液压系统非接触式压力检测研究.pdf

机械制造 曹兴伟， 等 液压系统非接触式压力检测研究 液 压 系 统非接触 式压 力检测研 究 曹兴伟， 张琦 ， 杨林会 解放军理工大学 工程兵工程学院， 江苏 南京 2 1 0 0 0 7 摘要 全面回顾了国内外压力检测技术的发展历程， 分析了液压 系统在工程装备 中所 占有的 重要地位， 回顾液压系统压力检测的传统方法。通过对比分析总结现在液压系统压力测试的 方法以及应用情况， 同时对测试方法做 了改进， 并且对非接触式液压 系统压力检测的发展做 了 研 究和展望 。 关键词 液压 系统； 非接触式； 超声波； 趋势 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 3 o l 一 0 0 0 6 0 3 The Re s e a r c h o f No n。 c o nt a c t Pr e s s ur e M e a s ur e me nt f o r Hy dr a u l i c S y s t e m C A 0 X i n g w e i ． Z H A N G Q i ． Y A N G L i n ． h u i E n g in e e r i n g I n s t it u t e o f E n g i n e e r in g C o r p s ，U n iv e r s it y o f S c ie n c e T e c h n o l o g y o f P L A， N a n j i n g 2 1 0 0 0 7 ， Ch in a Abs t r a c tTh is p ap e r r e v ie ws t h e de v e l o p me n t o f p r e s s ur e t e s t t e c h n olo gy b o t h a t h ome a n d a b r o a d．Th e hy dr au l ic s y s t em pla y s an i mp or t a n t r o l e i n en g i n e en n g e qu i p me nt ．T he t r a dit io na l me t h o d an d a p pli c a t i o n o f h y dr a uli c s y s t em pr e s s ur e t e s t a r e c omp ar e d wit h t h e c ur r e n t o ne s，t h e y a r e i mp r o v e d．Th i s p a pe r als o mak e s a s t ud y o f t he de v elop me n t o f n o n- c o n t a c t pr e s s u r e t e s t o n h y drau l ic s y s t e m an d l o o k s int o it s pr o s pe c t s ． ke y wor ds h y d r a u l ic s y s t e m ；n o n- c o n t a c t ；u lt r as o n i c；t e n d en c y 0 引言 工程机械是涉及机械、 电子、 液压等多种设备和结构 的复杂装备 ， 故障检测比较困难。液压系统作为工程机械 的重要系统之一 ， 其状态直接关系到工程机械能否正常工 作。工程机械液压系统故障超过系统故障总数 的 1 ／ 3 ， 在 工程机械故障中占的比例最大， 液压系统故障检测是工程 机械故障检测中的重点。液压系统的故障定位需要很多 的压力参数 ， 从而能够综合分析出故障元件。传统液体压 力检测方法需要感压元件和液体介质相接触才能实施检 测 ， 然而在液压系统故障诊断中临时安装压力表或压力器 是十分困难的。非插入式液体压力检测技术有助于快速 故障诊断的实现。 的重点均放在感压元件、 传递元件和显示元件上。归纳 起来 ， 感应压力的元件有波登管、 波纹管、 膜片 、 膜盒等， 传递 转换 元件 的变换效应 已达数十种， 如应变效应、 压阻效应、 电容变换、 电感变换、 涡流效应、 霍尔效应、 谐 振原理、 力平衡原理、 压电效应、 激光干涉原 理、 光纤变 换等， 而显示环节则经历 了机械式、 数字化 和智能化三 个发展阶段。 