基于靜電傳感技術(shù)的液壓泵狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究

李啟璘，孫新，文振華

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450015)

液壓泵與機械設(shè)備一樣，都有服役期限，服役期限的長短取決于液壓介質(zhì)的清潔度以及液壓泵運行中的正確監(jiān)測、維護及保養(yǎng)。磨損是導(dǎo)致各類液壓泵工作異常和失效最常見的故障形式之一，液壓泵從磨損到失效是一個量變到質(zhì)變的過程，經(jīng)歷初期磨損、正常磨損到異常磨損3個階段。當(dāng)液壓泵進入異常磨損階段后，金屬材料達到疲勞周期的額定壽命，金屬表面將產(chǎn)生疲勞層，在泵高溫高壓的特殊使用狀態(tài)下，金屬表面疲勞層易發(fā)生顆粒狀脫落，磨損急劇增長，甚至導(dǎo)致失效。而對于一套液壓系統(tǒng)而言，泵是整套系統(tǒng)中價值最高的部件，如果不對泵進行在線監(jiān)控與檢測就很難預(yù)測泵何時需要什么樣的維護。如果不記錄和分析所監(jiān)控泵的數(shù)據(jù)，幾乎就沒有可能對在線使用的泵能否按規(guī)定的服役期運行做出準確判斷。如果一臺泵出現(xiàn)可檢測的劣化跡象，在故障發(fā)生前有足夠時間可觀察到劣化程度，對泵進行在線定期檢測并加強維護，就能有效預(yù)防泵的早期失效，提高泵的使用壽命。

1 液壓泵常見故障監(jiān)測方法

液壓泵運行中出現(xiàn)的故障各不相同，引起的原因也各式各樣，有由磨損引起的，有由油液污染引起的，有由于泄漏引起的，也有由于混入空氣或者水分等引起的。因此針對不同故障的監(jiān)測方法也不少，但總的可概括為離線監(jiān)測法與在線監(jiān)測法。

離線式監(jiān)測技術(shù)往往用在對油液狀況或設(shè)備的已使用狀況進行診斷與分析，可以用一些專業(yè)精密儀器進行。如對油液狀況分析，主要集中在光譜分析、鐵譜分析、顆粒計數(shù)、油品理化分析等方面。離線式主要缺點在于不是實時進行監(jiān)測，大多是在出現(xiàn)故障跡象的情況下才進行。液壓泵故障過程是一個漸變過程，所以必須要對油液進行在線監(jiān)測才不會使得監(jiān)測充滿偶然性。實際上泵的磨損或油液污染導(dǎo)致的故障最常見。所以對液壓泵進行實時在線磨損監(jiān)測是使泵保持最佳工作狀態(tài)的有效方法。

液壓泵的在線監(jiān)測法有基于表象診斷方法、振動診斷法、超聲波泄漏監(jiān)測法、紅外線電子測溫法、液壓測試儀測流量等。這些監(jiān)測主要是針對液壓系統(tǒng)的溫升、泄漏、振動等信息進行的。實際上液壓泵的磨損與油液污染是液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障的常見誘因，可導(dǎo)致泄漏、溫升及振動等一系列問題，所以對于液壓系統(tǒng)的故障監(jiān)測，最有效的便是監(jiān)測泵的磨損與油液的品質(zhì)，并且通過監(jiān)測油液中的磨粒及污物信息，監(jiān)測到故障的成因、具體部位及程度等，以達到及時發(fā)現(xiàn)故障跡象、排除故障、維護液壓系統(tǒng)的目的。

2 液壓泵油液靜電在線監(jiān)測技術(shù)研究

液壓泵工作過程中，摩擦磨損是不可避免的，因為不管哪種形式的液壓泵都有幾對相對運動的摩擦副，使用中，某些不可知因素造成摩擦副間的的磨損加劇是導(dǎo)致液壓泵或系統(tǒng)故障的常見誘因。雖然無法通過肉眼準確地判斷摩擦磨損程度、部位或類型，但懸浮于系統(tǒng)油液中的磨損微粒卻承載著這些重要信息，因為磨粒是液壓泵內(nèi)部摩擦副磨損的必然產(chǎn)物，反映著液壓泵摩擦磨損的狀況。所以，通過對油液磨粒的分析，可以對液壓泵的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和磨損故障的在線診斷與維護。相比于振動監(jiān)測、溫度監(jiān)測等，全流量磨粒靜電信號的監(jiān)測對零部件衰退早期的癥狀更敏感，并可提供實時的狀態(tài)信息。

