基于光纖光柵傳感的液壓缸動(dòng)密封失效檢測(cè)方法

魏子厚　張梓涵　李崢

摘 要：在液壓缸的各類故障中，由動(dòng)密封導(dǎo)致的介質(zhì)泄露是最主要的故障形式，也是最難解決的問題，針對(duì)此問題，本文提供一種通過光纖光柵傳感，對(duì)液壓缸的動(dòng)密封狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過液壓缸動(dòng)密封工作表面的實(shí)際應(yīng)變值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較對(duì)液壓缸的動(dòng)密封的失效狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而可以及時(shí)并準(zhǔn)確的檢測(cè)到液壓缸的動(dòng)密封失效狀態(tài)的檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：往復(fù)密封；光纖傳感；密封失效檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH137.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）08-0056-01

液壓系統(tǒng)是一種最常用的傳動(dòng)系統(tǒng)，密封是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，是主機(jī)裝備能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)、調(diào)速、換向等各項(xiàng)功能的關(guān)鍵。液壓缸的密封元件在活塞的往復(fù)過程中，動(dòng)密封和液壓缸缸筒內(nèi)壁的之間存在的摩擦，以及油液中的污染物顆粒等，容易導(dǎo)致動(dòng)密封發(fā)生失效。

本文提供一種基于光纖光柵傳感的液壓缸動(dòng)密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。該方法通過在活塞動(dòng)密封槽底部和側(cè)面，以及在液壓缸活塞桿鋪設(shè)光纖光柵傳感器，對(duì)液壓缸中動(dòng)密封的狀態(tài)變化進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)。從而及時(shí)避免因動(dòng)密封失效引起液體介質(zhì)泄露等一系列問題。

1 液壓密封失效準(zhǔn)則

液壓密封失效準(zhǔn)則主要包括最大接觸應(yīng)力準(zhǔn)則和最大剪切力準(zhǔn)則，以下以O(shè)型密封圈為例進(jìn)行具體說明，如圖1所示。

（1）最大接觸壓應(yīng)力準(zhǔn)則。最大接觸壓應(yīng)力大于或等于工作壓力。工作狀態(tài)下，密封工作面上會(huì)產(chǎn)生接觸壓力，為了避免介質(zhì)的泄漏，當(dāng)接觸壓力的最大值都高于介質(zhì)壓力時(shí)才能達(dá)到有效密封的目的，反之會(huì)出現(xiàn)密封失效，導(dǎo)致介質(zhì)的泄漏。

（2）最大剪切應(yīng)力準(zhǔn)則。當(dāng)密封件工作時(shí)會(huì)受到剪切作用，當(dāng)密封件受到的剪切作用過大且超過密封件本身所能承受的剪切強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致密封件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，發(fā)生密封失效。

因此，密封圈的密封性能可以通過其與密封槽接觸面的最大接觸壓應(yīng)力來加以判定。如果能夠在密封接觸面上布置傳感器監(jiān)測(cè)密封表面最大接觸應(yīng)力變化情況，將有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)往復(fù)密封失效的監(jiān)測(cè)。

2 光纖光柵傳感的檢測(cè)原理

傳統(tǒng)的電類應(yīng)變傳感器由于抗干擾能力差，無法在液體介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)安全測(cè)量，再加上測(cè)量時(shí)線路連接繁雜，密封工作空間小，使測(cè)量變得復(fù)雜。導(dǎo)致其不適用于液壓往復(fù)密封的監(jiān)測(cè)。因此考慮選擇光纖光柵傳感作為往復(fù)密封失效監(jiān)測(cè)的方法。

檢測(cè)的原理是：當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光Li通過傳輸光纖射入時(shí)，在光柵處有選擇的反射回一個(gè)窄帶光Lr，其余寬帶光Lt繼續(xù)透射過去，當(dāng)傳感器受到拉伸應(yīng)力或外界溫度發(fā)生變化，造成有效折射率或光柵周期發(fā)生變化時(shí)，反射回的窄帶光的中心波長(zhǎng)會(huì)隨之波動(dòng)。因此可通過波長(zhǎng)解調(diào)儀將波長(zhǎng)信號(hào)顯示出來，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量的測(cè)量。

如果將應(yīng)變或溫度單獨(dú)作為其中的一項(xiàng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要對(duì)另一項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償才能準(zhǔn)確得出單獨(dú)一項(xiàng)所帶來的變化。把應(yīng)變傳感器和溫度傳感器鋪設(shè)在一個(gè)相同的溫度場(chǎng)中，保證溫度變化對(duì)兩個(gè)光柵的影響相同，參考光柵用作溫度傳感器，用來測(cè)量被測(cè)對(duì)象的溫度，將它鋪設(shè)在一個(gè)不受力的部件上，將測(cè)量的溫度對(duì)中心波長(zhǎng)的變化量的影響用來抵消應(yīng)變傳感器采集到的中心波長(zhǎng)變化量中由溫度升高產(chǎn)生的影響。

溫度和應(yīng)變變化對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)的影響被看作是線性、獨(dú)立的疊加。光纖光柵應(yīng)變傳感器中心波長(zhǎng)的變化可表示為：

光纖光柵溫度傳感器中心波長(zhǎng)的變化表示為：

可導(dǎo)出：

3 信號(hào)分析及處理

針對(duì)應(yīng)變信號(hào)，其低頻段的能量值非常大。因此論文 首先采用小波包分解，對(duì)原始信號(hào)去除低頻信號(hào)后重構(gòu)，再應(yīng)用功率譜分析方法，分析應(yīng)變信號(hào)的變化情況。根據(jù)功率譜的計(jì)算方法對(duì)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行處理，正常密封件和磨損密封件的功率譜圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，正常密封件和磨損密封件的功率譜圖存在很大差異，因此，采用光纖光柵傳感實(shí)時(shí)檢測(cè)密封件的應(yīng)變信號(hào)，并通過分析功率譜圖來判斷液壓缸密封件是否失效的方法是可行的。

參考文獻(xiàn)

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