油液 1 传统液压系统检测相关研究情况 图 传 统 的 接 触 式 液 压 测 量 方 法 原 理 图 通常的压力测量方法是在被测点安装压力传感器。 感 应压力的元件直接与被测介质相接触， 把压力值转换成电 信号并与现场相适应的方式向外传输信号， 包括有线和无 线等传输方式⋯。这种方法的优点是直接简单 ， 传感器 直接感受到压力的变化， 测量的数据较为精确。 传统的压力检测的方法按敏感元件和转换原理的特 性不同一般可以分为3类 液柱式压力检测方法、 电气式 压力检测方法和活塞式压力检测方法。压力检测方法 属于接触式测压方法 ， 其测量原理均可用图 1来表示。 无论是机械压力检测 ， 还是 电量电气式压力检测， 研究 上述测量方法在液压系统故障诊断中遇到严重挑战。 这是因为在液压系统的故障定位过程中临时需检测压力 的部位较多， 并且现在工程机械中的液压系统比较复杂， 在这些部位安装压力表或压力传感器受到空间和系统布 局的影响。在液压系统的液压油导管上开孔会使导管的 强度大大降低， 使系统的安全系数降低， 在复杂的液压系 统中安装测量装置是十分困难或不允许的， 这就导致了液 压系统接触式压力检测在使用中的困境。为了使压力检 测的应用更加方便， 范围更广， 液压系统非接触式压力检 测得到了快速发展。 作者简介 曹兴伟 1 9 8 7 一 ， 男， 河南南阳人， 硕士研究生， 研究方向为工程机械故障诊断。 6 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u rn a 1 ． n e t ． c n E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． e n 机械制造与自动化 机械制造 曹兴伟， 等 液压系统非接触式压力检测研究 2 非接触式检测研究现状 2 ． 1 传统非接触式液压系统压力检测 目前， 对非接触式测量方法的研究进行了许多艰辛的 探索， 也推出了不少产品。非接触式液压检测方法， 是指 突破传统接触式测压方法的思维模式 ， 无需在管道上加工 测量孔 ， 安装压力检测仪器 ， 就能在管外检测出管内液体 压力的测量方法 。 。这种方法无论是用位移传感器还 是用电容式传感器都必须配有专用夹具来固定。这种非 接触式测量思路是液体压力作用于液压元件使其产生应 变、 位移等， 这是整个测压序列的第一步。由材料力学会 联想到在液压作用下钢管也会产生弹性变形 ， 这样就可以 利用已有的变换元件和知识元件， 以实现液压压力检测的 目的。这种思路是传统测压方法的衍生， 根据液体压力作 用下金属管道径向产生弹性变形， 通过检测外部微小变形 量即可计算出管道内部工作压力。 在工程机械液压系统通常工作压力范围02 5 MP a 内， 管道外径 的变形量十分微小。如对于外径为 3 2 m m 壁厚为 5 m m的钢管， 当内部油液压力达 2 5 MP a时其外 径变形量只有十几微米 。对于管道 的微小变形量 ， 可 采用各种成熟的传感器配专有夹具来检测。例如， 可以采 用线性可调差动变压器进行检测， 也可以采用便携式电容 传感器进行检测。弹性元件之所 以发生变形是压力作用 的结果。这种压力检测最常用的是弹簧管压力表。此类 仪表对信号的响应速度是不高的， 因此它只能用于静态测 量和指示性测量。如由电阻式应变片组成的非接触式液 压系统压力检测基本原理公式为 Z _ I ／ gx 1 望 K 1 ／ ,z e 。 p8 式中 为电阻的应变灵敏系数； 为材料的泊松比； p为 电阻率。 计算电阻式应变片的电阻的变化通过转化即可求得 液压系统管道内液体的压力。 2 ． 2 超声波液压系统压力检测 超声波检测在近几十年中得到了较大的进展 ， 它已成 为材料或结构的无损检测最常用的手段。超声波无损检 测与其他常规技术相比， 它具有被测对象范围广、 检测深 度大、 缺陷定位准确， 检测灵敏度高、 成本低 ， 使用方便、 速 度快、 对人体无害及便于现场检测等优点。几十年来， 超 声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用， 几乎应用到所 有工业部门。