挤压机液压缸的振动机制及特性研究.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 l 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 4 8 挤压机液压缸的振动机制及特性研究 杨建鸣 ，陈立 ，高立新 ，吴世超 1 ．内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 ； 2 ．北京工业大学北京市先进制造技术重点实验 室，北京 1 0 0 0 2 2 摘要针对挤压机液压缸的振动诊断过程中故障原因复杂 、噪声干扰大的特点，深人分析了液压缸的故障原因和振动 机制，建立了液压缸振动信息模型。通过对小波降噪后的振动信号本身特性进行分析研究，刻画了液压缸振动信号的时域 和频域特征．揭示了故障与振动响应信号之间的联系及规律。并以现场工作的挤压机液压缸振动诊断为例 ，分析结果为实 现基于振动的液压缸故障诊断打下 了基础 。 关键词 挤压机液压缸；故障诊断 ；振动机制 ；振动特性 中图分类号T H1 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 1 9 8 - 3 Vi br a t i o n M e c ha n i s m a nd Cha r a c t e r i s t i c Re s e a r c h f o r Ex t r us i o n Pr e s s Hy d r a u l i c Cy l i nd e r YAN G J i a n mi n g ．CHEN L i ，G AO L i x i n 。WU S h i c h a o 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0 ，C h i n a ；2 ． K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o gy o f B e i j i n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e c o mp l e x i t y o f f a u l t r e a s o n s o f v i b r a t i o n d i a g n o s i s o f e x t r u s i o n p r e s s h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d t h e i n fl u e n c e o f n o i s e，t h e f a u l t r e a s o n a n d t h e v i b r a t i o n me c h a n i s m o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r we r e a n a l y z e d，t h e v i b r a t i o n i n f o r ma t i o n mo d e l w a s f o u n d e d ．T h r o u g h t h e r e s e a r c h o f c h ara c t e r i s t i c s a n a l y s i s o f v i b r a t i o n s i g n a l s ，a n d t h e t i me d o ma i n a n d e q u e n c y d o ma i n w e r e a n a l y z e d． t h e r e l a t i o n a n d r u l e b e t w e e n v i b r a t i o n a n d d i a g n o s i s o f e x t ru s i o n p r e s s h y d r a u l i c c y l i n d e r w e r e d i s c u s s e d ．At l a s t ，a v i b r a t i o n d i a g n o s i s e x a mp l e wa s g i v e n ． T h e a n a l y s i s r e s u l t l a y a f o n d a t i o n f o r r e a l i z i n g t h e f a u l t d i a gn o s i s b a s e d o n t h e v i b r a t i o n o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ke y wo r d s E x t rud e r h y d r a u l i c c y l i n d e r ；F a u l t d i a gn o s i s ；Vi b r a t i o n a n a l y s i s ；Vi b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c 0前言 振 动检 测 目前 已成 为齿 轮 轴 承 、燃 气 轮机 、管 道 、发电机组等旋转机械的工况监测和故障诊断中最 有效的手段之一。采用振动分析法 ．可以对机械大部 分的故障类 型进 行 准确 的判 断 ，它 具有 诊 断范 围 广 泛 、便 于在线监 测和信 号容易获 取等优 点[ J - 2 ] 。但在 大型液压设备等往复机械的在线监测和不解体诊断中 还存在诸多困难，主要是液压系统工作时激振力源较 多而且复杂，振动传播路径复杂，频率分布广，噪声 干扰严 重 。缸体 表面的振动信号 由活塞往复运动的摩 擦 振动 、活塞的撞击振动 、液压油液体压力 ，电磁换 向阀的阀芯换位冲击等综合作用形成的。因此，进行 液压缸故障的振动检测必须首先了解液压缸振动信号 的特性 、产生和传播机制．