2.1 液壓泵油液靜電在線監(jiān)測機制

液壓泵摩擦副荷電磨粒的產(chǎn)生機制較復(fù)雜，受油液、摩擦副材料的化學(xué)、物理性質(zhì)及摩擦中摩擦化學(xué)的影響，磨粒荷電機制主要包括摩擦荷電、接觸荷電和磨粒形成。

摩擦荷電是指在液壓泵運行過程中，由于摩擦副之間的緊密接觸會在它們的表面產(chǎn)生接觸電勢差VCPD，從而導(dǎo)致它們表面凈電荷的產(chǎn)生，而摩擦磨損產(chǎn)生的磨粒就會帶走這些電荷。

接觸荷電指磨粒隨油液在循環(huán)管道中傳輸時，磨粒與油液、磨粒與磨粒以及磨粒與管壁之間的接觸摩擦產(chǎn)生電荷。磨粒具有分散性和懸浮性，分散性使得磨粒很容易通過摩擦、接觸或分離帶上電荷，而懸浮性使磨粒懸浮在油液中，不管磨粒的材料是金屬還是絕緣體，磨粒的懸浮性使得它與大地總是絕緣的，因此，每一顆磨粒都有可能通過摩擦和接觸帶電。

根據(jù)摩擦荷電原理，不同種金屬材料接觸受載、相互滑動后分離，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，使兩金屬分別帶上等量異號電荷。這些荷電磨粒懸浮在流動的油液中，經(jīng)過傳感器探極，產(chǎn)生感應(yīng)信號。磨粒大小、形態(tài)各不相同，因而磨粒所攜帶的電荷也有差異，因此，在傳感器上所產(chǎn)生的信號特征會有明顯的差異。敏感區(qū)域內(nèi)的磨粒經(jīng)過靜電傳感器的時候所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的總量為:

根據(jù)傅里葉變換，可以得到如下公式:

從式 (2)看出，感應(yīng)探極電荷信號的頻率特性可以看作是不同位置上脈沖響應(yīng)特性在相應(yīng)的頻率f處的加權(quán)平均。綜合考慮靜電傳感器的空間濾波特性可知，靜電傳感器對具有不同流動特性的荷電磨粒產(chǎn)生的輸出信號頻譜結(jié)構(gòu)存在差異，因此，可以借助小波分析、HHT(希爾伯特·黃變換)等信號處理工具對靜電監(jiān)測信號的頻率特征參數(shù)進行提取。

2.2 液壓泵油液靜電在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

液壓泵油液靜電在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由主油路部分與檢測油路部分組成。該系統(tǒng)中，液壓泵安裝于油箱內(nèi)部，這樣既保證泵的自吸能力，又能使浸在油液中的泵由于摩擦磨損等產(chǎn)生的磨粒懸浮于油液中，通過對油液進行在線監(jiān)測，便可隨時了解泵的磨損情況。實驗時先啟動液壓系統(tǒng)，由液壓泵為整個系統(tǒng)提供液壓油，后經(jīng)分流器把油液分成兩路，一路供主油路使用，保證主油路的需要;另一路經(jīng)過流量閥對進入靜電傳感器的流量進行控制與調(diào)節(jié)，經(jīng)靜電傳感器監(jiān)測磨粒信息，并由靜電信號采集部分將靜電傳感器實時監(jiān)測到的油液磨粒荷電信號傳送至信號分析系統(tǒng)進行分析。因為油液磨粒的荷電量比較小，而靜電傳感器的靈敏度有限，所以為了更好地測量磨粒的電量，圖像采集部分根據(jù)靜電傳感器測得的電壓的不同數(shù)值范圍，對油液磨粒的圖像進行采集和分析，為研究傳感器測量電壓與磨粒濃度之間關(guān)系作準備。

圖1 液壓泵油液在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

在油液靜電在線監(jiān)測實驗中，靜電傳感器1主要監(jiān)測液壓泵的磨損信息，傳感器2監(jiān)測主系統(tǒng)磨損信息，分別由不同的采集分析系統(tǒng)進行信號采集與分析，便可獲得系統(tǒng)中液壓泵及其他元件的狀態(tài)信息。同時也對使用的油液進行了實時監(jiān)測，以預(yù)防系統(tǒng)在工作由于油液的污染或者元件的磨損引起的故障，起到維護系統(tǒng)正常運行的作用。