如作为基础工业 的钢铁工业， 机器制造工 业、 锅炉压力容器有关工业部门、 石油化工工业、 铁路运输 工业、 造船工业、 航空航天工业、 高速发展中的新技术产业 如集成电路工业、 核 电工业等重要工业部门 。尤其对 裂缝 自身高度的测量和高温条件下的非接触超声波检测 等方面都有很大进展。利用超声波测量流速、 流量的技术 在医疗、 供水、 捧水、 废水处理、 电力、 石油、 化工、 冶金、 矿 山、 环保、 河流、 海洋等计量检测中有着广泛的应用 ， 不仅 可用于流体， 液固两相流的测量， 还可用于气体流量测量 ， Ma c h i n e B u il d i n g A u t o m a t i o n ， J u n 2 0 1 3 ， 4 1 J 6～8 ， J D 其研究已有数十年历史 。国内华中理工大学于 1 9 9 3年 研制成功了超声波多普勒智能流量计 ； 本溪无线电一厂生 产的多普勒超声波流量计是 2 0世纪 8 0年代定型的产品， 用于供水和油田等场合； 开封仪表厂能源部南京 自动化研 究所、 长沙电子仪器二厂等生产厂家和研究单位均有相应 的产品。 随着工业的发展， 人们要求可以有更多的非接触式压 力测量方法来满足实际应用中的需要， 在这种情况下 ， 近 年来采用超声技术来检测压力的研究也有少量报道。随 着超声波测量技术越来越成熟， 这使得把超声波应用至液 压的测量上将成为可能。 2 ． 2 ． 1 超声波测量原理 超声波是一种频率接近或超过 2 0 0 0 0 H z的机械振 动。超声波液压系统压力检测是通过超声波仪探头产生 和发射高频超声波到待检测液压系统中， 利用超声波在同 一 均匀介质中按恒速直线传播， 而从一种介质传播到另一 介质时， 它会产生反射和折射 的原理， 再用探头接收这些 反射、 折射的超声波到超声仪 ， 由超声仪放大显示在超声 显示屏上 ， 然后根据显示 的波形来判断系统 中油液的属 性。超声波检测有高灵敏度、 操作简便、 探测速度快、 成本 低的优点 ， 因此得到广泛应用 J 。 超声波在流动的流体中传播时， 可以载上流体压力的 信息， 而流体的压力可以通过接收到的超声波频率反映出 来 J 。因此， 通过接收穿过流体的超声波频率就可以检 测出流体的运动特性信息， 从而换算成压力。 超声波测压仪的超声波收发器起着发射器和接收器 的双重作用， 收发转换器用来转换超声波的传播方 向， 一 定时间间隔内使超声波按顺流方向发射， 再经相同的时间 间隔沿逆流方向发射。它采用一个声循环 回路按时交替 转换的分时方式， 即超声波的发射。接收和电信号的发 射、 放大回路只有一组， 在一定周期内交替转换超声波的 发射。接收过程， 使超声波的传播方向交替逆转， 分别把 对应的声循环频率用计数器技术 ， 从而获得频率差。 2 ． 2 ． 2 超声波衰减测量法 超声波在不同压力的流体中传播时， 由于液体的内应 力不同， 会导致超声波有不同程度的衰减， 可用相对声衰 减法测得超声波幅值的衰减量 ， 进而求得对应的压力。这 种方法影响因素较多， 还有待进一步研究。 2 ． 2 ． 3 消除管壁影响的测量方法 超声波在气体和液体这样的流体介质中是以纵波的 形式传播的， 其传播速度与油液 的压力成正 比， 其方程 式为 v 2 式中 为超声波在介质中的传播速度； K为介质的弹性 模量 ； p为液压系统中液体的密度。 7 机械制造 曹兴伟， 等 液压系统非接触式压力检测研究 可知 ， 超声波在介质中的传播速度与介质的密度和弹 性模量有关。当流体介质受到的压力增高时， 其密度增 加 ， 同时弹性模量也增加。这样当压力变化时会引起介质 的两个物理特性发生变化， 它们都会对通过其中的超声波 速度产生影响 ] 。同时产生影响的还有外界温度。据 比 卡尔的研究成果及 声学手册 提供的实验数据， 有以下 几个结论 式 1 在一定温度下， 声速随着压力的增高而 线性地增加。其方程式为 三 p 3 CO 式中 C为液体中声速； C 。 为一个大气压下液体中超声波 的传播速度； P为液体压力； 为比例系数。 测量原理如 图 2所示 。 超 声波 发射接收器 a 超声波接 收器 b 图2 超声波检测油液压力原理 在图 2中， 探头 a工作方式是发射脉冲， 产生工作所 需要的超声波， 探头 b用于接收穿透管壁和液体介质后到 达的超声波。