双作用液压缸磨损程度软测量方法及剩余寿命预测.pdf

万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 本研究得到国家自然科学基金项目“液压设备动能刚度原理、性能退化机理及运行安全保 障研究”（51675339）的资助。 双作用双作用液压缸磨损程度软测量方法及剩余寿命预测液压缸磨损程度软测量方法及剩余寿命预测 专业机械工程 硕 士 生薛旭飞 指导老师谷立臣 教 授 摘要 双作用液压缸属于工程建设﹑冶金﹑矿山﹑国防等领域液压设备的关键部件， 是保障整机装备正常工作的执行元件。液压缸密封系统中由于油液污染、运动副 之间的摩擦，使其密封件磨损造成油液泄漏，轻则损失能量，重则导致装备性能 下降甚至瘫痪。因此，液压缸磨损及其寿命预测一直是机械工程领域亟待解决的 实际问题。液压元件结构复杂、故障隐蔽，导致液压系统维修困难，因此对液压 缸内部磨损失效后的状态信息获取变得尤为重要。泄漏量是能够直接反映密封圈 密封磨损指标。因此研究液压缸密封磨损泄漏机理，建立双作用液压缸磨损量与 泄漏量之间的映射关系，对液压缸状态监测、可靠性分析及寿命预测具有重要意 义。 本文从液压缸活塞密封元件磨损机理研究入手，对液压缸密封元件的磨损机 理进行了系统分析。对液压缸活塞密封件的静密封、动密封机理进行分析的基础 上，确定了影响液压缸活塞密封磨损泄漏的关键参量。 然后，研究了液压缸活塞密封磨损软测量方法。建立了液压缸活塞密封软测 量方法的总体框架，给出了框架中各模块之间参数的传递关系。基于 Archard 磨损 方程，建立 O 形圈密封磨损的有限元仿真模型，对不同磨损程度下的活塞密封间 隙之间接触压力和密封间隙宽度变化规律进行分析。通过仿真结果给出了液压缸 活塞密封磨损泄漏的映射曲线。 重点开发了液压缸活塞密封磨损软测量实验系统，设计了实验方法，分析了 实验数据。通过设计的液压缸往复运行实验台进行了液压缸活塞磨损软测量试验。 通过活塞密封磨损实验，测量不同磨损程度下液压缸内泄漏量，并采集液压缸运 行过程中压力和活塞杆位移数据，通过小波包分析方法提取磨损泄漏特征量，实 现液压缸磨损程度软测量。 西安建筑科技大学硕士学位论文 最后，通过设计液压缸性能退化试验得到液压缸性能退化数据，基于退化数 据进行退化参数建模。通过退化轨迹得到液压缸伪寿命数据，结合威布尔寿命分 布模型，得到液压缸剩余寿命可靠度曲线，为开展液压缸状态监测、可靠性分析 及寿命预测提供了新方法。 关键词关键词双作用液压缸，磨损，软测量，退化参数，寿命预测 论文论文类型类型应用研究 西安建筑科技大学硕士学位论文 This research is supported by the NSFC item Research on mechanical-electrical-hydraulic system coupling characteristics and mechanism of fault evolution based on electric 51675339. Soft sensing of double acting hydraulic cylinder wear degree and prediction of residual life SpecialtyMechanical Engineering AuthorXUE Xufei SupervisorProf.GU Lichen Abstract Double acting hydraulic cylinder is a key component of hydraulic equipment in engineering construction, metallurgy, mining, national defense and other fields. It is an cutive component to ensure the normal work of the whole equipment. In the hydraulic cylinder sealing system, oil pollution and friction between moving pairs cause oil leakage due to the wear of the seals, which leads to the loss of energy or even the deterioration of equipment perance or even paralysis. Therefore, the wear and life prediction of the hydraulic cylinder has always been an urgent practical problem to be solved in the field of mechanical engineering. Due to the complex structure of hydraulic components and concealed faults, it is difficult to maintain the hydraulic system. Therefore, it is particularly important to obtain the status ination of the internal wear and failure of the hydraulic cylinder. The leakage can directly reflect the sealing wear index of the sealing ring. Therefore, it is of great significance to study the sealing wear and leakage mechanism of hydraulic cylinder and establish the mapping relationship between wear and leakage of double-acting hydraulic cylinder for the condition monitoring, reliability analysis and life prediction of hydraulic cylinder. In this paper, the wear mechanism of piston sealing element of hydraulic cylinder is analyzed systematically from the research of the wear mechanism of piston sealing element. Based on the analysis of the static seal and dynamic seal mechanism of the hydraulic cylinder piston seal, the key parameters affecting the wear and leakage of the hydraulic cylinder piston seal are determined. Then, the soft-sensing of hydraulic cylinder piston seal wear is studied. 