一種新型的液壓泵健康狀況監(jiān)測(cè)方法

楊孟庚

液壓波動(dòng)是液壓系統(tǒng)中不可回避的現(xiàn)象,強(qiáng)烈的波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪音并可能損壞系統(tǒng)元件。但是流量的波動(dòng)也可以用作檢測(cè)液壓元件的途徑。該文簡(jiǎn)要論述了一種新型的通過檢測(cè)液壓泵產(chǎn)生的流量波動(dòng)來對(duì)泵的健康狀況進(jìn)行監(jiān)控及檢測(cè)的方法,并展望了此方法的潛在市場(chǎng)價(jià)值。

泵源流量波;泵源阻抗;次振源測(cè)量法;故障檢測(cè);推理流量算法

液壓波是液壓系統(tǒng)中固有的震動(dòng)形式。所有的液壓泵都會(huì)在靜流量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生周期性的液壓波動(dòng)。這種波動(dòng)是由液壓泵離散泵送液壓油產(chǎn)生的,比如離散的柱塞腔、齒輪的嚙合、油口的開閉和流體的壓縮等。這種流量波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生沿著系統(tǒng)傳播的壓力波,造成系統(tǒng)元件的振動(dòng)和噪音。這種周期性的振動(dòng)也會(huì)反映出液壓泵的特性及運(yùn)行狀況,不同的泵的流量波形是不同的,泵在健康狀態(tài)和受損后的流量波形也是不同的。

目前工業(yè)上使用的液壓系統(tǒng)健康狀況監(jiān)測(cè)方法可分為九大類:人的經(jīng)驗(yàn)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、超聲波檢測(cè)、油液監(jiān)測(cè)、熱監(jiān)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)、腐蝕監(jiān)測(cè)和靜態(tài)數(shù)據(jù)分析。這些方法都無(wú)法直接提供泵準(zhǔn)確的健康狀況。新的監(jiān)測(cè)方法僅使用一個(gè)在線壓力傳感器和一個(gè)在線光學(xué)傳感計(jì),可以提供泵的實(shí)時(shí)健康狀況,在對(duì)泵的可靠性要求高的領(lǐng)域有可觀的潛在市場(chǎng)價(jià)值。

1.液壓泵流量波動(dòng)的測(cè)量原理

由于在現(xiàn)今的技術(shù)條件下,流量波是幾乎無(wú)法直接準(zhǔn)確的測(cè)量的,所以有些學(xué)者直接使用壓力波對(duì)泵的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是壓力波的特性受整個(gè)系統(tǒng)的阻抗特性影響很大,而且還取決于壓力測(cè)點(diǎn)的位置,因?yàn)閴毫Σㄔ谙到y(tǒng)中會(huì)反彈,形成駐波甚至是共振。而流量波是不受系統(tǒng)阻抗的影響的。所以Nigel Johnston博士發(fā)明了一種間接測(cè)量泵發(fā)出的流量波的方法,稱為次波源法。

次波源法把泵發(fā)出的流量波和泵的源阻抗以簡(jiǎn)諧波譜的形式準(zhǔn)確的測(cè)量出來,這兩個(gè)物理量可以準(zhǔn)確的表達(dá)出泵源的波動(dòng)特性。

次波源法的實(shí)現(xiàn)基于測(cè)量在一根連接被測(cè)試泵出油口的鋼管上一系列位置的壓力諧波,通常是用在兩點(diǎn)或三點(diǎn)測(cè)量的壓力波來計(jì)算流量波的。圖1介紹了這種測(cè)試方法的液壓原理圖。在這項(xiàng)研究中,次波源是一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥,用來提供高頻的壓力脈沖。旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了壓力脈沖的頻率。被測(cè)試泵的頻率和相位由一個(gè)光學(xué)傳感器來記錄。

學(xué)者們之前的研究證明,液壓系統(tǒng)中的壓力和流量波動(dòng)可以用頻域的方法來描述,即壓力和流量波動(dòng)都可以被認(rèn)為是諧波。而泵源可以被類比為電氣系統(tǒng)中的電源,泵源流量波可以類比為電流,泵源壓力波可以類比為電壓,而泵源阻抗可以類比為電源的阻抗。所以泵出油口處的流量波可以用如下公式來表示:

是泵源流量波,是泵源阻抗,這兩個(gè)物理量取決于泵的設(shè)計(jì)和工況(如壓力、轉(zhuǎn)速),而與系統(tǒng)的特性無(wú)關(guān)。泵出油口處的壓力波和流量波可以通過對(duì)硬管上兩點(diǎn)以上的壓力波的測(cè)量結(jié)果的計(jì)算得到,實(shí)際操作中通常使用不等間距的三點(diǎn)壓力波測(cè)量以消除存在病態(tài)矩陣的可能。由于需要對(duì)測(cè)量到的壓力波進(jìn)行頻域分析,所以需要記錄壓力波的相位。泵源的頻率相位由一個(gè)光學(xué)傳感器來記錄,三點(diǎn)的壓力波被同時(shí)記錄。三點(diǎn)的壓力波和光學(xué)傳感器的信號(hào)被同時(shí)采集后,送入微機(jī)進(jìn)行采樣和使用FBN軟件進(jìn)行分析。采樣的時(shí)間長(zhǎng)度通常為泵送周期的整數(shù)倍,這樣可以保證消除泵旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)不同泵送周期間的差別。

