工程機械油液監(jiān)測體系的應(yīng)用研究

， ， ， (湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道機電系， 湖南 衡陽　421002)

引言

工程機械的傳動系統(tǒng)主要以液壓傳動為主，通常工作環(huán)境溫度高，灰塵較多，液壓系統(tǒng)極易被污染，導(dǎo)致工程機械運行不正常。同時，現(xiàn)代施工作業(yè)基本上是多機種聯(lián)合作業(yè)，時間緊，任務(wù)重，一旦某臺設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將影響整個工程的進度。用戶為保證工程進度，對工程機械的可靠性提出了越來越高的要求,工程機械的可靠性主要靠液壓系統(tǒng)來保證。調(diào)查顯示,液壓系統(tǒng)中75%左右的故障是由油液污染引起的，油液污染問題也歷來是國內(nèi)外液壓行業(yè)普遍關(guān)注的問題。為降低因油液污染引起液壓系統(tǒng)的故障率，十分有必要加強對油液污染的監(jiān)測和診斷處理。

傳統(tǒng)離線檢測[1，2]方法存在檢測周期長，不能及時反映設(shè)備的運行狀況，測試過程中污染侵入環(huán)節(jié)較多，對采集的油樣處理會造成大量的信息損失和對實驗操作員個人的經(jīng)驗和水平依賴比較大等問題，不利于機械系統(tǒng)故障的早期診斷和預(yù)防，不適于現(xiàn)場使用，采用在線檢測可以克服以上問題。在線監(jiān)測技術(shù)是將傳感器(或傳感探頭)直接安裝在系統(tǒng)管路或油箱上，在系統(tǒng)工作過程中可以隨時進行檢測，省略了繁瑣的取樣操作程序[3]，也避免了外界的污染物進入取樣油液中影響測量結(jié)果的真實性。為及時根據(jù)油液的污染程度，采取有效的控制、凈化措施及實施按質(zhì)換油提供了依據(jù)。同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)也可以用液壓系統(tǒng)仿真軟件進行仿真分析[4]，模擬系統(tǒng)的預(yù)期作用，減少開發(fā)成本。

本研究以某公司的3臺平板硫化機組為研究對象，建立了液壓系統(tǒng)污染度與液壓油溫在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用目前較為先進的液壓油在線顆粒檢測儀與油液在線取樣傳感器[5]，進行在線監(jiān)測。同時，系統(tǒng)通過監(jiān)測結(jié)果自動開啟或停止油液診斷系統(tǒng)，使機組液壓系統(tǒng)油液清潔度始終保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

1　平板硫化機組液壓系統(tǒng)

研究對象平板硫化機屬于工程機械中的液壓機床，平板硫化機用來硫化成型橡膠或合成材料制品。

平板硫化機組包括2臺1200P和1臺2600P平板硫化機，其中1200P平板硫化機是生產(chǎn)高速列車轉(zhuǎn)向架上空氣彈簧，2600P平板硫化機生產(chǎn)換流閥絕緣槽梁。2600P液壓系統(tǒng)如圖1所示。該液壓系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，吸油過濾器2、齒輪泵3、電動機4、疊加式電控溢流閥5、電磁換向閥6、液控單向閥7、插裝閥10、鎖模油缸13與油冷器1以及液壓油箱組成鎖模增壓回路，為定量液壓系統(tǒng)，主要作用為在平板硫化機鎖模時，進行快速增壓。吸油過濾器18、電動機17、雙作用葉片泵16、壓力流量控制閥15、電磁換向閥8與抗衡閥9等液壓元件組成主回路，負責(zé)快速開合模、快速充液動作。1200P平板硫化機液壓系統(tǒng)原理與2600P相類似，因篇幅有限，此處不再介紹。