西安建筑科技大学硕士学位论文 The general framework of soft sensing for piston seal of hydraulic cylinder is established, and the parameter transfer relationship between each module in the framework is given. Based on Archard wear equation, a finite element simulation model of O-ring seal wear was established. The contact pressure between piston seal clearance and the width of seal clearance under different wear degrees were analyzed. The mapping curve of hydraulic cylinder piston seal wear and leakage is given through the simulation results. The soft - sensing experimental system of hydraulic cylinder piston seal wear was developed, the experimental was designed and the experimental data were analyzed. The soft measurement test of hydraulic cylinder piston wear was carried out through the designed hydraulic cylinder reciprocating operation test plat. Through the piston seal wear experiment, the leakage in the hydraulic cylinder under different wear degrees was measured, and the pressure and piston rod displacement data during the operation of the hydraulic cylinder were collected. The characteristic quantity of wear and leakage was extracted by the wavelet packet analysis , and the soft measurement of the wear degree of the hydraulic cylinder was realized. Finally, the perance degradation data of hydraulic cylinder were obtained by designing the perance degradation test of hydraulic cylinder, and the degradation parameter modeling was carried out based on the degradation data. The pseudo-life data of the hydraulic cylinder were obtained through the degradation trajectory, and the residual life reliability curve of the hydraulic cylinder was obtained by combining with the Weibull life distribution model, which provided a new for the condition monitoring, reliability analysis and life prediction of the hydraulic cylinder. Keywords double-acting hydraulic cylinder, wear, soft sensor, degradation parameters, life prediction Paper type Application research 西安建筑科技大学硕士学位论文 I 目录 1 绪论绪论................................................................................................................................1 1.1 引言....................................................................................................................1 1.2 研究目的及意义................................................................................................2 1.3 国内外研究现状................................................................................................3 1.3.1 双作用液压缸磨损失效机理研究现状..................................................3 1.3.2 密封圈磨损有限元仿真技术研究现状..................................................4 1.3.3 双作用液压缸剩余寿命预测研究现状..................................................5 1.4 本文的主要研究内容及结构安排.....................................................................7 2 双作用液压缸活塞密封磨损泄漏理论分析双作用液压缸活塞密封磨损泄漏理论分析................................................................9 