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． [ 2 ]G O L C H I N A， S I MM O N S G F ， G L A V A T S K I H S B ． B r e a k a w a y F ri c t i o n o f P TF E Ma t e ria l s i n L u b ric a t e d C o n d i t i o n s [ J ] ． T r i b o l o g y I n t e ma t i o n a l ， 2 0 1 2 ， 4 8 5 46 2 ． [ 3 ]HA R V E Y T J ， WO O D R J K， P O WR I E H E G ． E l e c t r o s t a t i c We a r Mo n i t o r i n g o f R o l l i n g E l e me n t B e a r i n g s [ J ] ． We ar， 2 00 7， 2 63 1 4 921 501 ． [ 4 ]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 22 7 5 ． [ 5 ]陈士玮， 李柱国， 刘玉斌． 综合监测方法在液压泵失效分 析中的应用[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 3 6 5 1 5 2 ．