2　在線油液監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

圖1中2600P平板硫化機液壓原理圖，液壓回路中只安裝了吸油過濾器，吸油過濾器過濾精度比較低，一般情況下精度為100 μ。不能滿足系統(tǒng)精度要求。為保證該機組液壓系統(tǒng)的清潔度，減少機組液壓系統(tǒng)故障，我們對該機組液壓系統(tǒng)進行了污染物在線監(jiān)測與在線診斷，并建立了相關(guān)的在線監(jiān)測與在線診斷系統(tǒng)。

2.1　系統(tǒng)的組成

在線油液監(jiān)測與診斷系統(tǒng)由三個部分組成：油液污染物在線顆粒監(jiān)測系統(tǒng)、油液污染物在線循環(huán)過濾診斷系統(tǒng)、油液溫度在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)。其原理圖如圖2所示，系統(tǒng)各元件品牌型號如表1所示。

(1) 油液污染物在線顆粒監(jiān)測系統(tǒng):取樣傳感器4通過取樣電磁閥2從平板硫化機組3臺設(shè)備液壓油箱的回油管處進行周期性取樣，油液從取樣傳感器4到達在線顆粒檢測儀3中進行污染物的顆粒數(shù)檢測。判定液壓系統(tǒng)清潔度等級，監(jiān)測結(jié)果通過通信電纜將液壓油的清潔度顯示到PC機1顯示器上。

(2) 油液污染物在線循環(huán)過濾診斷系統(tǒng)：平板硫化機組3臺設(shè)備液壓油箱的油液通過吸油電磁閥12，到達副油箱5，齒輪泵6在電動機8的驅(qū)動下完成吸油壓油動作，油液經(jīng)過低壓過濾器7、回油電磁閥10實現(xiàn)了對3臺設(shè)備油液的循環(huán)過濾，過濾后的液壓油重新回到各設(shè)備油箱中。該過濾系統(tǒng)不通過設(shè)備本身的液壓系統(tǒng)， 故在線循環(huán)過濾系統(tǒng)實際上是一種旁路循環(huán)過濾系統(tǒng)或體外循環(huán)系統(tǒng)。

(3) 油液溫度在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)：油液取樣傳感器4上的溫度傳感器實時監(jiān)測液壓油溫度，反饋給PC機1，PC機通過監(jiān)測到的油液溫度控制電磁水閥14的開/關(guān)，從而控制水冷卻系統(tǒng)是否工作。

2.2　在線顆粒檢測儀

在線顆粒檢測儀Icount PD，型號為IPD12222130。是油液檢測設(shè)備中比較先進的顆粒檢測儀器，廣泛用于工程機械，工業(yè)設(shè)備與電力行業(yè)，其外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。Icount PD檢測儀既可以通過3個LED燈實時在線顯示符合ISO 4406 和NAS1638 標準的油液清潔度代碼，又可以通過觸發(fā)內(nèi)置限位繼電器，來控制外圍設(shè)備的開啟或關(guān)停。當油液的污染度水平達到預(yù)設(shè)值時，繼電器觸發(fā)，可以自動開啟在線循環(huán)過濾系統(tǒng)，而且安裝十分方便，Icount PD通過兩端外螺紋與液壓管相連，通過兩個通孔用M5螺釘固定。通過串行口數(shù)據(jù)鏈接，可與Windows HyperTerminal終端進行通信和數(shù)據(jù)的讀取。

1.PC機　2.取樣電磁閥　3.在線顆粒檢測儀　4.取樣傳感器　5.副油箱　6.齒輪泵　7.低壓過濾器 8.電動機　9.安全閥　10.回油電磁閥　11.壓力開關(guān)　12.吸油電磁閥　13.油冷器　14.電磁水閥

