一種全電控挖機液壓泵健康狀態(tài)評價方法

【摘 要】挖掘機在日常作業(yè)過程中，由于機手操作不當使整機長期處于溢流、超溫等不良工況，導致泵的剩余使用壽命受到影響，縮短了液壓泵的使用周期。針對此類問題，文章提出一種全電控挖機液壓泵健康狀態(tài)評價方法。通過篩選各種可以影響泵使用壽命的性能指標，對液壓泵剩余使用壽命進行綜合評估，并最終以打分的形式展示，根據(jù)液壓泵的打分情況來對泵的剩余壽命進行評估。當健康得分較低時，及時提醒用戶進行液壓泵故障檢查或維修更換。

【關鍵詞】全電控挖掘機;泵健康狀態(tài)評價方法;性能指標

中圖分類號：U415.511 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0042-03

The Utility Model Relates to a Health State Evaluation Method for Hydraulic Pump of

a Fully Electronic Control Excavator

【Abstract】In the daily operation process of excavator，due to the improper operation of the machine，the whole machine is in bad working conditions such as overflow and overtemperature for a long time，which affects the remaining service life of the pump and shortens the service life of the hydraulic pump. In order to solve these problems，this paper presents a method of health evaluation of hydraulic pump of full electronic control excavator. By screening various performance indicators that can affect the service life of the pump，the remaining service life of the hydraulic pump is comprehensively evaluated，and finally displayed in the form of scoring，and the remaining life of the pump is evaluated according to the scoring situation of the hydraulic pump. When the health score is low，timely remind the user to check the hydraulic pump fault or repair and replace.

【Key words】fully electronically controlled excavator;pump health state evaluation method;performance index

液壓泵是液壓系統(tǒng)的核心動力元件，它將發(fā)動機產(chǎn)生的動力轉化為液壓能驅動挖掘機各個執(zhí)行部件，而液壓泵的損壞會導致泵本身動力傳遞效率的降低，影響挖掘機的正常作業(yè)，因此開展液壓泵健康狀態(tài)檢測的研究對其劣化判斷并實現(xiàn)預測性維護意義重大。對于泵健康狀態(tài)診斷的研究，有學者利用統(tǒng)計方法來分析故障數(shù)據(jù)中的隱含特征信息，實現(xiàn)對液壓泵的剩余壽命預測，而隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，也有很多學者通過人工智能相關技術實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅動的液壓泵剩余壽命預測，但是基于液壓泵物理損壞機理的泵剩余壽命預測研究較少。本文基于液壓泵故障損壞機理，篩選出與液壓泵損壞具有強相關性的性能指標。同時，對超出規(guī)定閾值的指標進行實時檢測，并進行損壞程度累積計算，以此量化液壓泵的健康狀態(tài)，實現(xiàn)液壓泵故障提醒，以便進行維修保養(yǎng)。本文主要針對軸向柱塞泵進行分析討論。

1 液壓泵故障損壞機理分析

對泵的健康狀態(tài)進行量化評估，首先需基于液壓泵損壞機理進行分析，以最終確定能夠表征液壓泵受損程度的參數(shù)。影響液壓泵的參數(shù)主要有泵運行時間、泵壓、轉速、油溫。各參數(shù)對液壓泵損壞的影響分析如下。

1）泵運行時間。泵運行時間越長，各部件的可靠性越低。部件間隙的增大和密封件損壞等因素會增大泵的泄漏量，從而造成容積效率降低。

2）泵壓超過最大允許壓力。當泵壓超過正常的工作壓力條件時，泵會處于超負荷工況。這將導致泵軸承、密封等部件磨損，進而使泵的泄漏量加大，增加泵的故障風險，同時也會使系統(tǒng)效率下降。

3）泵壓低于最小允許壓力。泵壓低于最小允許工作壓力條件，一般是因為泵在工作時無法獲得足夠的油液，導致較多空氣混入油液中。這些空氣在低于空氣分離壓時，容易從油液中析出，造成氣蝕現(xiàn)象。

4）泵轉速超限。轉速低于最小轉速會導致流體動力潤滑失效;而泵轉速過高則會增加部件間的剪切應力和離心力，且更容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，從而降低泵的使用壽命。

5）油溫超限。油溫過高會使油液粘度下降，導致油液潤滑效果變差，加速泵內部元件的磨損。同時，高溫會加速液壓油氧化分解，導致油品質下降，影響泵的正常工作。

2 液壓泵健康狀態(tài)評價策略方案設計

2.1 性能指標選取

基于上文對液壓泵的損壞機理分析，選取表1指標作為泵健康狀態(tài)檢測的性能指標。

2.2 泵健康狀態(tài)評價

根據(jù)上述指標對液壓泵損壞影響程度，賦予每種指標不同的影響權重因子，此時泵健康狀態(tài)分數(shù)計算公式如下：

式中：N——泵健康分數(shù)，分數(shù)區(qū)間為[0，100]，分數(shù)越高說明液壓泵的損壞程度越小;xi——不同性能指標的累計值;Ki——不同性能指標的影響權重因子。

