工程机械液压油品质在线监测.pdf

2 0 1 5年 1 0 月 第 4 0卷 第 l O期 润滑与密封 LUBRI C AT I ON ENGI NEERI NG 0c t ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 - 0 1 5 0 ． 2 0 1 5 ． 1 0 ． 0 2 8 工程机械 液压油 品质在线监测 朱伟伟潘燕王月行孙园园 江苏徐州工程机械研究 院江苏徐州 2 2 1 0 0 4 摘要以黏度和介电常数作为工程机械液压油性能监测对象，建立基于 F P S流体性能传感器的液压油流体性能在 线监测系统，考察温度及压力对传感器黏度和介电常数测试结果的影响，分析水分含量及油液老化对油液介电常数的影 响。设计工程机械液压油静态在线监测系统 ，对实车液压系统油液进行监测 ，所测结果与取样测试结果一致 关键词 液压系统 ；在线监测；黏度 ；介电常数 中图分类号 T H1 3 6 文献标志码 B文章编号0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 5 1 0 1 3 4 0 3 On l i n e M o n i t o r i ng o f Hy dr a u l i c Oi l s i n En g i n e e r i ng M a c h i n e r y Zh u We i we i P an Ya n Wan g Yu e x i n g Su n Yu a n y u a n J i a n g s u Xu z h o u C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Xu z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 4，C h i n a A b s t r a c t B y t a k i n g t h e d i e l e c t r i c c o n s t a n t a n d v i s c o s i t y a s o b j e c t s o f p e r f o r m a n c e m o n i t o ri n g o f t h e h y d r a u l i c o i l s i n e n g i n e e rin g ma c h i n e ry ，t h e o n - l i n e mo n i t o rin g s y s t e m o f fl u i d p e rfo rm a n c e o f h y d r a u l i c o i l s b a s e d o n F PS flu i d p r o p e r t i e s s e n s o r wa s e s t a b l i s h e d ．Th e i n fiu e n c e o f t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e o n t h e t e s t i n g r e s u l t s o f s e n s o r s u c h a s t h e d i e l e c t r i c c o n s t a n t a n d v i s c o s i t y wa s i n v e s t i g a t e d， a n d t h e i n fl u e n c e o f wa t e r c o n t e n t a n d a g i n g o f o i l s o n t h e d i e l e c t ric c o n s t a n t o f o i l s wa s a n a l y z e d ．Th e s t a t i c o n l i n e mo n i t o rin g s y s t e m o f e n g i n e e r i n g ma c h i n e r y h y d r a u l i c o i l s wa s d e s i g n e d t o p r o v i d e mo n i t o r i n g o f t h e o i l i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e a c t u a l v e h i c l e ．T h e mo n i t o r e d r e s u l t s a r e a c c o r d e d wi t h t h a t o f t h e l a b o r a t o ry s a mp l i n g t e s t i n g ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m； o n l i n e mo n i t o rin g； v i s c o s i t y；d i e l e c t ric c o n s t a n t 液压传动在工程 机械领域广泛应用 ，液压油作为 液压系统 的重要组成之一 ，在系统运作时不仅能实现 能量的传递、转换和控制，而且起着系统润滑、冷 却、防锈防腐等作用。因而油液的品质以及其在工程 机械设备中的运行状态直接影响工程机械的整体运 转。