基于静电传感技术的液压泵状态监测技术研究.pdf
2 0 1 4年 8月 第 4 2 卷 第 1 6 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUUCS Au g . 2 01 4 Vo 1 . 4 2 No . 1 6 D OI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 13 8 8 1 . 2 0 1 4 . 1 6 . 0 4 6 基于静电传感技术的液压泵状态监测技术研究 李启鳞,孙新,文振华 郑 州航空工业管理学院,河南郑州 4 5 0 0 1 5 摘要 对液压泵的常见故障及常用监测方法进行了分析,提出将静电传感器技术运用到液压系统在线监测中。研究了 液压泵油液在线监测机制、磨粒荷电量的影响因素,设计 了一套适用于液压系统的油液在线监测系统,研究了磨粒浓度、 大小及材质与传感器测量电压之间的关系。运用静电传感器在线监测液压系统工作介质中磨损颗粒的荷电情况 , 得到液压 泵磨损的监测结果 , 验证了静电监测方法在液压泵在线监测中的有效性与可行性。 关键词液压泵;磨损磨粒;静电传感技术 ;在线监测 中图分类号T P 3 9 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 61 4 9 3 S t u dy o f Oi l El e c t r o s t a t i c On l i ne M o ni t o r i n g Te c h no l o g y f o r Pump L I Q i l i n , S U N X i n 。 WE N Z h e n h u a Z h e n g z h o u I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l I n d u s t M a n a g e m e n t , Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 1 5 ,C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mm o n f a i l u r e s a n d m a j o r m o n i t o ri n g m e t h o d s o f p u mp w e r e a n a l y z e d .E l e c t r o s t a t i c s e n s o r t e c h n o l o g y w a s i n t r o - d u c e d i n t o t h e h y d r a u l i c s o n l i n e mo n i t o ri n g s y s t e m.T h e me c h a n i c s o f o i l o n - l i n e mo n i t o rin g f o r p u mp a n d t h e f a c t o r s t h a t a f f e c t e d t h e c h a r g e q u a n t i t y we r e s t u d i e d .A s e t o f o n l i n e mo n i t o rin g s y s t e m u s e d for h y d r a u l i c s s y s t e m wa s d e s i g n e d .T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e me u ri n g v o l t a g e o f t h e e l e c t r o s t a t i c s e n s o r a n d t h e c o n c e n t r a t i o n ,s i z e a n d ma t e ria l o f t h e we a r d e b ri s wa s r e s e a r c h e d .T h e mo n i t o rin g r e s u l t s o f p u mp’ S s i gn s o f we a r we r e o b t a i n e d b y u s i n g t h e e l e c t r o s t a t i c s e n s o r t o mo n i t o r t h e c h a r g e d p a r t i c l e s o f w e ar d e b ris o n - l i n e i n t h e h y d r a u l i c s o i l .Th e v a l i d i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y o f t h e e l e c t r o s t a t i c me t h o d u s e d i n o n l i n e mo n i t o ri n g for p u mp w e r e p mv e d . Ke y wo r d s P u mp;We a r d e b ris ;E l e c t r o s t a t i c s e n s o r t e c h n o l o g y;On l i n e mo n i t o rin g 液压泵与机械设备一样,都有服役期限,服役期 限的长短取决于液压介质的清洁度以及液压泵运行中 的正确监测、维护及保养。