设油管内径为 D、 外径为 d 。超声波从探头 a 发射到探头 b接收到穿透波的时间间隔为 t ， 在声程为 D的油液中传播的声时为 t ， 在声程为d - D ／ 2的管壁 中传播的声时为 t ， ， 系统延时为 t 。则有以下关系式 t 1 t 2 t 3 4 式中 t ， t 是与超声波在流体中的传播无关的时间量。 可以消除管壁影响的采用优化的方法是 改进发射探 头同时作为接收探头接受由对侧管壁反射回来的超声波。 则时间公式如下 t 2 2 t 2 t 3 5 综合式 4 和 5 则可得出 t t 2一t 由式 1 和式 5 可得 6 7 t t l t 2 因此， 式 7 即为所要得到的超声波管外压力检测数 学模型公式， 利用这一公式， 可以通过测量超声波在管道 内传播时间的变化来推导出超声波在管道内的速度变化 ， 从而确定石油管道内部压力的变化情况。在实际工作中， 首先需确定超声波探头的特性参数。选用脉冲直探头， 用 夹具对称安装在管道的两侧。根据不同的介质和使用环 境 ， 需确定超声波的频率。频率高时， 声束窄、 能量集中， 分辨率高； 但衰减显著， 特别是当检测表面粗糙时， 由于散 射大而不易射人。根据 声学手册 提供的资料 ， 根据不 同的环境以及工程机械液压系统工作条件而学则不同的 8 超声波频率。 3 超声波液压系统压力检测方法的 改进 在超声波液压系统压力检测过程中， 影响因素可以分 为2种 ， 1 是可以控制的因素包括检测系统的选用、 检测 过程中仪器的调整等； 2 是不可以控制的因素包括由于 现在的技术水平引起的测量误差。下面从可以控制的超 声波因素进行研究。 超声波受到干扰的因素比较多。例如 环境噪声、 温 度、 振动等。其中温度的影响又是一个比较重要的因素。 本文提出在超声波进行液压系统压力检测的过程中消除 温度的影响。能够更加精确的测量液压系统压力具体的 过程如下。温度变化时压力测量原理 设定压力为 P， 温 度为某一特定温度 时的状态为初始状态， 当进行测量 的过程中由于系统的工作环境和工作状态发生了变化 ， 温 度和压力都发生了变化。当进行测量的过程中假设温度 为 ， 可以求出温度的变化量为 Z I T T - T o 8 在本文中提出传播时间修正量 f ， 时间修正的表达 式 为 ,A t a p f l A T 9 式中 ， 为常数 ， 同时提 出测量多组数据 ， △ f ， ⋯， △ t ， 然后求其平均值这样可以消除一次测量所带来的测 量误差 ， 使得到的修正误差更加准确。如式 1 0 所示 n ∑A t i 平均 1 0 n 在最终求出了平均修正时间以后就可以结合 3 和 7 求出最终的超声波传播速度， 如式 1 1 所示 p 1 1 k c o t l - t 2 A t k c o t 1 一 ￡ 2 一 当被测液压系统温度升高时取一 号， 当温度降低时取 十 号。这样就可以更加精确的测量系统的压力。 4展望 由于影响被测压力和频率之间关系的因素很多， 有系 统压力、 管道直径、 壁厚和材料、 液体种类、 液压系统的震 动和噪声等。这些影响因素都将会影响到超声波检测系 统的精度。考虑到神经网络具有极强的非线性逼近能力 ， 而且输入维数 中间量的个数 对基于人工神经网络的系 统建模过程的复杂程度影响不大， 因此可以选用神经网络 来构建系统模型。随着科技的进步超声波检测技术也将 会有更大的发展空间。液压系统非接触式压力检测朝以 下几个方面发展 。 1 随着计算机技术的发展 ， 检测技术方法， 检测仪器 逐步向高、 精、 尖方向进步， 超声仪器智能化、 超声成像技 术 、 雷达技术、 红外线技术等应用更好更完善成熟。 下转第 l 5页 h t t p ∥Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自 动化 机械制造 李琳 ， 等 新型三平动并联机床的运动分析 理论值为4 7 ． 1 2 4 m m ,／ s ， 最大线加速度为 7 4 ． 0 2 1 m m ／ s ， 理论 值为74． 0 2 2 m m ／ s 。该机床驱动杆的伸缩速度曲线连续并 且非常光滑， 说明该机床运动时的平稳性较好。 