工程机械液压系统故障排除方法综合分析
工程机械的液压系统主要包括液压泵、液力变矩器
2022-02-08
1. 液压系统故障特征
工程机械的液压系统主要包括液压泵、变矩器、控制阀、液压马达和油缸（执行器）、变速箱以及动力换挡阀。其故障通常表现为行走和执行机构的动作无力、缓慢、振动或过热，液压离合器接合不良，以及液压活塞不能正常伸缩。这些故障的原因主要在于液压系统或其部件的故障。此类故障通常表现为液压系统内部压力、流量和温度的变化。工程机械液压系统的故障特征具有以下五个特点：
第一，故障点隐蔽性强。工程机械液压装置的故障常发生于系统内部，加之施工现场检查条件差，难以直接检测，使得故障分析和判断具有挑战性。
第二，液压系统故障判断复杂。工程机械液压系统中的故障表现与故障点之间的关系相当复杂；一种故障现象可能由多个重叠的故障点引起。单一的故障症状可能源于多种原因，而一个故障源可能导致多种液压症状。
第三，相关因素的随机性强。在运行过程中，工程机械液压系统常受多种因素影响；因此，故障的发生和发展往往具有不确定性，使得判断和定量分析变得困难。
第四，故障分布分散。由于设计、材料、加工方法和工作环境的显著差异，工程机械中各种液压元件的磨损率可能差异很大。因此，在如此复杂的条件下，所谓的“液压元件寿命标准”只能作为参考，而不能作为诊断和分析工程机械液压元件故障的主要依据。
第五，机电液耦合特性存在差异。工程机械通常将机械系统与电子和液压装置集成到一个综合系统中；因此，其故障往往是由于子系统之间复杂的耦合作用造成的，这使得液压元件的故障监测和诊断变得非常具有挑战性。
2. 故障监测与诊断技术分类
所谓工程机械液压系统的故障监测与诊断，是指利用现代技术手段和仪器，检测液压系统内部的温度、压力、流量等基本参数，以及液压马达和油缸等执行器的油液状况（包括速度、噪声、泄漏），从而全面评估液压系统的运行状态，进而推断其部件的工作状态和损坏情况。
根据涉及对象的不同，工程机械液压系统故障监测与诊断技术主要有两种：一种是油液污染监测与诊断；另一种是对整个液压系统本身的监测与诊断。在这些系统的运行过程中，可能会发生局部油液泄漏，导致部分油液污染，这会影响运行效率甚至导致故障。监测油液污染可以帮助诊断此类问题。
工程机械液压系统内不同功能的实现需要多个部件协同工作；如果一个或多个部件在运行中发生故障，将不可避免地影响整体性能。通过对这些设备采用故障监测与诊断技术，可以及时发现工程机械液压系统内存在的问题，从而确保可靠运行。
一旦工程机械液压系统发生故障，现场工作人员可以采取多种方法快速定位故障点并解决问题：首先是观察法，这是最简单的方法，工作人员通过听、闻、触摸、看等方式检查部件，区分正常运行噪声和故障噪声，以及气味、振动、温度、颜色等变化，从而识别变形、松动、泄漏、破裂等问题。
“观察法”简单可靠，特别适用于工作现场缺乏必要工具或仪器的情况；第二种方法是操作调整诊断法，当出现问题时，经验丰富的人员可以将设备当前状态与正常运行条件进行比较，根据操作中观察到的差异确定故障的类型和位置。
这种诊断方法可以在空载条件下进行，但要求操作人员具备高水平技能；第三，比较或替换检查法，当设备在没有测试仪器的情况下出现故障时，专业人员可以比较两台相同机器的工作状态或更换可疑故障部件，从而直接识别问题区域，尽管这种方法面临寻找相同设备、拆卸困难等限制。
3. 故障监测与诊断技术现状
(1) 国际现状
以欧美等发达国家为代表的众多国外机构已对工程机械的信息技术智能化应用进行了广泛研究并付诸实践。例如，卡特彼勒公司（Caterpillar Inc.）已在许多重型设备上安装了GIS（地理信息系统）、GPS（全球定位系统）、GSM（全球移动通信系统）和METS（采矿土方运输系统）。METS主要由三部分组成：CAES（计算机辅助土方系统）、VMS（生命管理系统）和CAESoffice（CAES专有办公软件），具有无线电通信、设备检测、早期预警诊断、作业管理、自动化控制等功能。
