一种滑移装载机铲斗密封状态监测方法及系统与流程

本发明涉及工程机械液压系统状态监测领域，尤其涉及一种滑移装载机铲斗密封状态监测方法及系统。

背景技术：

1、滑移装载机在铲装、举升、翻转卸料和回收过程中，铲斗翻转油缸及其密封、软管、液压接头和控制阀长期承受泥沙粉尘暴露、载荷突变、结构冲击以及频繁换向。现有维护通常依据外观油迹、压力下降、动作迟缓或人工经验判断密封状态，也有通过油缸压力、行程、油温或颗粒污染度进行单项监测的方式。上述信号在自然作业条件下会随负载、铲斗姿态、阀口开度和油温变化，并叠加铲斗碰撞产生的传播瞬态，导致早期泄漏特征容易被工况波动和冲击响应掩盖。

2、现有方法还难以把活塞密封内泄、杆密封与刮尘密封外泄或污染侵入、软管与可拆卸液压接头外泄以及控制阀中位泄漏进行分离定位；仅依据颗粒数量也不易区分外来泥沙侵入与密封内部磨损碎屑。另一方面，跨作业循环的状态估计如果未约束工况可比性及维护事件，容易出现磨损状态无依据改善、基线沿用失效数据或维护窗口漂移的问题。

3、因此，需要一种能够解决上述现有技术不足的滑移装载机铲斗密封状态监测方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种滑移装载机铲斗密封状态监测方法及系统，针对现有技术在自然作业中冲击瞬态与真实泄漏难分离、多类密封和液压泄漏通道难定位、污染来源难区分以及磨损状态易随维护前后数据错误回退的问题，提出同步采集两腔压力、运动、阀控、油温和冲击参考信号并划分作业相位的技术方案；利用冲击起点及传播时差形成冲击影响窗，使窗外数据进入两腔连续性残差计算并使窗内数据仅累计为冲击损伤量；在流量守恒、导通量非负和可观测关系约束下分配各通道等效泄漏导通量；再将颗粒差分、杆端声发射和导通量进行时序一致性运算，并结合工况可比循环和维护事件约束更新磨损状态。本发明具备在不停机条件下抑制冲击假报警、定位故障通道、区分污染来源并稳定输出置信度和维护窗口的技术效果。

2、本发明提供了一种滑移装载机铲斗密封状态监测方法，包括如下步骤：

3、s1、同步采集铲斗翻转油缸两腔压力、运动参数、换向阀控制参数、油温和冲击参考信号，依据换向阀控制方向、活塞运动方向、铲斗姿态及压力变化划分自然作业循环，生成带有作业相位标识的作业样本；

4、s2、根据冲击参考信号确定冲击起点，并根据铲斗冲击源到各测点的传播时差确定冲击影响窗，将作业样本的窗外数据确定为窗外估计数据，对窗内数据累计得到冲击损伤量，且不将窗内数据作为泄漏触发的直接证据；

5、s3、利用窗外估计数据，根据阀口流量、两腔有效容积、油液体积弹性模量、两腔压力微分和活塞速度构建两腔连续性残差；

6、s4、将两腔连续性残差输入液压拓扑模型，液压拓扑模型包含活塞密封内泄通道、杆密封与刮尘密封外泄或侵入通道、软管与可拆卸液压接头外泄通道以及控制阀中位泄漏通道，在流量守恒、泄漏导通量非负和测点可观测关系的约束下分配两腔连续性残差，获得各通道的等效泄漏导通量；

7、s5、提取铲斗支路与供油支路之间的颗粒差分特征以及杆端声发射特征，将各通道的等效泄漏导通量同颗粒差分特征和杆端声发射特征进行时序一致性运算，获得外来污染侵入概率和内部磨损碎屑概率，并形成对应密封通道的拓扑观测因子；

8、s6、依据负载、油温、铲斗姿态和作业相位筛选可比作业循环，根据等效泄漏导通量、拓扑观测因子、冲击损伤量和维护事件跨循环更新各通道的磨损状态，输出故障位置、磨损或泄漏级别、置信度和维护窗口。

9、可选的，s1包括：所述运动参数为油缸行程和铲斗角度中的至少一种，所述换向阀控制参数为换向阀命令和阀芯位移中的至少一种；

10、将换向阀控制参数的方向状态、活塞速度的符号、铲斗角度所在姿态区间以及两腔压力变化方向组成相位判别条件；

11、按照所述相位判别条件，将自然作业循环标记为铲装接触相位、举升相位、稳态保持相位、翻转卸料相位、回收相位和换向相位，并将相位起止时刻、负载表征量、油温和铲斗姿态写入所述作业样本。

