增大，則動(dòng)能 剛度增大，反之減小;正向剛度線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角α增大，則動(dòng)能剛度增大，反之減??；
[00%]步驟4:設(shè)在機(jī)電液系統(tǒng)中，電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角大小分別為Cm、 ζp、ζm，可得方程組(9)。式中，ζMε{αM，βM}，ζpε{αp，?3p}，ζme{αm，βm};
[0096] 其中，Qm為電機(jī)的正向動(dòng)能剛度角，拉1為電機(jī)的逆向動(dòng)能剛度角；αρ為液壓累的正 向動(dòng)能剛度角，化為液壓累的逆向動(dòng)能剛度角;am為液壓馬達(dá)的正向動(dòng)能剛度角，為液壓 馬達(dá)的逆向動(dòng)能剛度角。
[0097] W電機(jī)的動(dòng)能剛度圓繪制為例，詳述動(dòng)能剛度圓的繪制過程。選用單位幅值的正 弦信號(hào)與余弦信號(hào)對(duì)電機(jī)動(dòng)能剛度角ζΜ進(jìn)行調(diào)幅處理，可得：
[0101] 式（11)即為半徑為電機(jī)的動(dòng)能剛度角大小的圓。同理可得液壓累、液壓馬達(dá)的動(dòng) 能剛度圓，即為：
[0102]
(12)
[0103] 在笛卡爾坐標(biāo)系中，式（12)所繪制的即為動(dòng)能剛度圓圖，如圖3所示。圓的面積代 表子系統(tǒng)的動(dòng)能剛度大小，圓環(huán)面積代表子系統(tǒng)間的動(dòng)能剛度損失。圓環(huán)面積越大，則所代 表的子系統(tǒng)動(dòng)能剛度越大。圓環(huán)面積越小，則動(dòng)能剛度損失越小，子系統(tǒng)間的連接越趨近于 剛性，能量傳遞過程中因動(dòng)能改變而產(chǎn)生的損失越小，系統(tǒng)動(dòng)力源與負(fù)載間的動(dòng)態(tài)匹配性 越好。
[0104] 本方法的具體實(shí)施所依托的機(jī)電液系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖4所示。主要包括:變頻 電機(jī)拖動(dòng)液壓累作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)磁粉制動(dòng)器作為加載裝置； 并具有電流、電壓傳感器，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器及壓力、流量傳感器。
[01化]實(shí)施例1:變載荷工況
[0106] 變載荷工況下，動(dòng)力源輸入轉(zhuǎn)速恒定，系統(tǒng)動(dòng)能剛度主要受逆向剛度的影響。設(shè)定 電機(jī)轉(zhuǎn)速為82化/min,控制輸入磁粉制動(dòng)器的輸入電流，使馬達(dá)輸出軸上的摩擦力矩斜坡 變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)際變載荷工況，系統(tǒng)壓力由3.34MPa~11.29MPa~3.34MPa斜坡變化?？傻脵C(jī)電 液子系統(tǒng)動(dòng)能剛度李薩如圖及動(dòng)能剛度圓的變化過程如圖4所示，變載工況下的動(dòng)能剛度 角的變化規(guī)律如圖5所示。
[0107] 變載工況下，負(fù)載變化所產(chǎn)生的影響，由液壓馬達(dá)端至動(dòng)力源端逆向傳遞，各子系 統(tǒng)的動(dòng)能剛度逆向依次遞增。電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)伺服控制器閉環(huán)控制，負(fù)載的變化不會(huì)引起電機(jī) 轉(zhuǎn)速剛度角產(chǎn)生較大變化。隨著液壓系統(tǒng)壓力的升高，累與馬達(dá)的泄漏量增大，能量損失加 劇，動(dòng)能剛度圓環(huán)面積增大。圖4、圖5所示的實(shí)施結(jié)果符合液壓設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。
[010引實(shí)施例2:變轉(zhuǎn)速工況
[0109] 變轉(zhuǎn)速工況下，負(fù)載恒定，系統(tǒng)動(dòng)能剛度主要受正向剛度影響?？刂扑欧刂破鞯?輸入電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速由21化/min~1560r/min~21化/min呈斜坡函數(shù)規(guī)律變化，磁粉制動(dòng) 器的輸入電流恒定。可得機(jī)電液子系統(tǒng)動(dòng)能剛度李薩如圖及動(dòng)能剛度圓的變化過程如圖6 所示，變轉(zhuǎn)速工況下的動(dòng)能剛度角的變化規(guī)律如圖7所示。
[0110] 變轉(zhuǎn)速工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化所產(chǎn)生的影響，由動(dòng)力源至液壓馬達(dá)端正向傳遞，各 子系統(tǒng)動(dòng)能剛度正向遞增。隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的逐漸升高，液壓累和馬達(dá)的容積效率提高，油液迅 速壓縮，能量損失減小，動(dòng)能剛度損失減小，圓環(huán)面積減小。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速時(shí)，油液粘 性阻尼及機(jī)械阻尼增大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高，液壓系統(tǒng)泄漏量增大，累和馬達(dá)動(dòng)能剛度角變 化緩慢。圖6、圖7所示的規(guī)律與理論分析一致。
[0111] 本發(fā)明中，在相同的激擾輸入下，系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)不同，則實(shí)際外部輸出特性不同， 將系統(tǒng)動(dòng)能抵抗外部激擾的能力，根據(jù)激擾源的不同，動(dòng)能剛度可分為正向剛度和逆向剛 度兩部分。其中，正向剛度為系統(tǒng)動(dòng)能抵抗動(dòng)力源輸入變化的能力;逆向剛度為系統(tǒng)動(dòng)能抵 抗負(fù)載變化的能力。針對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)能剛度表達(dá)式為：
[0112]
[0113]液壓系統(tǒng)全局剛度包括電機(jī)的轉(zhuǎn)速剛度、液壓累的流量剛度W及馬達(dá)的轉(zhuǎn)速剛 度。各子系統(tǒng)的局部正向剛度可表示為：
[0117]本發(fā)明中，動(dòng)能剛度、信號(hào)調(diào)制與信息融合技術(shù)結(jié)合，通過圖形特征的大小及變化 進(jìn)行衡量，W此形成基于信號(hào)調(diào)制的李薩如圖信息融合方法。該方法選用單位幅值的正弦 信號(hào)對(duì)液壓設(shè)備的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩W及壓力、流量信號(hào)的變化率進(jìn)行調(diào)幅處理，當(dāng)載波信號(hào)的相 位差φ=180"時(shí)，可在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，繪制李薩如圖，并均為過原點(diǎn)的直線，分別成為逆 向剛度線與正向剛度線。由此繪制的李薩如圖統(tǒng)稱為動(dòng)能剛度李薩如圖。其表達(dá)式為：