3 監(jiān)測實驗過程設(shè)計與監(jiān)測結(jié)果分析

為探索液壓系統(tǒng)摩擦磨損靜電監(jiān)測技術(shù)的可行性，實驗啟動圖1所示的液壓泵部分循環(huán)路線，調(diào)節(jié)分流器使油液不進入主系統(tǒng)，通過節(jié)流閥可間接調(diào)節(jié)通過傳感器1的流量。液壓泵在電機的帶動下運轉(zhuǎn)，進行實驗。由于實驗是為了驗證液壓泵油液監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測過程及結(jié)果的可行性與有效性，所以液壓泵短期的運轉(zhuǎn)并不能立刻產(chǎn)生想要的磨粒數(shù)量及形態(tài)。為了監(jiān)測與分析液壓泵工作過程可能產(chǎn)生的不同磨粒，此實驗選用能反映泵磨損時可能產(chǎn)生的幾類材料進行故障顆粒注入實驗，材料有:耐磨合金粉末 (鉻合金粉末)、黃銅。這些材料的荷電特性將為循環(huán)油液條件下液壓泵摩損所監(jiān)測的靜電信號特性分析提供依據(jù)。通過顆粒注入的實驗結(jié)果來揭示摩擦磨損實驗中的靜電信號所反映的材料類別。實驗時將全流量磨粒靜電傳感器垂直放置，讓油液沿軸線方向流過傳感器。

實驗過程中，先后往吸油油箱注入不同材質(zhì)、不同濃度及不同直徑的磨粒，進行相應(yīng)的監(jiān)測實驗，通過課題組相應(yīng)儀器及軟件的分析、處理，得到表1及表2所示的檢測結(jié)果。表1所示為兩種不同材質(zhì)下每100 mL油液中磨粒尺寸大于15 μm的磨粒顆粒數(shù)及相應(yīng)的監(jiān)測電壓信息。表2所示為兩種不同材質(zhì)及其相應(yīng)磨粒直徑對應(yīng)的監(jiān)測電壓信息。

表1 監(jiān)測電壓與磨粒數(shù)關(guān)系表

表2 監(jiān)測電壓與磨粒直徑關(guān)系表

由表1可知:靜電傳感器感應(yīng)電壓與磨粒濃度之間有密切的關(guān)系，隨著磨粒濃度的增加，感應(yīng)電壓也在增加;不同材質(zhì)對應(yīng)的感應(yīng)電壓并不相同，相同尺寸的黃銅感應(yīng)信號電壓大于合金鋼感應(yīng)電壓，表明油液靜電監(jiān)測方法對于液壓泵具有很好的適應(yīng)性，它不僅能監(jiān)測到液壓系統(tǒng)油液的污染情況，結(jié)合圖像分析系統(tǒng)，而且能準確監(jiān)測到液壓泵具體的磨損位置。因為液壓泵不同的摩擦副使用的材質(zhì)不同，所以通過油液靜電監(jiān)測的在線診斷，便可隨時了解液壓泵的摩擦磨損狀況。

表2表明油液靜電在線磨粒靜電傳感器不僅能夠能夠監(jiān)測到不同材料荷電顆粒，并且能夠反映同種材料磨粒大小與感應(yīng)電壓的關(guān)系。由此可監(jiān)測液壓系統(tǒng)工作過程中液壓泵的磨損程度，并及時發(fā)現(xiàn)隱藏的故障，及時預(yù)防與處理，使液壓系統(tǒng)能正常運行。

4 結(jié)論

對油液靜電監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測機制、檢測方法進行了分析與研究，并利用該技術(shù)對液壓泵的磨損及油液的污染狀況進行了實際監(jiān)測，得到了傳感器感應(yīng)電壓與磨粒濃度及粒徑之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明:油液靜電在線監(jiān)測技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的、有效的，靜電傳感器自身的實時性滿足了油液在線監(jiān)測的實時性要求，可以通過傳感器的測量電壓間接獲得液壓系統(tǒng)中元件的磨損程度與具體位置，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)隱藏故障的早期發(fā)現(xiàn)與處理。

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