研究表明，液压系统故障 7 0 ％以上是由于液压 油液污染及 自身消耗变质所造成的⋯ ，因此开展液压 系统 的监测特别是在线监测具有重要意义 。液压 系统 的在线监测避免了离线检测的滞后性、油样不具代表 性 、监测成本高昂等缺点 ] ，能够及时发现油质的 衰变 ，能对失效原因进行判断并及时采取应对措施 。 实现主动性维护 ，使机械设 备处 于 良好 的润滑 状态 。 温度 、流量 、压力对油液在 线监测传感器采集 的数据 的影响特别大，尤其像工程机械这样处于高压力、大 流量 的作业环境下 ．导致液压油的温度 能达到 8 0 ～ 9 0 ℃。苛刻的条件使得油液线监测系统在工程机械行业 的运用仍处于初步 阶段 。 本文作者通过对液压油液黏度和介电常数等参数 的测量分 析 。建 立 了液压 系统 油液 质 量在 线监 测 系 收稿日期2 0 1 4 1 0 2 8 作者简介朱伟伟 1 9 8 8 一 ，女，硕士，工程师，从事润滑油 检测工作．E ． m a i l i e w u h z 1 2 6 ． t o m ． 统 ，运用该监测系统对某挖 掘机进行 了实 车试验 ，考 察该监测系统 的稳定性和可靠性。 1 工程机械液压油在线监测系统设计 静 态系 统 4 0 ℃介 电常数 电常数不变 l f 介电常数增加 4 0 “ 2 运动黏度 1 l 4 0 “0运动黏度 无变化Ⅱ 减小 Jl增加 1 【 无变化 减 小 过 滤除 水 换油 工 结束 增加 图 1 液压系统油液品质在线监测流程 F i g 1 On - l i ne o i l mo n i t o r i n g d i a g r a m o f hy d r a u l i c s y s t e m 2 0 1 5年第 1 0期 朱伟伟等工程机械液压油品质在线监测 1 3 5 液压 油液 的质 量监 测 采用 某公 司提供 的 F P S流 体特性传 感 器 ，通过 对 液压 油液 流体 特 性参 数 如 动力 黏度 、温度 、介 电 常数 等 变化 状 况 的实 时 监 测 ．来实现对工程机械液压系统油质的监控。工程机 械 液压系统油液品质在线监测流程如 图 1 所示 ，主要 包 括油液运动黏度和油液介 电常数 的监测 。 2液压油液黏度监测的影响 因素 工程机械液压系统在正常运行过程 中 ，液压油液 的温度变化在 9 0 q C以下 ，油液在运 行过 程 中温 度是 不断变化 的 ．油液温度 的变化必将导致其黏度 等流 体 性能参数 的改变 。在液压油液运 动黏度在线监 测过 程 中需要考虑温度对 F P S传感器的影响；此外工程机 械在运行过程中压力通常达到 3 0 4 0 M P a ．因此也 需要考 虑压力对黏度在线监测 的影响 。 2 ． 1 温度 对液压 油液黏 度在 线监测的影响 采用 F P S传感器检测了在不同升温速率下 4 6 液 压油液随温度的变化状况，如图 2 所示。可看出当升 温速率大于等于 2 o C ／ ra i n时，F P S传感器运动黏度 监测数值随温度变化曲线与 4 6 液压油液黏温曲线吻 合度较差 。监测数据不准 。 2 ． 2 流体压力对 油液黏度在线监测的影响 理论上压力超 过 2 0 M P a时 ，矿 物油黏 度 随压力 变化会十分显著。为确保在线监测的安全可行，F P S 传感器安装 在挖 掘机回油 管路处。挖 掘机回油管路压 力一般小 于 2 MP a ，因此可忽略压力对液 压油液黏度 的影响。采用 F P S传感器重复性检测了4 6 液压油液 在压力分别为 0 、0 ． 2 5 、0 ． 5 、1 ． 0 、2 M P a下的运动 黏度 4 0 o C ，测试数据 表明 ，随着压力 的增 加 F P S 传感 器检测 数据波动性增加 ，测 试数据与实验室经校 准黏度测定 仪的数据偏差增大。 巨 g 图2 不 同温升速率下油液运动黏度随温度的变化 Fi g 2 Ch a n g e s o f o i l s a mpl e s v i s c o s i t y wi t h t e mp e r a t u r e a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e r i s e r a t e 3液压油 液介电常数监测的影响因素 液压 油液老化或污染 ，油液 中的极性物质以及磨 损 颗粒发 生变化 ，都将 导致其 介电常数的改变 。因此 通 过对油 液介 电 常数 的监 测能 够有 效 地 反应 油液 老 化、污染及磨损状况 ] 。 3 ． 1 温度 、压力对油液介 电常数的影响 采用 F P S传感器分别测试在 0、l MP a 压力 下 温度 由 3 0℃ 升 至 8 0℃ 时 ，4 6 液压 油 的介 电 常数 随油液温度的变化关系，结果如图 3所示。可见 ， 随着温度升高介电常数逐渐减小 ．两者之间呈线 性关 系 。此 外 ，还 可 以看 出压 力 对 油 液 介 电 常 数 的影 响较小 。 粘 图 3 不同压力下介电常数随温度的变化 Fi g 3 Cha n g e s o f d i e l e c t r i c c o n s t a n t wi t h t e mp e r a t u r e a t d i ffe r e n t p r e s s u r e 3 ． 2 液压油液理化指标对介 电常数的影响 影响液压油液介电常数的理化指标主要包括含水 量、氧化、金属磨粒。水的介电常数大约为 8 ． 0 ，而 液压油 的介 电常数一般 为 2 ． 0 ，因而少量 水分 的进入 会使得介 电常数急剧增加 。