[011 引
[0119]
[0120] 本發(fā)明可引申為動(dòng)能剛度圓，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)匹配關(guān)系進(jìn)行描 述。若在液壓設(shè)備中，電機(jī)、液壓累及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角大小分別為(1?、(。、("，則可得如 下方程組：
[0121]
[0122] 在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)，所繪制的同屯、圓稱為動(dòng)能剛度圓。
[0123] 本發(fā)明中，結(jié)合信號(hào)調(diào)制與信息融合技術(shù)所融合成的李薩如圖，W及動(dòng)能剛度圓， 通過圖形特征-傾角衡量動(dòng)能剛度的大小及變化規(guī)律，并W此圖示化方法針對(duì)液壓設(shè)備運(yùn) 行狀態(tài)、性能可靠性進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)調(diào)制與信息融 合系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括:分別用于采集機(jī)電液系統(tǒng)中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩W夜壓栗 輸出流量4、壓力PP、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm的電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳 感器、液壓栗壓力傳感器、液壓栗流量傳感器、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感 器； 信號(hào)調(diào)制與信息融合系統(tǒng)用于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速&、電機(jī)轉(zhuǎn)矩W夜 壓栗輸出流量QP、壓力PP、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩!^進(jìn)行求變化率處理、信號(hào)調(diào) 制處理，然后進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制、液壓栗流量剛度李薩如圖繪制和液壓馬達(dá) 轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制，通過繪制的電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制、液壓栗流量剛度李薩如 圖繪制、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖獲得電機(jī)、液壓栗及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角，最后利用 獲得的電機(jī)、液壓栗及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角繪制機(jī)電液系統(tǒng)的動(dòng)能剛度圓。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，求變化率處理包括 以下步驟：以機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)的狀態(tài)So e {ne3Q、Tm、QP〇、PpQ、nmQ、T mQ}值為基準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)電液 系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)陽{11(3、1\34、？ 1)、1^、1^}相對(duì)于空載狀態(tài)的變化率:(13=(3-3())/3();;11 (3()、1'(3〇、 QP〇、PpQ、nmQ和TmQ分別為機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓栗輸出流量、壓力、 液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，信號(hào)調(diào)制處理為選 用單位幅值的正弦信號(hào)對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓栗輸出流量、壓力、 液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的變化率進(jìn)行調(diào)幅處理;得調(diào)幅信號(hào)為：式中，Ae{c〇e，Qp，c〇m}，Be{Te，Pp，Tm}，Ce{i e，c〇p，Qm}其中，c〇e--電機(jī)輸出角頻率； ωΡ--油栗輸出角頻率；ω??--油馬達(dá)輸出角頻率;ie--電機(jī)的輸入電流； 令-牌，為動(dòng)能信號(hào)與勢(shì)能信號(hào)載波的相位差，Φ? = φΑ;令α = ω t+ΦΒ，得：由式(5)得：當(dāng)載波信號(hào)的相位差Ρ=18〇°時(shí)，由式(6)得：同理得：在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，由式(7 )、（8)繪制電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖、液壓栗流量剛度李薩 如圖、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖；李薩如圖包括過原點(diǎn)的兩條直線，分別稱為逆向剛度線 與正向剛度線，逆向剛度線、正向剛度線與水平坐標(biāo)軸的夾角稱為動(dòng)能剛度角。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的液壓設(shè)備動(dòng)能剛度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，電機(jī)、液壓栗及液 壓馬達(dá)的剛度角大小分別為ζΜ、ζΡ、ζ?，得方程組(9);在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)，式(9)所繪制的同心圓稱為動(dòng)能剛度圓；式中，GmG {cxm，0m}，ζρG {αΡ，βρ}，Gme {am，0m};其中，αΜ為電機(jī)的正向動(dòng)能剛度角，βΜ為電機(jī)的逆向動(dòng)能剛度角;α Ρ為 液壓栗的正向動(dòng)能剛度角，βρ為液壓栗的逆向動(dòng)能剛度角;am為液壓馬達(dá)的正向動(dòng)能剛度 角，K為液壓馬達(dá)的逆向動(dòng)能剛度角。