2.1 影响活塞密封磨损因素分析.............................................................................9 2.2 活塞密封磨损机理...........................................................................................10 2.2.1 疲劳磨损................................................................................................10 2.2.2 磨粒磨损................................................................................................11 2.2.3 粘着磨损................................................................................................11 2.3 活塞密封泄漏机理...........................................................................................13 2.3.1 静密封下的泄漏....................................................................................13 2.3.2 动密封下的泄漏....................................................................................15 2.4 液压缸活塞密封磨损程度与泄漏量之间的映射关系...................................17 2.5 本章小结...........................................................................................................18 3 双作用液压缸磨损程度软测量方法研究双作用液压缸磨损程度软测量方法研究..................................................................19 3.1 液压缸磨损程度软测量方法...........................................................................19 3.2 活塞密封磨损有限元分析...............................................................................20 3.2.1 有限元仿真实体建模............................................................................20 3.2.2 密封圈材料本构模型............................................................................21 3.2.3 密封圈磨损本构模型............................................................................22 3.2.4 仿真步骤及加载边界条件设置............................................................23 3.3 磨损仿真结果及数据分析...............................................................................27 3.3.1 磨损对接触压力分布的影响................................................................28 西安建筑科技大学硕士学位论文 II 3.3.2 磨损对接触宽度的影响........................................................................30 3.4 磨损程度与泄漏量之间的映射关系...............................................................30 3.5 磨损泄漏对系统参数的影响...........................................................................31 3.6 本章小结...........................................................................................................35 4 双作用液压缸磨损程度软测量方法实验研究双作用液压缸磨损程度软测量方法实验研究..........................................................37 4.1 机电液远程测控实验台介绍...........................................................................37 4.1.1 机电液远程测控实验台........................................................................37 4.1.2 测控系统组成........................................................................................40 4.2 液压缸磨损量与泄漏量映射关系的实验验证...............................................43 4.2.1 液压缸内泄漏量测量方案选择............................................................43 4.2.2 实验流程................................................................................................44 4.2.2 