首先同時(shí)開動(dòng)被測(cè)試泵和次振源。由于次振源被程序控制以和被測(cè)試泵不同的頻率提供諧波,在以次振源的基頻進(jìn)行采樣計(jì)算時(shí),可以被忽略不計(jì),這樣公式(1)可以整理為:

由公式(2)即可計(jì)算出泵源阻抗。盡管泵源阻抗受泵的工作條件影響很小,但是對(duì)于工作狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)的泵,泵源阻抗差別很大。所以在做次振源測(cè)量法的時(shí)候,要開啟被測(cè)試泵。

然后關(guān)閉次振源,僅開啟被測(cè)試泵,因?yàn)閴毫Σê土髁坎梢员粶y(cè)出,根據(jù)公式(1)就可以計(jì)算出泵源流量波。

次振源測(cè)量法有兩個(gè)難點(diǎn)需要解決。一個(gè)是兩個(gè)振源的諧波相互干擾的問題,這個(gè)問題通過讓兩個(gè)振源在完全不同的頻率下工作來解決。第二個(gè)難點(diǎn)是利用諧波的頻率和振幅來求解泵源阻抗的困難,因?yàn)樵诓煌l率的此波源下求解到的振源阻抗可能會(huì)產(chǎn)生一定的發(fā)散。這個(gè)問題可以通過多次測(cè)量后用一個(gè)阻抗數(shù)學(xué)模型來近行擬合,通常使用Norton模型或者改進(jìn)后的Parallel Norton模型就可以達(dá)到很好擬合效果。

2.泵健康度監(jiān)測(cè)流程

圖2介紹了基于推算泵源流量波的泵狀況監(jiān)測(cè)的操作流程。首先使用次振源法對(duì)完好的新泵進(jìn)行測(cè)試,得到泵源流量波的波譜;然后再新泵的出油口利用一個(gè)壓力傳感器進(jìn)行壓力波的測(cè)量,根據(jù)公式(1),可以得到與新泵相同型號(hào)的所有泵的泵源阻抗。之后在需要被監(jiān)測(cè)的正在實(shí)際使用中的泵的出油口的相同位置放置一個(gè)位移傳感器,來記錄被測(cè)試泵出油口的壓力波的頻譜。由于泵的阻抗在使用過程中基本不會(huì)產(chǎn)生變化,再根據(jù)公式(1),利用之前計(jì)算出來的泵的阻抗,計(jì)算出被監(jiān)測(cè)的泵的泵源流量波。以上的測(cè)量泵源流量波的方法稱為推理流量算法。利用推力流量算法計(jì)算出來的被監(jiān)測(cè)的泵的泵源流量波和之前用次振源測(cè)量法計(jì)算出的新泵的泵源流量波進(jìn)行減法運(yùn)算,即得到新的波形,可用于泵的健康狀況監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用分析

使用推理流量算法監(jiān)測(cè)泵健康狀況的實(shí)驗(yàn)選取兩個(gè)平衡式葉片泵作為被測(cè)試泵,一個(gè)是沒有任何損傷的新泵,一個(gè)由于氣穴現(xiàn)象造成了配流盤的損傷。通過圖2所示流程的實(shí)驗(yàn),得到圖3所示的泵損傷對(duì)泵源流量波造成的影響。不同的損傷對(duì)泵源流量波的影響不同,根據(jù)測(cè)試測(cè)到的泵源流量波的變化,可以推斷出泵的健康狀況。對(duì)于葉片泵配流盤上的氣穴損傷,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用一種簡(jiǎn)單的算法進(jìn)行判斷,即如果泵源流量波的振幅超過泵靜流量的0.7%,那么可以初步認(rèn)定配流盤已經(jīng)受到氣穴損傷。

這種新的監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)在于首先可以做到在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在工作設(shè)備上只需要安裝一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)光學(xué)傳感器,不需要被測(cè)系統(tǒng)停機(jī)拆卸等影響設(shè)備效率的操作,保證了設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),可用于停機(jī)會(huì)造成較大損失的系統(tǒng)中泵的狀況監(jiān)測(cè);再者,對(duì)于泵的可靠性要求極高的應(yīng)用,如飛機(jī)的燃油供應(yīng)系統(tǒng),此監(jiān)控方法可以檢測(cè)到泵受到的早期損傷,這些損傷在早期并不會(huì)明顯影響泵的工作效率、性能,但是會(huì)造成系統(tǒng)污染度的增加和損傷的加速擴(kuò)大,而普通的檢測(cè)方法無(wú)法檢測(cè)到這種早期的損傷。而該方法需要數(shù)據(jù)采集板和微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理,硬件成本較高;需要對(duì)不同類型的泵的各種損傷形式進(jìn)行前期的研究,了解各種損傷對(duì)不同類型的泵的泵源流量波的影響形式,以提供監(jiān)測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn),前期投入的研究成本比較高。

基于次振源測(cè)量法的推理流量算法,是一種新型的針對(duì)液壓

泵的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法,可以檢測(cè)出泵早期的微小損傷,這些損傷對(duì)泵的性能影響并不明顯,但是會(huì)給未來的運(yùn)行帶來安全隱患,而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法通常不會(huì)檢測(cè)出此類的隱患。推理流量算法由于其在線特性和準(zhǔn)確率高,但使用成本較高的特點(diǎn),適用于對(duì)穩(wěn)定性要求較高,無(wú)法接受意外停機(jī)的系統(tǒng),如大型飛機(jī)的燃油供應(yīng)系統(tǒng)和24小時(shí)工作的大型工業(yè)液壓站。

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