此外 ，液压油液 的老化将 会导致油 中非极性烃类化合物 的氧化 ，最终分解 为极 性化合物有机酸 ，降解程度越大，酸度越大，极性分 子 的极化也会导致介 电常数 的增加 。在工程机械设备 运行过程 中会存在很 多摩擦 副 。润滑不 完全产 生金 属 磨粒 ，而金属颗粒物产生的自由电子也会引起油液介 电常数的增加 。 3 ． 2 ． 1 水分对介 电常数的影响 配制不 同含水 量 的 4 6 和 3 2 液 压 油油样 。采用 F P S 传感器在 4 0℃ 下检测 水分含 量对 液压油 介 电常 数 的影响 ，结果 如图 4 所示 。可见 ，含水量对介 电常 数的影响较 大 ，随着含水 量的增加液压油介电常数增 加 1 3 6 润滑 与密封 第 4 0卷 赧 牲 脚 图4 含水量对介电常数的影响 Fi g 4 Eff e c t o f mo i s t u r e c o n t e n t o n di e l e c t r i c c o n s t a n t 3 ． 2 ． 2 油液氧化 对介 电常数 的影响 取 4 6 液压油进行老化实验，定期取样采用 F P S 传感器检测其介电常数随油液老化程度的关系．结果 表 1 所示。可见，随着油液老化程度的加深其介电常 数增加 。 表 1 油液老化对介电常数的影响 Ta b l e 1 E f f e c t o f o i l a g i n g o n d i e l e c t r i c c o n s t a n t 老化时间 t ／d 0 2 4 7 1 0 介电常数 2 ． 2 1 5 2 ． 3 5 5 2 ． 4 3 3 2 ． 5 4 9 2 ． 6 5 4 张晓飞等 ] 的研究表明，随着金属磨粒的增加， 油液介电常数逐渐增加；油液中铁磁性物质导致介电 常数增加，但金属磨粒的扩散性和吸附性远低于水。 因此随着金属磨粒增加 ，介电常数增加不显著 。 4 液压油液在线监测设计及验证 根据温度及压力对 F P S传感器运动黏度及介 电 常数检测 的影响 。采用缓 冲油池作 为在 线监测 模块 ， 将工程机械液压系统 回油路 中的油液 引入缓 冲油池 ． 控制缓 冲油池的温度和压力 ．在 静态系统 下检测液压 油液性能 。 对实车液压油 的品质进行实车试 验。试验开 始时实车液压系统采用 4 6 抗磨液压油 ，实车共工 作 1 5 h ；F P S 传感器采用 C A N协议信号输 出，每 3 0 S 输 出一 组 数 据 。在 线 监 测 测 试 数 据 如 图 5所 示 ，实车在运行 8 h左 右，液压油 的介 电常数增 加 ，油液运动黏度降低 ；取样测试 8 h的油液 ，发 现 油液 水分 含量 增 加 。 图 5 实车液压油品质测试结果 F i g 5 Te s t r e s u l t s o f hy d r a u l i c o i l q u a l i t y o n v e h i c l e 试验过程中，每阶段结束后对实车液压系统回路 油液进行取样 ，采用实验室经校准的全自动运动黏度 测定 仪进行检测 ，与在线监测运动黏度测试数据进行 对 比，结果如 图 6所示。可见 ，在线监测运动黏度数 据准确度较高 ，与实验室检测结果最大误差不超过 1 ． 5 ％ 。 图6 在线黏度监测与抽样检测数据对 比 Fi g 6 Co mp a r i s o n o f o n l i n e t e s t r e s uh s a n d s a mp l i n g t e s t r e s u l t s o f o i l v i s c o s i t y 5 结论 1 设 计 工程机 械液 压油在 线 监测 系统 考 ，察 了温度及压力对 F P S传感器测定黏度和介电常数 的 影响，分析了水分、油样老化对介电常数的影响。 2 通过设 计静 态在 线监 测 系统 ，避 免 了温度 及压力对传感器测试结果的影响，减小了测试误差 ， 能够 实现对 车辆液压 系统 的准确监测 。 参考文献 【 1 】关子杰． 润滑油与设备故障诊断技术[ M] ． 北京 中国石化 出 版社． 2 0 0 2 5 7 6 8 ． 下转第 1 4 0页 1 4 0 润滑与密封 第 4 O卷 a 主视 图 h 侧视 图 图6 密封圈 v形斜口受力 F i g 6 Th e V s h a p e d p a t c h f o r c e a n a l y s i s o f s e a l i n g ri n g a f r o n t v i e w ； b s i d e v i e w 2现场 使用情 况 设 计的装置在初次试 验应用中 ，密封 圈在高 温前 后 ，体积变化量过大 ，出现严重 空气介 质泄漏 现象 。 为此 ．在后期的密封圈加工过程中 ，首先 对改性 聚四 氟 乙烯材料进行 了 0 ． 5 h的 3 2 0℃ 高温处理 ，然后采 用模压的方式制成密封圈。 经多次实际应用的验证 。改进后的高温密封装置 在产品试验中，对常温、高温 3 0 0℃的空气介质 均能实现 良好 的密封 ，满足产品试验的需求 ，达到了 预期 的设计 目标 。 3 结束语 设 计的密封装置 与原密封装置相 比，密封效果相 当，但 密封 圈制作成本大幅降低 。经实践证 明 ，设计 的密封装置能够满足产品试验 的要求 ，并且具有非常 可观的经济性 。但是 ，该设计仍存在 以下问题 一是 安装装 置时 ，密封 圈不易 固定 ，容易松动掉落 ，极易 被压紧螺盖压伤；二是密封圈 V字形设计，在加工 中锐角不易加工 三是压紧螺盖拆装较为 困难 ，如果 操作不 当，螺纹拼合 状态不 良，极易卡死并损伤 固定 座上 的螺纹 。 