表1　系統(tǒng)主要液壓元件型號與品牌

2.3　取樣傳感器

取樣傳感器選用SYSTEM 20傳感器，型號為STI.0144.100，它能夠?qū)崟r提供液壓準確流量、壓力和溫度信息。傳感器為管式結(jié)構(gòu)，側(cè)壁上帶有2個壓力傳感器與1個油溫傳感器(圖4)，壓力傳感器分布在兩側(cè)，通過測壓線分別連接到在線顆粒檢測儀Icount PD的2個M16×2的油口上， 通過2個壓力傳感器的壓差值可以自動計算出通過傳感器的流量。油溫傳感器輸出的溫度信號可以轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，控制循環(huán)冷卻水閥的開啟與關(guān)閉。傳感器筒體為鋼制結(jié)構(gòu)，內(nèi)部傳感元件材料為黃銅或不銹鋼。流量范圍選用0規(guī)格，在6～25 L/min之間，最高工作壓力可達420 bar，最大流量是壓降Δp僅為1.1 bar，檢測分辨率很高，誤差在±2.5%以內(nèi)，是目前最專業(yè)的液壓油液傳感器。

1.油口　2.LED顯示燈　3.內(nèi)置繼電器電纜 4.安裝孔　5.通信電纜

1.壓力傳感器　2.溫度傳感器

2.4　過濾器

過濾器選用某公司生產(chǎn)的低壓過濾器。該公司專業(yè)生產(chǎn)用于流體過濾技術(shù)、液壓控制技術(shù)等元件和裝置，本研究所選用的過濾器型號為LF BN/HC 660 I F 5 C 1.x /-V-A2-B6。過濾精度為5 μm，鋁制殼體，壓力等級100 bar，過濾流量最大可為500 L/min，帶電氣污染發(fā)訊器。其外形如圖5所示。

1.過濾器　2.管接頭　3.電氣污染發(fā)訊器

1) 過濾器選型計算

過濾器選型需要考慮成本與過濾效果。考慮到系統(tǒng)壓力、流量與過濾精度，粗選了LF型低壓過濾器。過濾器的規(guī)格計算主要準則是計算油液通過過濾器時的總壓降Δp總≤0.2×Δpa(污染發(fā)訊器的起始壓力)，污染發(fā)訊器的起始設(shè)定壓力Δpa=5 bar，也就是過濾器的總壓降Δp總≤1 bar，而過濾器的總壓降是由外殼壓降與濾芯壓降疊加而成。過濾器選型計算的原始數(shù)據(jù)如表2所示。通過HYDAC過濾器選型專用軟件——Filter-IT軟件計算得到如圖6、圖7所示的圖形。圖6表示通過過濾器的流量與總壓降Δp總的關(guān)系曲線，從曲線中，可以看出，當系統(tǒng)流量為160 L/min時，過濾器的總壓降Δp總=0.53 bar<1 bar，滿足過濾器選型要求。圖7表示油液溫度與油液通過過濾器的壓降之間的關(guān)系。從曲線可以看出，油液溫度越低，壓降越大，因此，在液壓系統(tǒng)剛開始運行，油液溫度較低的情況下，過濾器容易產(chǎn)生誤報警，但是隨著液壓系統(tǒng)運行，報警會自動消除。

表2　原始數(shù)據(jù)表

圖6　流量與通過過濾器的壓降曲線

圖7　油液溫度與通過過濾器的壓降曲線

2.5　系統(tǒng)控制策略

對機組中三臺平板硫化機進行編號，按照從左到右的順序，左邊1200P平板硫化機為1號機，中間2600P平板硫化機為2號機，右邊1200P平板硫化機為3號機。

啟動系統(tǒng)，1號機取樣電磁閥電磁鐵Y1通電，系統(tǒng)對機組中1號機硫化機液壓系統(tǒng)污染度進行在線監(jiān)測。油液從1號硫化機的總回油管，通過取樣電磁閥SV4-8-C-F-24D-NS-00，到達取樣傳感器SYSTEM 20，經(jīng)在線顆粒檢測儀IcountPD進行油液清潔度檢測后，油液流回副油箱，副油箱與3臺平板硫化機的液壓油箱之間相互貫通。監(jiān)測系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)回油路上取樣，檢測完成后，油液流回油箱，因此，取樣與監(jiān)測相當于在液壓系統(tǒng)的回油路上并聯(lián)一回路進行回油，而且在線監(jiān)測時所需要的流量小，只有6～25 L/min左右、系統(tǒng)背壓低，在3～5 bar左右，監(jiān)測系統(tǒng)沒有額外配置液壓泵。

