瞬時轉(zhuǎn)速波動在軸向柱塞泵故障診斷中的應(yīng)用

谷立臣，馬子文*，田晴晴，孫昱

(1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710000; 2.西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

軸向柱塞泵以其功率密度大、調(diào)速范圍廣、易于實現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于冶金、航空航天、船舶、汽車、化工以及工程機(jī)械等各個領(lǐng)域或行業(yè)[1].作為液壓傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，軸向柱塞泵一旦失效，將對整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生巨大的影響[2].因此，軸向柱塞泵的故障診斷方法研究一直是研究熱點.

據(jù)統(tǒng)計，軸向柱塞泵70%的失效是由于內(nèi)摩擦副磨損而導(dǎo)致的泄漏引起的[3].配流副作為軸向柱塞泵三大主要摩擦副之一，其摩擦磨損會降低泵的容積效率和承載能力，直接影響整個泵的使用壽命[1].因此，研究重點應(yīng)為適用于柱塞泵配流盤磨損狀況的故障診斷方法.

對于軸向柱塞泵的故障診斷及其運行狀態(tài)監(jiān)測，選擇合適的監(jiān)測信號非常重要.目前，針對軸向柱塞泵主要摩擦副磨損的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，最常用的信號為振動信號[4-5].當(dāng)軸向柱塞泵典型故障機(jī)理較明確，且振動傳遞路徑較清晰時，柱塞泵故障對應(yīng)的振動信號特征頻率是確定的.例如滑靴磨損的特征頻率為柱塞泵轉(zhuǎn)頻的柱塞數(shù)倍頻，滑靴松動的特征頻率為柱塞泵轉(zhuǎn)頻的2倍，中心彈簧失效的特征頻率和柱塞泵的轉(zhuǎn)頻一致.但由于配流盤磨損位置、嚴(yán)重程度不同[6]，單純依靠振動信號的特征頻率進(jìn)行柱塞泵配流盤磨損的故障診斷難度很大[5]，并且無法避免因液壓泵轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致的特征頻率變化對診斷結(jié)果的影響.此外，由于軸向柱塞泵的工作環(huán)境一般比較惡劣，振動信號易被環(huán)境中的強(qiáng)噪聲所干擾，往往需要用復(fù)雜的方法對其先進(jìn)行預(yù)處理[7].

針對軸向柱塞泵配流盤磨損的故障診斷，更有效的方法為①采用光譜或鐵譜數(shù)據(jù)分析油液成分和顆粒物[8]；②用輪廓儀測定摩擦副各典型工作區(qū)域的微觀形態(tài)；③選用回油流量作為反映液壓泵磨損狀況的敏感信號[9].但采用油液成分分析與顆粒物檢測的故障診斷方法對液壓系統(tǒng)故障不夠敏感，難以實現(xiàn)輕微磨損故障的診斷.采用輪廓儀測定摩擦副各典型工作區(qū)域的微觀形態(tài)以及利用回油流量進(jìn)行柱塞泵配流盤磨損的故障診斷，需要在液壓系統(tǒng)內(nèi)部安裝特定的傳感器.這些信號的獲取方法屬于侵入式測量，傳感器安裝難度較大，且成本比較高.

近年來，瞬時轉(zhuǎn)速波動信號在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中得到了成功應(yīng)用[10-11].對于液壓系統(tǒng)，基于定時器/計數(shù)器的瞬時轉(zhuǎn)速直接測量方法具有3個明顯的優(yōu)勢：① 瞬時轉(zhuǎn)速波動信號具有優(yōu)良的抗噪性能，信號信噪比高；② 經(jīng)過簡單的階比分析處理后，瞬時轉(zhuǎn)速波動信號可以很好地規(guī)避旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速變化給信號帶來的非平穩(wěn)特性，方便后期故障特征提取[12]；③ 瞬時轉(zhuǎn)速的測量屬于非侵入式測量，傳感器安裝方便.但是，目前利用瞬時轉(zhuǎn)速及瞬時轉(zhuǎn)速波動信號進(jìn)行液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷的報道并不多見.