试验数据处理........................................................................................46 4.3 磨损程度软测量方法.......................................................................................48 4.3.1 基于小波包理论的数据处理................................................................48 4.3.2 流体压力信号磨损程度特征提取........................................................51 4.3.3 活塞杆位移信号磨损程度特征提取....................................................54 4.4 本章小结...........................................................................................................55 5 双作用液压缸剩余寿命预测双作用液压缸剩余寿命预测......................................................................................57 5.1 基于退化参数的剩余寿命预测方法...............................................................57 5.2 液压缸剩余寿命预测......................................................................................58 5.2.1 退化数据获取........................................................................................58 5.2.2 退化参数建模........................................................................................59 5.2.3 基于回归模型剩余寿命预测................................................................61 5.3 本章小结...........................................................................................................65 6 结论与展望结论与展望..................................................................................................................67 6.1 结论...................................................................................................................67 6.2 展望...................................................................................................................67 参考文献参考文献.........................................................................................................................69 攻读硕士学位期间学术论文及成果攻读硕士学位期间学术论文及成果.............................................................................73 附录附录.................................................................................................................................74 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 1.1 引言 液压系统以其功率比大、体积小、工作平稳、易实现自动化等优点被广泛应 用于工程机械、冶金工业、船舶工业、航空航天等重要领域。液压系统在整个机 械设备中起核心能量转换和控制作用，一旦发生故障，将造成重大的经济损失[1]。 液压缸作为液压系统中最常用的液压执行元件，其运行安全性直接关系到整 个液压系统的工作效率。双作用液压缸作为液压缸中最常见的类型，被广泛应用 于工程机械设备中，如起重机械、土方机械、以及运输机械等工程机械中。在这 些工程机械常见的设备故障中， 双作用液压缸的故障占比相对较高约占 5060， 液压缸出现故障的主要表现形式为活塞杆动作不良、液压缸爬行、活塞密封泄漏 等几种故障现象[2]。 图 1.1 液压系统应用领域 分析表明液压缸出现故障的原因分为内因和外因，内因为液压缸零件加工装 配误差，这一部分在零件加工中无法避免，外因为长期工作下零件的老化，疲劳， 磨损，拉伤等造成的失效[3][4]。其中，双作用液压缸活塞密封在外因下的失效会造 成油压降低，诱发滑动部件的失效，高低压腔窜油等现象。液压缸活塞密封磨损 失效导致的缸体泄漏严重降低了液压设备工作效率和产品寿命，并且造成整机设 备工作环境污染和油液资源浪费。液压缸的故障不仅造成经济损失，还有可能造 成严重的安全事故[5]。 综上所述，双作用液压缸活塞密封磨损失效会造成极其严重的后果。因此， 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 对液压缸活塞密封磨损程度进行测量和监测，及时对液压缸故障做出预判，避免 造成更大的经济损失和安全事故，在工程实际中具有极为重要的意义。对于研究 实际液压缸的寿命预测具有借鉴与指导作用。 1.2 研究目的及意义 随着人类需求的日益增长及科学技术的不断进步，使得工业技术得到了蓬勃 发展，同时对工程机械类产品的技术标准不断提高；也对液压系统功率比提出了 更高的要求，例如控制准确性和灵敏性要求较高。而液压技术就能够满足机械设 备复杂化及更高的性能要求[6]。液压系统相比于机械或者电气等系统，则属于封闭 系统，在对系统进行故障测量，无法直观的从外部获取故障信息，也无法直接获 取液压元件内部的介质流动状态，这使得液压系统在自身发生故障时，不能够通 过常规的方式对液压系统或主要元件进行故障诊断或测量。