建立起振动响应信号与故 障特征之间的对应关系[ s - 4 3 。 1 液压缸的典型故障分类 液压缸经常 出现 的故 障主要 分为 三类 1 液 压缸 的泄漏 ； 2 液 压缸零部 件的破损 ； 3 密 封 件失效引起的故障。 在液压缸泄漏故 障中 ，缸体 和缸盖 、管 道等产 生 的外部泄漏通过 压力变化 ，外部 直接观 察检 测 出来 ， 而内泄漏是最难以发现的故障之一，其往往在挤压工 件时发生最为明显 ，但由于用常规手段检测 、定位及 分辨 困难 ，故对其产生 的振动信号进行 故障诊断研 究 具有重要 意义 J 。 液压缸 的破损包括惯性力 引起 的破损 ．外部振动 载荷 、滑动部分油膜层 、油污染 、松动等造成 液压 缸 零 部件 的磨损 。当运 动物体的质量大 、工作压力较高 时，惯性力就成为一个严重问题，尤其是某些零件出 现不易察觉的裂缝时，通过振动信号对其进行有效的 识别 就非 常重要 。 密封件的突然失效会导致一系列的泄漏、磨损等 问题 ，严 重时甚至造成重大事故 。所以必须对液压缸 中密封件的状态进行监测[ 6 - 7 ] 。 收稿 日期 2 0 1 3 1 l - 2 8 作者简介 杨建 鸣 1 9 5 7 一 ，男 ，硕士 ，教授 ，研究方向为机械设计 与制造 。 通信作者 陈立 ，E m a i l B l a c k c h e n l i h o t m a i l ． C O B。 第 1 期 杨建呜 等挤压机液压缸的振动机制及特性研究 1 9 9- 2缸体振动的信 息模型 建立液压缸缸体振动的信息模型，如图 1 所示。 一 般情况下．缸体系统主要承受几个激励力3个冲 击力以及缸内液压油液体压力。缸体系统内外表面具 有非常接近的频率特性 ，而且各个激励力之间是线性 无关 的。因此 ，缸体表面振动响应 的 3 个 冲击力分 别 是 活塞作 用于工件时产生 的冲击 进 油时电磁换向 阀换向产生的冲击出油时电磁换向阀换向产生的冲 击。由于以上激励源特征的作用时间、位置和传播途 径不 同 ，决 定 了缸体表面 的振动 响应信 号的时域和频 域特性不 同 ，而 由于它们相互之 间线性 无关 故液压 缸缸体可以简化为一个多输入单输出系统模型，输入 和输 出关 系如下 t h t h h t 1 t h t t h t ⋯ t h t 十r t 1 式中 s t 为缸体表面振动响应信号 ； t ， 、 t ， ， t 分别 为进油时换 向、出油时换 向和活塞 作用 于 工件的激励力信号； 为缸内液压油压力信号； h t ， h t 和 h t 分别 为缸体表 面对 应各 激励力 信号的响应函数； r t 为噪声信号。 3液压缸振动信号的机制研究 在缸体表面的振动响应信号含有丰富的信息，它 们都是设备状态的直接或者间接反映，通过对振动信 号中有用信息的分析 ，就能够研究出其机制以及相关 零部件的状态_ 8 ] 。因此 。由液压缸的结构和工作过程 分析可得出缸体表面振动的激励力主要包括 1 液压 油压力最 主要 的激励力 ，垂直作用于缸体 内 侧表面； 2 活塞的往复惯性力 ； 3 机身的振动、 液压泵、换向阀等其他随机激励。 在 以上几种激励 的共 同作用下 ，缸体表面产生复 杂的非平稳振动响应信号，并且 随时间的变化而变 化。从液压缸结构及工作过程上看，液压油压力同时 作用于活塞和缸体 ，且作 用力大小相等 ，方 向互相垂 直，液压泵、换向阀冲击力通过管道传递至缸体，使 两者一起振动 。这些激励 力作用规律 ，频率特性各不 相同，缸体表面振动信号的频率成分非常复杂，但是 它们作用时间、频率 、幅值等差别为利用缸体振动信 号来进行故障诊断提供了依据。 液压缸在静态 。空载 ，负载工况下 ，缸体振动信 号全程 的时域及频 域波形 ，如图 1 所示。 缸体在静态、空载、负载情况下，激励作用力不 同，振动信号的波形在时域上具有明显的差别 ，幅值 大小差异较大 ，不同工况下振动信号包含的液压缸工 作状态信息也不同。当液压缸出现故障或存在故障隐 患时。相应频带范围或者谱峰值将发生改变 ，从而为 液压缸故障诊断提供依据。 ‘ a 静态波形图 b 空载波形图 c 负载波形 图 d 局部时域波形图 图 1 不同工作状态下液压缸全程波形图 4 缸体振动信号特性分析 [ 9 】 4 ． 1 缸体振动信号的时域特性 液 压系统 中由液压泵供油 ，压力监测能直接反映 出液压 油压力 的产生时刻及变化 ；液压泵 、换 向阀等 冲击力 由液压 系统控 制 ；活塞的往复惯性力反映在液 压油压 力变化 中。所 以，缸体表面振动信号的时域波 形与控制系统时间、压力随时间的变化紧密相关。其 时域特性表现在各激励力响应信号的作用时刻和强 度。 机身的振动等其他激励相对于整体来说产生的振 动响应很小。所以，缸体的振动信号反映出液压油压 力变化 和液压泵 、换 向 阀的冲击 。当液 压缸故 障时 ， 激励力 响应信号 的作用时刻和强度会在缸体 时域 图上 准确地表现 出来 。 4 ． 2 缸体振动信号的频域特性 一 般情况下 。液压缸所受 的多种激励力 中最 主要 的是液压油压力和液压泵 、换 向阀的冲击力 。通过 了 解各激励力响应信号 的频谱特性 。就能更进一步地对 它们进行识别和分离。结合液压缸的压力变化图，从 表 1 和图 2中可以发现，出现了近似等于液压泵油频 率 1 8 5 H z 的基频及 其倍 频 全程 中电磁换 向阀换 向 冲击两次分别在静态到空载的 2 S 位置和活塞 回程的 5 2 S 位 置出现 较大振 幅 ；液压油压力产生 的振动在该 图上没有直观表 现出来 ．但 是在 0 ． 3 ～ 0 ． 8 k H z 之间的 倍频振 幅明显增大 ；这表 明 。换 向冲击 响应应 为较高 频振动信号 ，液压油压力信号应为低频振动信号。 5 检测实例分析 背景 对垂直挤压机的第 1 、3 、4 、6 主液 压缸进行振动测试 ，现在选择每个缸体左下角的测点 作振动分析 。 采集参数 测试使用 I N V 9 8 2 8振动加速度传感 器 。1 、6 缸 的采 样 频 率 为 5 1 2 0 H z 。采 样 点 数