綜上所述，利用瞬時轉(zhuǎn)速波動信號進(jìn)行軸向柱塞泵的故障診斷是一個非常具有前景的選擇.文中將在轉(zhuǎn)速波動溯源分析的基礎(chǔ)上，給出柱塞泵配流盤磨損所引起的瞬時轉(zhuǎn)速波動的變化，并通過無為方法進(jìn)行瞬時轉(zhuǎn)速波動分量進(jìn)行提取.通過試驗，驗證瞬時轉(zhuǎn)速波動信號應(yīng)用于軸向柱塞泵配流盤磨損故障診斷中的可行性，為柱塞泵的配流盤磨損故障診斷提供新的數(shù)據(jù)來源.

1 軸向柱塞泵瞬時轉(zhuǎn)速波動溯源

軸向柱塞泵在工作時，其內(nèi)部受力(原理)如圖1所示，圖中m為柱塞質(zhì)量；R為柱塞分布圓半徑；θ為柱塞轉(zhuǎn)角；α為斜盤傾角；Np為柱塞受到的斜盤支反力；Fa，F(xiàn)b為缸體對柱塞的支反力；Ffsr為滑靴副徑向摩擦力；Ffsa為滑靴副軸向摩擦力.

圖1 軸向柱塞泵受力原理圖

柱塞在柱塞腔內(nèi)運動時，其位移、速度、加速度可分別表示為

(1)

式中：xpi為柱塞位移；vpi為柱塞運動速度；api為柱塞運動加速度.

由圖1可得，柱塞副在工作時沿x軸與y軸的受力平衡方程，以及繞O′點的受力平衡方程可分別表示為

(2)

式中：Ap為柱塞橫截面積；B為柱塞副黏性摩擦系數(shù)；fn為柱塞副庫倫摩擦系數(shù)；pcpi為柱塞腔壓力.

因此，柱塞副處所受到的庫侖摩擦力可表示為

Ffni=fn(Fai+Fbi)=fn(γ1Npisinα+γ2mapicotα)，

(3)

將式(3)代入式(2)，斜盤對滑靴的軸向支承力近似可以表示為

(4)

配流副處的庫侖摩擦力矩可表示為

(5)

式中：fv為配流副庫倫摩擦系數(shù)；N為高壓腔柱塞數(shù)；Tfv為配流副庫倫摩擦轉(zhuǎn)矩；λv為配流副作用面積修正系數(shù).

綜上，軸向柱塞泵主軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可表示為

(6)

其中：

M={[pcpiAp-(fnγ2cotα+1)mRtanαω2·

cosθi]Rtanαsinθi}(1+fnγ1tanα)-1=

{pcpiApRtanαsinθi-(fnγ2cotα+1)mR2·

tan2αω2cosθisinθi}(1+fnγ1tanα)-1，

式中：T為作用于軸向柱塞泵主軸上的轉(zhuǎn)矩；Tm為電動機(jī)驅(qū)動力矩.

式(6)可被進(jìn)一步表示為

(7)

因此，在一個周期內(nèi)，液壓力在柱塞泵主軸上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可表示為

(8)

對式(8)進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開，柱塞泵主軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可表示為

(9)

式中：

以基波部分為例，柱塞泵的主軸轉(zhuǎn)矩可近似表示為

a2cos(2Zωt)+b2sin(2Zωt)=

(10)

從式(10)可以看出，柱塞泵主軸轉(zhuǎn)矩由恒轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動兩部分組成.轉(zhuǎn)矩波動是由活塞的慣性力、配流副的庫侖摩擦力和高壓腔內(nèi)的壓力變化引起的，分別為式(10)中的第2—4項.活塞的慣性力和配流副處的庫侖摩擦力將產(chǎn)生Z倍轉(zhuǎn)矩波動，從而引起柱塞泵主軸產(chǎn)生Z倍頻的轉(zhuǎn)速波動.柱塞高壓腔的壓力變化將產(chǎn)生2Z倍的轉(zhuǎn)矩波動，從而引起柱塞泵主軸產(chǎn)生2Z倍的轉(zhuǎn)速波動.對于9柱塞的軸向柱塞泵，當(dāng)柱塞泵的轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化時，其9階轉(zhuǎn)速波動幅值的變化僅由配流副庫侖摩擦力的變化產(chǎn)生.考慮到配流副磨損的產(chǎn)生會對配流副的潤滑狀況產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響配流副庫侖摩擦力的大小.通過監(jiān)測柱塞泵9階轉(zhuǎn)速波動幅值的變化，理論上可以實現(xiàn)對柱塞泵配流磨損狀況的監(jiān)測.