这使得液压系统在维 修方面的难度增加。尤其针对大型的工程机械来说，在现场主要密封件更换的经 济性远低于定期维护和更换。 液压缸作为液压系统中最常用的执行机构元件，其工作状态的改变直接影响 整个液压系统的效率。由于液压系统大多数应用场景环境较差，液压油容易污染， 造成液压设备发生磨损。例如液压装载机、液压挖掘机等设备元件发生故障时， 其中液压缸发生故障率很高。而在液压缸故障中，由于其自身密封件发生磨损而 导致液压缸出现爬行、推力不足等故障占到液压缸故障的 50-70[7]。在液压缸 中，不同位置的密封方式不同，其密封件失效产生影响也有所不同。活塞密封失 效，会造成液压缸高低腔串压现象，此种故障隐患最大。 密封圈作为液压缸密封中关键零部件，对液压密封起着重中之重的作用。由 于密封圈在使用过程中会有摩擦，其不但影响液压缸运行状态，也会影响密封区 域的油膜厚度。密封接触区域的摩擦会导致密封圈表面材料脱落，对油液造成污 染。脱落的磨屑间接造成了液压缸密封圈的二次磨损，加快了密封圈的老化速度。 对于液压缸来说也降低了液压缸的输出力，增大了液压缸的启动压力。同时在液 压缸低速运行时，由于密封件的磨损，会导致液压缸产生爬行现象。因此研究密 封圈的密封性能、磨损特性以及寿命预测，是液压传动系统实现稳定传动的一大 难点，也是保障液压系统运行稳定关键条件之一。因此针对工程机械中液压缸密 封性能和磨损特性进行分析，建立磨损量与泄漏量之间的映射关系，将作为液压 缸寿命预测的有效依据。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1.3 国内外研究现状 1.3.1 双作用液压缸磨损失效机理研究现状双作用液压缸磨损失效机理研究现状 液压缸活塞密封磨损失效产生的因素有很多种。例如，活塞密封件的密封形 式、密封件材料选择、密封件在活塞沟槽内部的安装方式，以及活塞密封件的使 用条件和工作环境等。自上世纪九十年代以来，液压设备密封磨损失效机理是工 程机械设备安全性保障的热点问题。因此，国内外许多学者对液压缸活塞密封磨 损失效的机理进行了深入研究。 英国伦敦大学的 Nikas 对近八十年来的液压缸密封系统进行了总结[8]。White 和 Denny 针对液压密封系统， 研究了流体压力和温度的变化对密封件摩擦力和密 封间隙接触压力的影响规律。在此基础上，研究了不同密封件材料表面形貌特征 变化对密封性能的影响规律[9]。Y Zhang 等人通过对执行机构往复式密封的密封机 理进行分析，得到了密封圈的失效准则，此结论可以为正确使用橡胶密封圈提供 参考，并为密封圈的寿命预测方法研究提供指导[10]。德国学者 Heipl 通过对液压密 封摩擦机理进行研究，开发以一种适用于高速运行状态下活塞杆摩擦力测量设备， 并对不同密封形式的液压缸活塞杆摩擦力进行了测试[11]。 德国亚琛工业大学 Julian Angerhausen 等人利用 Archard 的磨损模型，模拟了摩擦、流体膜和磨损之间的相 互依赖关系。通过与实验结果的比较，不仅对磨损区域有很好的一致性，而且对 磨损表面的精确几何形状也有很好的一致性[12]。英国学者 Agarwal 以飞机的液压 作动器为研究对象，通过对作动器的密封摩擦机理进行分析，提出了一种测量作 动器摩擦力的方法。该方法以理论计算出来的摩擦力对实际密封摩擦力进行估计， 并通过试验对该方法进行验证[13]。罗马尼亚 Transilvania 大学的 Deaconescu A, Deaconescu T 针对马达密封系统的液压密封材料性能，以三种不同的橡胶材料对 其密封能力进行研究，得到了不同工作压力和位移速度下的最优密封材料选择[14]。 国内学者陈国栋在 2008 年陈国栋以某液态火箭发动机动密封系统为研究对象，全 面分析了静密封、动密封状态下密封材料的力学性能，得出了流体压力、预压缩 量等参数对密封性能的影响规律[15]。2014 年哈尔滨工业大学李欣提出了一种用于 密封磨损预测的热-结构耦合有限元分析方法，通过热固耦合方法分析密封磨损过 程中，密封力变化对磨损的影响[16]。2014 年英国伦敦大学的 Nikas 等人研究温度 对弹性密封件的密封性能的影响规律，得出了温度和流体压力变化对矩形密封圈 密封性能的影响规律[17]。2016 年浙江大学赵志全、欧阳小平等人基于混合润滑理 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 论对航空作动器密封性能进行分析，结果表明密封件在高压工况下会增大泄漏， 并且使得密封面之间的摩擦力增大，加剧密封材料的磨损。随着密封件之间的往 复速度增大，密封表面之间不易形成油膜，密封材料磨损加剧[19]。2018 年北京航 天航空大学刘迪提出了一种考虑相互作用表面微观因素影响的混合润滑条件下旋 转唇密封多尺度磨损模拟方法。仿真结果表明，在提高轴向粗糙度的同时，减小 轴向粗糙度可以减少轮齿密封的磨损[20]。2018 年中国地质大学左圆圆以钻井工具 密封件为研究对象，在高温下用干摩擦磨损实验研究密封圈的摩擦特性，得出密 封件磨损量对密封件材料表面温度的影响规律；其磨损量受压缩量影响，并呈一 次性线性关系[21]。 1.3.2 密封圈磨损有限元仿真技术研究现状密封圈磨损有限元仿真技术研究现状 有限元技术最早起源于 20 世纪 60 年代，其解决问题的思路就是用简单问题 的代替复杂问题进行数值求解。在密封圈有限元技术最开始应用时，研究者们通 常只是将密封件简化成简单的几何平面，并根据这一平面上的受力情况进行几何 解析。当密封圈分析中涉及到应变、应力分析时，也只是简单利用应力单元分析 密封圈力学性能。随着计算机技术的不断发展，许多用于摩擦力和磨损计算的数 学模型被广泛应用于密封圈摩擦磨损有限元分析中。 有限元技术应用于密封圈密封性能分析最早开始于上世纪 90 年代，通过使用 有限元中的非线性系统模块，解决了橡胶超弹性材料在受到流体压力下产生大变 形难以收敛问题[22]。 德国Robert Bosch GmbH公司的Schmidt等人利用有限元技术， 在有限元软件中模拟了液压缸活塞密封的二维平面模型，并对比了三种不同的摩 擦状态下的密封圈的密封性能[23]。印度的 Bhuamik 等人对丁腈橡胶材料密封圈密 封接触力进行了有限元模拟，分析了低、中、高压下的橡胶密封圈的接触压力分 布以及不同速度下的接触副的摩擦力变化规律[24]。2007 年清华大学沈锋钢通过在 Ansys 中建立液压缸活塞密封圈密封的有限元模型， 在低压工况下分析密封圈在不 同压缩率下的接触压力的变化规律，给出了密封圈在安装时压缩率合理范围[25]。 2011 年哈尔滨工业大学 胡琦借助软件分析了形密封圈在静压工作状态不同参数 下的综合等效应力,得出了不同密封沟槽结构参数下的摩擦力、最大接触应力变化 规律[26]。2012 年山东大学的徐同江通过有限元技术模拟了 O 形圈密封接触时的力 学非线性现象，并得出了不同压缩率、油液压力下 O 形圈的力学性能的变化规律， 通过实验数据对比，证明 O 形圈有限元模型对分析密封圈密封性能具有一