针对 以上 问题 ．初步计划将原设计 中密封 圈的 V 字形结构改为 u字形 机构 ，且 正 U 口与反 U 口之间 具有一定紧度 ；另外 ，将原设计 中压 紧螺盖与 固定座 之 间的螺纹连接 ，改 进为卡箍 连接 。以上解决 方案 ， 将在后续工作 中进一步优化改进。 参考文献 【 1 】岑军健． 新编非标准设备设计手册[ M] ． 北京 国防工业出 版社， t 9 9 9 ． 【 2 】徐灏． 机械设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． 【 3 】刘金标， 易学平．自 适应式浮动高温密封机构设计[ J ] ． 2 0 1 4 S 1 2 9 3 0 ． 【 4 】贾水龙． 对 O形密封圈最大密封间隙的探讨 [ J ] ． 润滑与密 封 ， 1 9 9 2 ， 1 7 5 5 1 - 5 3 ． J i a S h u i l o ng ． I n q u i rin g i n t o ma x i mum s e a l i n g c l e a r a n c e o f 0一 s e a l ri n g [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 2 ， 1 7 5 5 1 5 3 ． 【 5 】叶惠军． 0形密封圈结构设计及相关问题探讨 [ J ] ． 液压气动 与密封 ， 2 0 1 3 6 6 3 - 6 4 ． Y e Hu u n ． 0 r i n g s e a l i n g s t r u c t u r e d e s i g n a n d r e l a t e d i s s u e s s t u d y 『 J ] ． H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ， 2 0 1 3 6 6 3 6 4 ． 上接第 1 3 6页 【 2 】黎琼炜， 毛美娟， 陈勇， 油液分析现状与发展方向研究[ J ] ． 中 国机械工程。 2 0 0 4 ， 1 5 3 2 7 2 - 2 7 5 L i Q i o n g we i ， Ma o Me u a n ， C h e n Yo n g ． R e s e a r c h o n s t a t e o f - t h e a r t a n d t r e n d s o f o i l a n a l y s i s f o r e q u i p m e n t [ J ] ． C h i n a M e c h a n i - c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4， 1 5 3 2 7 2 2 7 5 ． 【 3 】龚佩， 刘祥萱， 郭磊， 等． 基于介电常数法的润滑油水分快速 分析[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 9 7 9 9 ． Go n g Pe i ， L i u Xi a n g x u a n， Gu o Le i ， e t a 1 ． Ra pi d a n a l y s i s o f wa t e r c o n t e n t i n l u b r i c a n t 0 i 】 b a s e d o n t h e d i e l e c t ri c c o n s t a n t [ J ] ． L u b r i e a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 01 1 ， 3 6 1 1 9 7 9 9 ． 【 4 】刘凯． 基于介电常数法的油液监 ff E J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 9 ， 3 4 1 9 4 - 9 6 ． L i u Ka i ． Oi l mo n i t o r i n g me t h o d b a s e d o n t h e di e l e c t r i c c o n s t a nt [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 3 4 1 9 4 9 6 ． 【 5 】张晓飞， 杨定新 ， 胡政 ， 等． 基于电介质介 电常数测量的油液 在线监测技术研究[ J ] ． 传感技术学报 ， 2 0 0 8 ， 2 1 1 2 2 0 8 7 2 0 9 1 ． Zh a n g Xi a o f e i ， Ya n g Di ng x i n， Hu Zh e ng， e t a 1 ． S t u d y o f o n l i n e o i l mo n i t o r i n g t e c h no l o g y ba s e d o n d i e l e c t r i c c o n s t a n t me a s u r e me n t f J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f S e n s o r s a n d A c t u a t o r s ， 2 0 0 8 ， 2 1 1 2 2 0 8 7 - 2 0 9 1 ．