磨损是导致各类液压泵工 作异常和失效最常见的故障形式之一, 液压泵从磨损 到失效是一个量变到质变 的过程 , 经历初 期磨损 、正 常磨损到异常磨损 3 个阶段 。当液压泵进入异常磨损 阶段后 ,金属材料达到疲劳周期的额定寿命 ,金属表 面将产生疲劳层,在泵高温高压的特殊使用状态下 , 金属表面疲劳层易发生颗粒状脱落,磨损急剧增长, 甚至导致失效 。而对 于一套液压系统 而言 ,泵是 整套 系统中价值最高 的部件 ,如果不对泵进行在线监 控与 检测就很难预测泵何时需要什么样的维护。如果不记 录和分析所监控泵 的数据 ,几乎就没有可 能对在 线使 用的泵能否按规定 的服役期运行做 出准确 判断。如果 一 台泵出现可检测的劣化迹象 ,在故障发生前有足够 时间可观察到劣化程度 ,对泵进行在线定期检测并加 强维护,就能有效预防泵的早期失效 ,提高泵的使用 寿命。 ‘ 1 液压泵常见故障监测方法 液压泵运行中出现的故障各不相同,引起的原因 也各式各 样 ,有 由磨 损 引起 的 ,有 由油 液污 染 引起 的,有由于泄漏引起的,也有由于混入空气或者水分 等引起的。因此针对不同故障的监测方法也不少 ,但 总 的可概括为离线监测法与在线监测法。 离线式监测技术往往用在对油液状况或设备的已 使用状况进行诊断与分析,可以用一些专业精密仪器 进行。如对油液状况分析,主要集中在光谱分析、铁 谱分析、颗粒计数、油品理化分析等方面。离线式主 要缺点在于不是实时进行监测,大多是在出现故障迹 象的情况下才进行。液压泵故障过程是一个渐变过 程 , 所 以必须要对油 液进行在线监测 才不会使得监 测 充满偶然性。实际上泵的磨损或油液污染导致的故障 最常见。所以对液压泵进行实时在线磨损监测是使泵 保持最佳工作状态 的有效方法 。 液压泵的在线监测法有基于表象诊断方法、振动 诊断法、超声波泄漏监测法、红外线电子测温法、液 收稿 日期 2 0 1 3 0 71 5 基金项目航空科学基金资助项 目 2 0 1 2 Z B 5 5 0 0 3 ;河南省基础与前沿技术研究项目 1 3 2 3 0 0 4 1 0 2 6 9 ;河南省教育厅科学 技术重点研究项目 1 4 A 5 9 0 0 0 1 作者简介李启磷 1 9 7 3 一 ,女,硕士,副教授,研究方向为液压、气压传动与控制,数控技术等。Ema i l z h l i q i l i n 1 2 6.c o rn o 1 5 0 机床与液压 第4 2卷 压测试仪测流量等。这些监测主要是针对液压系统的 温升、泄漏、振动等信息进行的。实际上液压泵的磨 损与油液污染是液压系统出现故障的常见诱因,可导 致泄漏、温升及振动等一系列问题 ,所以对于液压系 统的故障监测,最有效的便是监测泵的磨损与油液的 品质,并且通过监测油液中的磨粒及污物信息,监测 到故障的成因、具体部位及程度等,以达到及时发现 故障迹象、排除故障、维护液压系统的目的。 2 液压泵油液静 电在线监测技术研究 液压泵工作过程中,摩擦磨损是不可避免的,因 为不管哪种形 式 的液压 泵都 有几 对 相对 运动 的摩 擦 副,使用中,某些不可知因素造成摩擦副间的的磨损 加剧是导致液压泵或系统故障的常见诱因。虽然无法 通过肉眼准确地判断摩擦磨损程度、部位或类型,但 悬浮于系统油液中的磨损微粒却承载着这些重要信 息,因为磨粒是液压泵内部摩擦副磨损的必然产物, 反映着液压泵摩擦磨损的状况。所以,通过对油液磨 粒的分析, 可以对液压泵的运行状态进行实时监控和 磨损故障 的在线诊断与维护 。相 比于振 动监测 、温度 监测等 ,全流量磨粒静电信号的监测对零部件衰退早 期的症状更敏感,并可提供实时的状态信息。 2 . 1 液压泵油液静 电在线监测机制 液压泵摩擦副荷电磨粒的产生机制较复杂 ,受油 液 、摩擦副材料的化学 、物理性质及摩擦 中摩擦化学 的影响 ,磨粒荷电机制主要包括摩擦荷 电 、接触荷 电 和磨粒形成 。 摩擦荷电是指在液压泵运行过程中,由于摩擦副 之间的紧密接触会在 它们 的表面产生接触电势差 V C P D,从而导致它们表面净 电荷 的产生,而摩擦磨 损产生的磨粒就会带走这些电荷。 接触荷电指磨粒随油液在循 环管道 中传输 时 , 磨 粒与油液、磨粒与磨粒以及磨粒与管壁之间的接触摩 擦产生电荷。磨粒具有分散性和悬浮性, 分散性使得 磨粒很容易通过摩擦、接触或分离带上电荷 , 而悬浮 性使磨粒悬浮在油液中, 不管磨粒的材料是金属还是 绝缘体 , 磨粒的悬浮性使得它与大地总是绝缘的,因 此 ,每一颗磨粒都有可能通过摩擦和接触带电。 根据摩擦荷电原理,不同种金属材料接触受载、 相互滑动后分离,发生电子转移,使两金属分别带上 等量异号电荷。这些荷电磨粒悬浮在流动的油液中, 经过传感器探极,产生感应信号。磨粒大小 、形态各 不相同,因而磨粒所携带的电荷也有差异,因此 ,在 传感器上所产生的信号特征会有明显的差异。