12、可选的，s2包括：利用设置于铲斗、油缸缸体、密封座和压力测点中的冲击参考传感器获得冲击到达时刻，以铲斗处的冲击到达时刻作为所述冲击起点；

13、依据各测点与铲斗冲击源之间的传播路径及对应传播速度确定传播时差，并由所述冲击起点、传播时差以及由无泄漏冲击样本的响应持续时间确定的窗宽生成各测点的冲击影响窗；

14、所述冲击影响窗内的压力与声发射信号仅用于累计冲击损伤量，不作为泄漏触发证据，所述冲击影响窗外的数据作为步骤s3的窗外估计数据。

15、可选的，s3包括：由设置于供油主路和回油主路的压力传感器分别采集供油压力和回油压力，根据阀控制方向选择供油压力或回油压力作为阀口一侧压力并以对应油缸腔压力作为阀口另一侧压力，获得阀口前后压差；

16、根据阀芯位移、所述阀口前后压差和油液温度对应的流量系数确定两腔的阀口流量；

17、根据油缸初始腔容积、活塞有效面积和油缸行程确定两腔有效容积，并根据油温修正油液体积弹性模量；

18、对压力信号进行带宽受限的微分处理获得两腔压力微分，对油缸行程进行时间差分获得活塞速度；

19、针对每一腔，以阀口流量与由活塞运动引起的容积流量及由压力变化引起的压缩流量之间的差值作为对应腔的连续性残差。

20、可选的，s4包括：以两腔压力差确定活塞密封内泄通道的流向，以杆腔压力和外界压力之差确定杆密封与刮尘密封外泄或侵入通道的流向，以软管或可拆卸液压接头所在管段的内部压力和外界压力之差确定软管与可拆卸液压接头外泄通道的流向，所述内部压力为与所述管段连通的油缸腔压力、供油压力或回油压力，并以换向阀中位命令、供油压力、回油压力及对应油缸腔压力确定控制阀中位泄漏通道的导通状态；

21、建立各通道等效泄漏流量与对应压差及等效泄漏导通量之间的映射，将两腔连续性残差组成流量守恒方程；

22、将两腔压力测点、供油压力测点和回油压力测点中在当前作业相位下与处于导通状态的管路相连的测点确定为可用压力测点，根据所述可用压力测点及阀控制状态生成可观测关系，对不可区分的通道输出组合导通量，对可区分的通道在等效泄漏导通量非负的约束下求解各自的等效泄漏导通量。

23、可选的，s5包括：以经维护状态确认、连续性残差未触发泄漏且负载、油温、铲斗姿态及作业相位满足相同基线采集条件的多个自然作业循环数据建立健康基线；

24、在密封更换、接头紧固、油液净化或传感器配置变化使对应健康基线失效后停止使用所述对应健康基线，并在维护后验证满足所述基线采集条件时以新采集的数据重建对应健康基线；

25、在铲斗支路回油旁路设置第一颗粒计数单元，在主过滤器下游的供油旁路设置第二颗粒计数单元；

26、在记录到粉尘或泥沙暴露事件后，将换向阀控制参数持续指示活塞杆回缩、活塞速度处于由健康基线回缩速度分布确定的准入区间且杆腔压力变化率不超过由健康基线压力变化率分布确定的准入阈值的时段确定为杆回缩准入时段；

27、在所述杆回缩准入时段内控制第一颗粒计数单元和第二颗粒计数单元取得相等采样体积，并按相同粒径区间统计颗粒数，以第一颗粒计数单元的分粒径颗粒数减去第二颗粒计数单元的对应分粒径颗粒数，获得所述颗粒差分特征；

28、进一步的，所述杆端声发射特征由设置于活塞杆端密封座的声发射传感器输出信号的包络获得；

29、将粉尘或泥沙暴露事件、颗粒差分特征变化、杆端声发射特征变化以及杆密封与刮尘密封外泄或侵入通道的等效泄漏导通量变化在由健康基线同步采样误差确定的一致性时限内的匹配程度确定为第一匹配度；

30、将未与粉尘或泥沙暴露事件在所述一致性时限内匹配的颗粒差分特征变化同活塞密封内泄通道以及杆密封与刮尘密封外泄或侵入通道的等效泄漏导通量变化之间的匹配程度确定为第二匹配度；