4 结束语 奇异性是并联机床结构参数设计所需考虑的重要因 素， 而平稳性是衡量并联机床机构性能的重要指标。本文 推导出该并联机床的雅可比矩阵， 分析了新型三自由度并 联机床的奇异性。运用 MA T L A B软件求出该机床雅可比 矩阵行列式的绝对值表达式， 经分析得出 I d e t ．， l 0且 I d e t ．， I ≠∞， 即该机床不存在奇异形位， 具有较好 的可 操作性； 同时研究了该机床的平稳性， 仿真出机床驱动杆 的伸缩速度变化曲线， 仿真结果表明该机床运动时的平稳 性较好。 参考文献 [ 1 ] 王传强， 赵恒华． 3 T P T 并联机床奇异性及平稳性研究[ J ] ． 组 合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 0 ， 1 0 2 6 2 8 ． [ 2 ] 刘素明， 赵强， 李军． 3 - 2 H S S 并联机床运动学分析及运动仿真 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8， 9 1 1 5 1 1 7 ． [ 3 ]陈旭， 邓亮 ， 蔡光起， 等． 基于 3 - U P S机构并联机床的运动学 分析 [ J ] ． 机械与电子 ， 2 0 0 5， 6 9 - 1 1 ． [ 4 ]王传强 ， 赵恒华． 并联机床的奇异性研究[ J ] ． 石油化工高等 学校学报 ， 2 0 1 0， 6 8 4 8 8 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 30 9 上接第 8页 2 通过上文的分析可以看出在液压系统压力的测量 过程中对于时间的测量非常重要， 因此提高计时装置的测 量精度对整个液压系统压力检测意义重大。 3 各种新技术方法的技术规程的制定 ， 利用非接触 式检测的方法进行全部工作过程的实时监测， 是确保液压 系统安全稳定工作的有效途径。检测方法必须按照标准、 规范进行 ， 因此， 结合我国国情制定新规程是非常重要的。 4 高效率的超声波换能器的研发大力发展 ， 研究更 为先进的传感器 ， 实现非接触式测 量， 如激光超声波传 感器 引。 参考文献 [ 1 ]S z i l a r d J ． U l t r a s o n i c t e s t i n g - N o n --c o n v e n t i o n a l t e s t i n g t e c h n i q u e s 超声检测新技术 [ M] ． 陈积任， 余南廷译． 北京 科学出版 社 。 1 9 9 1 ． [ 2 ] 祝海林， 等． 管道流量非接触测量方法与技术 [ M] ． 北京 气 象 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ]袁易全． 近代超声检测与应用[ M] ． 南京 南京大学出版社． 1 9 9 6． 21 1 ． [ 4 ]李芳 ， 等． 液压系统超 声波 流量检测 声时估 计方法研 究 [ J ] ． 计量技术 ， 2 0 0 9， 4 6 - 1 0． [ 5 ]H i r o a k i I s h i k a w a ， M a s a k i T a k a m o t o ， D e v e l o p m e n t o f a n e w u l tr a s o n i c l i q u i d fl o w me t e r f o r v e r y l o w f l o w r a t e a p p l i c a b l e t o a t h i n p i p e T h e Ni n t h I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n S e mi c o n d u c t o r Ma n u f a c t u r i n g， p p ． 3 8 3 3 8 6， 2 0 0 7． [ 6 ]王艳霞， 等． 一种高精度的超声波检测流量系统[ J ] ． 压电与 声 光 ， 2 0 0 3 ， 2 5 1 8 4 8 6 ． [ 7 ]郑 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