敏感区 域内的磨粒经过静电传感器的时候所产生的感应电荷 的总量 为 Q t q t q t Z ⋯ q t T , i ⋯ 1 根据傅里 叶变换 ,可 以得到如下公式 Q q g ⋯ q 厂 ⋯ 2 从式 2 看出,感应探极电荷信号的频率特性 可以看作是不同位置上脉冲响应特性在相应的频率.厂 处的加权平均。综合考虑静电传感器的空间滤波特性 可知 ,静电传感器对具有不同流动特性的荷电磨粒产 生的输出信号频谱结构存在差异,因此 ,可以借助小 波分析、H H T 希尔伯特 黄变换等信号处理工 具对静电监测信号的频率特征参数进行提取。 2 . 2 液压泵油液静 电在线监测系统设计 液压泵油液 静 电在线 监测 系 统原 理 图如 图 1所 示 , 系统 主要 由主油路部分与检测油 路部分组成 。该 系统 中 ,液压泵安装于油箱 内部 ,这样 既保证泵 的 自 吸能力 ,又能使浸在油液中的泵 由于摩擦磨损等产生 的磨粒悬浮于油液中,通过对油液进行在线监测,便 可随时了解泵的磨损情况。实验时先启动液压系统 , 由液压泵为整个系统提供液压油,后经分流器把油液 分成两路 ,一路供主油路使用,保证主油路的需要 ; 另一路经过流量 阀对进入静电传感器的流量进行控制 与调节 ,经静电传感器监测磨粒信息 ,并由静电信号 采集部分将静电传感器实时监测到的油液磨粒荷电信 号传送至信号分析系统进行分析。因为油液磨粒的荷 电量比较小,而静电传感器的灵敏度有限, 所 以为了 更好地测量磨粒的电量,图像采集部分根据静电传感 器测得的电压的不同数值范围, 对油液磨粒的图像进 行采集和分析 , 为研究传感器测量电压与磨粒浓度之 间关系作准备。 压 液 位 计 图 1 液压泵油液在线监测系统图 在油液静电在线监测实验中,静电传感器 1主要 监测液压泵的磨损信息,传感器 2监测主系统磨损信 息,分别由不同的采集分析系统进行信号采集与分 析,便可获得系统中液压泵及其他元件的状态信息。 同时也对使用的油液进行 了实 时监测 ,以预防系统在 第 1 6期 李启磷 等基于静电传感技术的液压泵状态监测技术研究 1 5 1 工作由于油液的污染或者元件的磨损引起的故障,起 到维护系统正常运行的作用。 3 监测实验过程设计与监测结果分析 为探索液压系统摩擦磨损静 电监测技术的可行 性 ,实验启动图 1 所示的液压泵部分循环路线,调节 分 流器使 油液不进入主系统 ,通过节流 阀可 间接调节 通 过传感 器 1的流量 。液压泵 在 电机 的带 动下 运转 , 进行实验。由于实验是为了验证液压泵油液监测系统 监 测过程及结果 的可行性与有效性 ,所 以液压泵短 期 的运转并不能立刻产生想要 的磨粒数量及形 态。为了 监测与分析液压泵工作过程可能产生的不同磨粒,此 实验选用能反映泵磨损时可能产生的几类材料进行故 障颗粒注入实验 ,材料有 耐磨合金粉末 铬合金 粉末 、黄铜 。这些材料 的荷 电特性将 为循 环油液 条 件下液压泵摩损所监测 的静 电信号特性分析提供依 据。通过颗粒注入的实验结果来揭示摩擦磨损实验中 的静电信号所反映的材料类别。实验时将全流量磨粒 静电传感器垂直放置,让油液沿轴线方向流过传感 器 。 实验过程中 ,先后往吸油油箱注入不 同材质 、不 同浓度及不同直径的磨粒 ,进行相应的监测实验 ,通 过课题组相应仪器及软件的分析、处理 ,得到表 1 及 表 2所示的检测结果。表 1 所示为两种不同材质下每 1 0 0 m L油液中磨粒尺寸大于 1 5 m的磨粒颗粒数及 相应的监测电压信息。表 2所示为两种不同材质及其 相应磨粒直径对应的监测电压信息。 表 1 监测电压与磨粒数关系表 表 2 监测 电压与磨粒直径 关系表 由表 1 可知静电传感器感应电压与磨粒浓度之 间有密切的关系,随着磨粒浓度的增加,感应电压也 在增 加 ;不 同材质对应的感应 电压并不相 同,相 同尺 寸的黄铜感应信 号电压 大于合金钢感应 电压 ,表 明油 液静电监 测 方法 对 于液 压泵 具有 很好 的适 应性 ,它 不仅能监测到液压系统油液的污染情况,结合图像分 析系统,而且能准确监测到液压泵具体的磨损位置。 因为液压泵不同的摩擦副使用的材质不同,所以通过 油液静电监测的在线诊断,便可随时了解液压泵的摩 擦磨损状况 。 表 2表明油液静电在线磨粒静电传感器不仅能够 能够监测到不 同材料荷 电颗粒 ,并且能够反映同种 材 料磨粒大小与感应 电压 的关系 。由此可监测液压系统 工作过程中液压泵的磨损程度 ,并及时发现隐藏的故 障,及时预防与处理 ,使液压系统能正常运行。 4结论 对油液静 电监 测技术 、监测机制 、检测方法进行 了分析与研究,并利用该技术对液压泵的磨损及油液 的污染状况进行了实际监测,得到了传感器感应电压 与磨粒浓度及粒径之间的关系。实验结果表 明 油液 静电在线监测技术在液压系统中的应用是可行的、有 效的, 静电传感器 自身的实时性满足了油液在线监测 的实时性要求, 可以通过传感器的测量电压间接获得 液压系统中元件的磨损程度与具体位置,进而实现对 系统隐藏故障的早期发现与处理。 参考文献 [ 1 ]陈志雄, 左洪福, 詹志娟, 等. 滑油系统全流量在线磨粒 静电监测技术研究 [ J ] . 航空学报 , 2 0 1 2 , 3 3 3 4 4 6 4 52. 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