本文綜合考慮高負荷工況下各指標的超限累計時間以及累計積分量，并根據(jù)各個指標對液壓泵健康狀態(tài)的影響程度賦予不同的權重，綜合量化液壓泵的損壞程度。

如果挖掘機在液壓泵出口處安裝有流量計，則可以基于實際輸出流量、泵排量和轉速計算泵的實際容積效率。泵實際容積效率的計算公式如下：

式中：Qout——液壓泵實際輸出流量;Qideal——液壓泵理論流量;q——液壓泵排量;n——液壓泵轉速。

根據(jù)JB/T 7043—2006的規(guī)定，對于定量斜盤式柱塞泵，要求泵在額定工況下容積效率和總效率需要滿足要求，具體要求見表2。變量泵可比相同排量的定量泵指標低1%。經(jīng)過耐久性試驗后，容積效率和總效率應不低于表2中規(guī)定數(shù)值的3%。

由于泵的容積效率是表征液壓泵泄漏量大小的核心指標，因此本文選擇容積效率作為液壓泵失效的主要判斷標準。如果液壓泵處于額定工況下且泵壓、轉速趨于穩(wěn)定達到2s，則計算這段時間內泵實際效率的均值。若該均值小于法規(guī)規(guī)定的數(shù)值，則判定泵大概率處于損壞階段并進行預警。

此外，考慮到在正常作業(yè)過程中，額定工況所占時間較少，不一定能滿足失效判定條件來進行數(shù)據(jù)采集。此時，泵健康狀態(tài)評價性能指標可替換為容積效率低于參考數(shù)值的平均誤差，其計算公式如下：

式中：ηhi——健康狀態(tài)下液壓泵的參考容積效率，泵健康狀態(tài)下參考容積效率的計算基于該型號泵的臺架測試試驗數(shù)據(jù)，需要基于泵壓、轉速、排量百分比3個參數(shù)進行計算;ηai——當前計算得到的泵實際容積效率。

液壓泵每工作30min會采集10s的泵壓、轉速、排量百分比數(shù)據(jù)，以此來計算健康狀態(tài)下的容積效率。系統(tǒng)會計算這10s內泵實際效率低于健康狀態(tài)下液壓泵參考容積效率的所有采樣點的容積效率平均誤差。每次計算出的若大于3，則進行一次超限計數(shù)，當超限計數(shù)超出規(guī)定閾值，則同樣判斷泵處于損壞狀態(tài)。

泵健康狀態(tài)評價的整體實現(xiàn)方案如圖1、圖2所示。

3 策略結果驗證

為了驗證上述方案的可靠性，選取某20t級挖掘機進行挖掘測試，該挖掘機使用的是某最大排量為135mL/r的斜盤式軸向柱塞泵，參考使用壽命為10000h，選取其中450s的作業(yè)路譜數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)。將該測試數(shù)據(jù)作為泵健康狀態(tài)檢測模型的輸入，輸入的參數(shù)為泵壓、泵轉速、液壓油溫，并判斷當液壓泵健康度低于90則進行預警。測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

由于整車未安裝流量計，因此采用的是不搭載流量計的檢測方案，泵健康狀態(tài)檢測模型基于MATLAB/Simulink進行搭建。搭建模型及最終測試結果分別如圖4、圖5所示。

由圖5可知，挖掘機初始健康度為100，挖掘機整機作業(yè)46AACR5+aHF8ZxX9phLLmUg==50s后液壓泵的健康度下降了0.000145，以此類推，液壓泵作業(yè)10000h后健康度下降11.6，此時健康度低于90，需要提醒用戶注意泵的維修檢查和定期更換，具有一定的可靠性。

4 結論

本方案基于泵壓、轉速、油溫、泵運行時間進行性能指標的提取，并進行累積存儲。根據(jù)不同性能參數(shù)對液壓泵損壞程度的不同影響，賦予不同的權重影響因子，通過打分評估液壓泵的損壞程度，從而量化了液壓泵的生命周期。同時，如果整機搭載了流量計，那么在穩(wěn)定額定工況和非穩(wěn)定額定工況下，可根據(jù)容積效率分別對液壓泵進行健康狀態(tài)評估，綜合判斷當前液壓泵的健康狀態(tài)。這對液壓泵的健康狀態(tài)評估以及更換維修提醒具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1] 張偉. 基于實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的液壓泵剩余壽命預測[D]. 秦皇島：燕山大學，2022.

[2] 孟軒，宋一平，韓彪. 柱塞式液壓泵和液壓馬達損壞原因與分析[J]. 工程機械與維修，2020（3）：84-86.

[3] 安培松，原文杰，黃東. 液壓泵損壞原因分析[J]. 露天采礦技術，2013（1）：58-59.

[4] 羅生華. 液壓泵故障診斷及健康狀態(tài)預測方法研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2023.

[5] 楊凱. 液壓泵劣化程度的評估方法研究[D]. 秦皇島：燕山大學，2017.