31、分别对第一匹配度和第二匹配度归一化，获得外来污染侵入概率和内部磨损碎屑概率；

32、以步骤s4生成的可观测关系为基础可观测关系，利用外来污染侵入概率对杆密封与刮尘密封外泄或侵入通道加权，并利用内部磨损碎屑概率对活塞密封内泄通道以及杆密封与刮尘密封外泄或侵入通道加权，形成所述拓扑观测因子。

33、可选的，s6包括：根据两腔压力差和活塞有效面积确定负载表征量，根据作业相位的起止时刻之差确定相位持续时间；

34、分别以健康基线中负载表征量、油温、铲斗姿态和各作业相位持续时间的分布确定对应的可比偏差阈值，将相同作业相位且负载表征量、油温、铲斗姿态和相位持续时间的差值均不超过对应可比偏差阈值的作业循环归入同一可比循环组；

35、在每一可比循环组内，根据连续多个作业循环的等效泄漏导通量变化方向、拓扑观测因子和累计冲击损伤量更新各通道的磨损状态；

36、根据连续性残差的拟合误差、当前作业相位的可观测通道数量以及多个作业循环的导通量一致性确定所述置信度，并根据健康基线中各通道等效泄漏导通量的分位数边界确定所述磨损或泄漏级别；

37、进一步的，在未接收到维护事件时，将各通道的磨损状态更新约束为保持不变或向磨损增加方向变化；

38、在接收到密封更换事件并通过维护后验证时，重置被更换密封所在通道的磨损状态并使对应健康基线失效，在接收到接头紧固事件并通过维护后验证时，重置软管与可拆卸液压接头外泄通道的磨损状态并使对应健康基线失效，在接收到油液净化事件时仅使颗粒差分特征对应的健康基线失效而不重置任一通道的磨损状态，并按照所述健康基线重建方式重建失效的健康基线；

39、分别为各通道设置维护阈值，所述维护阈值由对应通道需要维护的磨损或泄漏级别下界与设备制造商给出的允许泄漏限值换算得到的磨损状态边界中的较小者确定；

40、根据各通道磨损状态的跨循环变化率预测其到达对应维护阈值的作业循环数，并将所述作业循环数转换为维护窗口。

41、另一方面，本发明还提供一种滑移装载机铲斗密封状态监测系统，包括：

42、数据采集与相位划分模块，包括两腔压力传感器、供油压力传感器、回油压力传感器、运动参数传感器、换向阀控制参数采集单元、油温传感器和冲击参考传感器，用于生成带有作业相位标识的作业样本；冲击窗模块，用于确定冲击影响窗并生成窗外估计数据和冲击损伤量；残差生成模块，用于根据窗外估计数据生成两腔连续性残差；拓扑分配模块，用于在液压拓扑模型中分配两腔连续性残差并获得各通道的等效泄漏导通量；污染源辨识模块，包括设置于铲斗支路回油旁路的第一颗粒计数单元、设置于主过滤器下游供油旁路的第二颗粒计数单元和设置于活塞杆端密封座的声发射传感器，用于基于各通道的等效泄漏导通量以及颗粒差分特征和杆端声发射特征生成外来污染侵入概率、内部磨损碎屑概率和拓扑观测因子；状态更新输出模块，用于筛选可比作业循环，跨循环更新各通道的磨损状态并输出故障位置、磨损或泄漏级别、置信度和维护窗口。

43、本发明的有益效果是：

44、1、通过按冲击起点及传播时差建立各测点冲击影响窗，使窗内信号仅形成冲击损伤量而不直接触发泄漏，并仅以窗外数据构建两腔连续性残差，能够降低铲装碰撞和翻转冲击对早期泄漏判断的干扰。

45、2、通过在包含活塞密封、杆密封与刮尘密封、软管与可拆卸液压接头及控制阀中位泄漏通道的液压拓扑模型中，依据流量守恒、导通量非负和测点可观测关系分配残差，能够在可观测条件变化时输出单通道或组合导通量，从而形成可追溯的故障位置判断。

46、3、通过支路与供油颗粒差分、杆端声发射和泄漏导通量的时序一致性比较区分外来污染侵入与内部磨损碎屑，并以维护事件限制磨损状态无依据改善和触发对应健康基线重建，能够提高跨循环状态趋势及维护窗口输出的稳定性。