2 試驗驗證

2.1 試驗平臺

試驗平臺原理及實物圖如圖2，3所示.試驗對象為一個軸向柱塞式變量泵(林德，HPV55).

圖2 試驗平臺原理圖

圖3 試驗平臺實物圖

試驗中使用到的主要元器件及其型號見表1.

表1 主要元器件及其型號

2.2 變負(fù)載工況下泵瞬時轉(zhuǎn)速波動分量提取

為了驗證第2節(jié)轉(zhuǎn)速波動溯源分析的正確性，在變負(fù)載工況下，對裝有不同磨損程度的配流盤的軸向柱塞泵進(jìn)行了瞬時轉(zhuǎn)速波動分量提取.柱塞泵配流盤磨損情況如圖4，5所示.設(shè)定柱塞泵轉(zhuǎn)速為900 r/min，壓力按7—22—7 MPa斜坡變化.并參照GU等[13]所提出的瞬時轉(zhuǎn)速波動分量提取方法，對9階轉(zhuǎn)速波動分量進(jìn)行了提取，提取結(jié)果如圖6—8所示，圖中ISF為瞬時轉(zhuǎn)速波動的幅值，p為液壓系統(tǒng)壓力，β為軸向柱塞泵主軸轉(zhuǎn)角，ISFEL表示瞬時轉(zhuǎn)速波動的包絡(luò)線.

圖4 配流盤輕微磨損

圖5 配流盤嚴(yán)重磨損

圖6 正常泵9階瞬時轉(zhuǎn)速波動分量

圖7 配流盤輕微磨損的柱塞泵9階瞬時轉(zhuǎn)速波動分量

圖8 配流盤嚴(yán)重磨損的柱塞泵9階瞬時轉(zhuǎn)速波動分量

對比圖6a，7a，8a，隨著配流盤磨損程度增加，配流副潤滑狀況越來越惡劣，9階瞬時轉(zhuǎn)速波動最大波動幅值從1.229增大至2.023 r/min.可以看出，配流盤磨損程度惡化導(dǎo)致了軸向柱塞泵9階瞬時轉(zhuǎn)速波動分量幅值增大.

從圖6b，7b，8b中可以看出，隨著壓力從7—22—7 MPa變化，9階瞬時轉(zhuǎn)速波動分量幅值先增大后減小，與壓力變化規(guī)律一致.這是因為配流副庫侖摩擦力受壓力變化的影響，隨著壓力先增大后減小，從而導(dǎo)致9階瞬時轉(zhuǎn)速波動分量幅值出現(xiàn)相同規(guī)律的變化.試驗結(jié)果與第2節(jié)理論分析結(jié)果基本一致.

3 結(jié) 論

1)對軸向柱塞泵的轉(zhuǎn)速波動溯源分析表明，對于9柱塞的軸向柱塞泵，其瞬時轉(zhuǎn)速波動的9階分量可以反映出配流副庫侖摩擦力的變化.柱塞泵瞬時轉(zhuǎn)速波動的9階分量的幅值將隨配流副庫侖摩擦力增大而增大.

2)軸向柱塞泵配流盤磨損程度增加將導(dǎo)致配流副潤滑狀況惡化，從而引起相同工況下配流副庫侖摩擦力增大.軸向柱塞泵瞬時轉(zhuǎn)速波動的9階分量可以很好地反映出這種變化趨勢.試驗結(jié)果表明，軸向柱塞泵瞬時轉(zhuǎn)速波動的9階分量的幅值隨配流盤磨損加劇而增大，并且在不同轉(zhuǎn)速與壓力工況下具有良好的魯棒性.

3)柱塞泵的瞬時轉(zhuǎn)速波動信號蘊(yùn)含著大量的系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，具有優(yōu)良的抗噪性能，信噪比高，并且經(jīng)過階比分析可以轉(zhuǎn)化為角度域內(nèi)的平穩(wěn)信號，很好地克服了旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速變化給傳統(tǒng)監(jiān)測信號帶來的非平穩(wěn)、非線性特質(zhì).瞬時轉(zhuǎn)速波動信號可以作為柱塞泵配流盤磨損故障診斷的新數(shù)據(jù)來源.