5. 液壓設(shè)備動(dòng)能剛度圖示化監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:分別采集機(jī)電液系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速電機(jī)轉(zhuǎn)矩W夜壓栗輸出流 量％、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩Tm; 步驟2:對(duì)步驟1采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求變化率處理； 步驟3:對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓栗輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸 出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的變化率進(jìn)行調(diào)幅處理;然后進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制、液 壓栗流量剛度李薩如圖繪制和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖繪制，通過繪制的電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度 李薩如圖繪制、液壓栗流量剛度李薩如圖繪制、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖獲得電機(jī)、液壓 栗及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角； 步驟4:利用獲得的電機(jī)、液壓栗及液壓馬達(dá)的動(dòng)能剛度角繪制機(jī)電液系統(tǒng)的動(dòng)能剛度 圓。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的液壓設(shè)備動(dòng)能剛度圖示化監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟1中采 用電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳感器、液壓栗壓力傳感器、液壓栗流量傳感器、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn) 速傳感器和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩傳感器分別采集機(jī)電液系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n e、電機(jī) 轉(zhuǎn)矩I、液壓栗輸出流量％、壓力Pp、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩T m。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的液壓設(shè)備動(dòng)能剛度圖示化監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟2中求 變化率處理包括以下步驟：以機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)的狀態(tài)S〇e{ neQ、Te()、QP()、PP()、nm()、T m()：mS 基準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)電液系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)S e {ne、Te、QP、Pp、nm、T m}相對(duì)于空載狀態(tài)的變化率:(15=(5-So) /So; ; ne〇、TeO、QpO、PpO、nm〇和TmO分另|J為機(jī)電液系統(tǒng)空載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓栗 輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的液壓設(shè)備動(dòng)能剛度圖示化監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟3中信 號(hào)調(diào)制處理為選用單位幅值的正弦信號(hào)對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、液壓栗 輸出流量、壓力、液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩的變化率進(jìn)行調(diào)幅處理;得調(diào)幅信號(hào) 為：式中，Ae{c〇e，Qp，c〇m}，Be{Te，Pp，Tm}，Ce{i e，c〇p，Qm}其中，c〇e--電機(jī)輸出角頻率； ωΡ--油栗輸出角頻率；ω??--油馬達(dá)輸出角頻率;ie--電機(jī)的輸入電流； 令穸=-P為動(dòng)能信號(hào)與勢(shì)能信號(hào)載波的相位差，Ik = Φα;令α = ω t+ΦΒ，得：當(dāng)載波信號(hào)的相位差供=18〇°時(shí)，由式(6)得：在笛卡爾坐標(biāo)平面內(nèi)，由式(7 )、（8)繪制電機(jī)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖、液壓栗流量剛度李薩 如圖、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速剛度李薩如圖；李薩如圖包括過原點(diǎn)的兩條直線，分別稱為逆向剛度線 與正向剛度線，逆向剛度線、正向剛度線與水平坐標(biāo)軸的夾角稱為動(dòng)能剛度角。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的液壓設(shè)備動(dòng)能剛度圖示化監(jiān)測(cè)方法法，其特征在于，步驟4中， 電機(jī)、液壓栗及液壓馬達(dá)的剛度角大小分別為ζΜ、ζρ、ζη，得方程組(9);在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)，式(9)所繪制的同心圓稱為動(dòng)能剛度圓；式中，GmG {cxm，0m}，ζρG {αΡ，βρ}，Gme {am，0m};其中，αΜ為電機(jī)的正向動(dòng)能剛度角，βΜ為電機(jī)的逆向動(dòng)能剛度角;α Ρ為 液壓栗的正向動(dòng)能剛度角，βρ為液壓栗的逆向動(dòng)能剛度角;am為液壓馬達(dá)的正向動(dòng)能剛度 角，K為液壓馬達(dá)的逆向動(dòng)能剛度角。
【文檔編號(hào)】F15B19/00GK105927614SQ201610383500
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日
【發(fā)明人】谷立臣, 楊彬, 孫昱
【申請(qǐng)人】西安建筑科技大學(xué)