卡特彼勒（Caterpillar）在20世纪90年代开发了F系列和G系列装载机，配备了CMS（计算机监控系统），取代了其上一代E系列EMS（电子监控系统）。
F系列和G系列装载机配备了电子计算机系统，能够同时监测发动机燃油液位、水温、变速箱温度和液压油温度，同时提供诊断功能，并提供三级警报。
其中，Cat992G装载机的电子计算机系统监测并诊断各种参数，将数据无线传输回办公室进行记录分析；Cat950G装载机则配备了卡特（Cat）计算机监控诊断系统，提供指导性诊断软件包和维护工具。
Cat994D装载机安装了VMS（生命管理系统），进一步增强了其监控诊断能力，可在LCD屏幕上显示错误信息及原因，同时提供三级警报信号，指示发动机、液压、电气和电子状态。
瑞典沃尔沃公司（Volvo）生产的L系列装载机也配备了基于Matris软件的计算机技术，用于监控和分析发动机、液压系统以及关键运行状态，并提供人机交互和自动诊断显示。
(2) 国内现状
相比之下，我国工程机械故障检测与诊断技术相对落后。进入21世纪以来，许多国内研究机构加大了对工程机械电子监控、故障监控与诊断的理论研究和实践探索。例如，华中科技大学的贺令松和杨淑子总结了国内外基于互联网的设备故障远程诊断的研究现状和关键技术问题；哈尔滨工业大学的邢松寅从发展背景、概念内涵、关键技术、应用前景和发展趋势等方面介绍了CSCW（计算机支持协同工作）在工程机械故障监测与诊断领域的应用。
为提高工程机械的可靠性，国内领先的设计和制造企业（如柳工、徐工、三一重工等）已开始尝试开发工程机械电子监控系统，以监测和记录工程机械的运行状态。这些系统基于计算机和互联网技术，提供初步的故障监控和诊断服务功能。只要用户激活远程服务系统，无论工程机械位于世界何处，制造商的专家都可以随时对其进行监控，并为故障机器提供咨询服务。
三一重工（SANY Heavy Industry）基于GPS、GPRS（无线通信技术）和GIS（地理信息技术）开发的工程机械智能远程监控平台已广泛应用于其正流量液压挖掘机等产品中，性能指标达到国际标准。
4. 未来发展趋势
随着机电一体化技术的不断发展，计算机和数据处理技术正逐步与网络和通信技术融合。工程机械液压系统的故障检测与诊断技术也正从纯粹的主观分析向多个新方向演进。
(1) 虚拟化
随着计算机技术的不断进步，相关的软件技术和微电子技术也在不断更新。虚拟仪器技术作为一种新型技术，已逐渐应用于各种类型的工程机械。该技术灵活开放；用户可以对软件进行适当的更改以实现新功能。
(2) 高精度
对于工程机械中的液压系统，信号通常是非线性、突变和瞬态的。因此，传统的时域和频域分析仅适用于稳态信号，无法揭示其中的故障信息。这就需要一种能够同时表示时域和频域信号的方法。计算机技术和大数据技术的持续发展很好地满足了这一要求，同时显著提高了信号处理分辨率。
(3) 基于状态
将传感器技术、计算机技术、红外测温技术、超声波技术引入工程机械液压系统的监测和诊断领域，可以有效解决液体流经管道时由流量、压力、噪声等综合载波信号产生的滞后流信号的跟踪问题。这使得液压系统内部的动态参数能够进行实时在线监测，同时避免了工程机械液压系统“拆卸检查”带来的问题；从而有效解决了“维护不足”与“过度维护”之间的矛盾。
(4) 智能化
知识工程、专家系统、人工神经网络等人工智能技术在工程机械液压系统监测与诊断领域的应用，可以有效解决液压系统内部故障隐蔽、原因复杂多样导致故障诊断严重依赖实践经验的问题。
(5) 网络化
现代工程机械液压系统的结构日益复杂，专业化程度不断提高；因此，在故障检测和诊断过程中需要设备专家及时介入。鉴于工程机械具有高流动性，这常常使得制造商无法迅速派遣专家到现场解决问题；建立一个基于互联网的实时在线测量与诊断系统将成为工程机械液压系统监测与诊断的必然选择。
本文选自《工程机械与维修杂志》，2017年第3期。
作者：沈春霞
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