若油液清潔度指標位于設(shè)定值以下，在線顆粒監(jiān)測儀IcountPD的繼電器K1不被觸發(fā)的情況下。系統(tǒng)在對1號機一個監(jiān)測周期5 min之后，自動切換到監(jiān)測2號機。此時1號機取樣電磁閥電磁鐵Y1斷電，2號機取樣電磁閥電磁鐵Y2通電。同樣，若2號機油液清潔度指標位于設(shè)定值以下，繼電K1不被觸發(fā)的情況下，在5 min之后，系統(tǒng)自動切換到對3號機的在線檢測。如此按照循環(huán)對機組中3臺設(shè)備進行周期性在線監(jiān)測。

若油液清潔度指標達到或超過設(shè)定值。例如1號平板硫化機設(shè)定值為NAS7級， 當實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)清潔度達到NAS8級時，在線顆粒監(jiān)測儀IcountPD的繼電器K1被觸發(fā)，一旦K1被觸發(fā)，控制電動機的電磁繼電器K2閉合，啟動系統(tǒng)診斷——體外循環(huán)系統(tǒng)，同時，1號機回油電磁閥、2號機與3號機吸油電磁閥同時得電，此時，診斷系統(tǒng)回路為：1號機回油管——1號機吸油電磁閥——副油箱——齒輪泵——低壓過濾器——1號機回油電磁閥——1號機液壓油箱。體外循環(huán)系統(tǒng)運行一段時間，當1號機液壓系統(tǒng)清潔度回到設(shè)定值以下，系統(tǒng)自動停止運行，同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)切換到對2號機的監(jiān)測。

表3　控制狀態(tài)表

注：“+”表示電磁鐵通電或繼電器閉合；“-”表示電磁鐵斷電或繼電器斷開。

壓力開關(guān)與安全閥限制體外循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，防止出現(xiàn)體外循環(huán)系統(tǒng)運行時，3個回油電磁閥均失電的情況下，系統(tǒng)壓力憋，出現(xiàn)爆管的事故。一旦壓力開關(guān)K3報警，監(jiān)測工作人員需要檢查回油電磁閥的狀態(tài)。

取樣傳感器SYSTEM 20內(nèi)置的溫度傳感器實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)的溫度，通常情況下，液壓油合適的工作溫度在25～65 ℃之間，當系統(tǒng)油溫低于設(shè)定值65 ℃時，電磁水閥ZQDF40關(guān)閉，冷卻系統(tǒng)不供冷卻水，當油液溫度超過設(shè)定值時，電磁水閥ZQDF40電磁鐵通電，閥打開，冷卻系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)進行循環(huán)冷卻，直到液壓系統(tǒng)油溫下降到設(shè)定值以下，電磁水閥ZQDF40重新關(guān)閉，切斷冷卻水供應(yīng)[6]。溫控系統(tǒng)既可以將液壓系統(tǒng)油溫控制在一個合理的范圍內(nèi)，又可以節(jié)約用水。

其控制狀態(tài)如表3所示。

3　結(jié)論

本研究通過對工程機械——平板硫化機組液壓系統(tǒng)進行分析，建立了針對液壓系統(tǒng)污染物顆粒在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，給出了在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的控制策略與控制狀態(tài)表，并對系統(tǒng)元件進行了選型。該系統(tǒng)自動化控制程度高，對于大型工程機械與機組液壓系統(tǒng)油液在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究有一定的參考價值。

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