液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與故障預(yù)測研究

楊成剛，趙紅美，張春輝，張 斌，鄭 杰

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299；2.河北港口集團(tuán)港口機械有限公司, 河北 秦皇島 066000）

液壓技術(shù)廣泛地應(yīng)用在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。目前，液壓技術(shù)的應(yīng)用程度，已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一[1]。隨著工業(yè)技術(shù)日益成熟，液壓、機械和電子控制等技術(shù)結(jié)合得日益緊密，裝備出現(xiàn)故障的原因越來越復(fù)雜，發(fā)生的故障更難以診斷和排除，而液壓系統(tǒng)較機械、電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障更不易被觀察和測量，當(dāng)進(jìn)行故障部位的診斷時，會占用大量的維修時間，造成無法估量的經(jīng)濟損失[2]。

眾所周知，液壓裝備在出廠前，生產(chǎn)企業(yè)都要按照出廠的試驗指標(biāo)[3-4]，在規(guī)定的超載和惡劣環(huán)境溫度下，對液壓系統(tǒng)壓力、流量、泄漏量、油溫和油液污染度等性能參數(shù)進(jìn)行試驗和采集，并將試驗結(jié)果數(shù)據(jù)作為該液壓裝備出廠健康數(shù)據(jù)。液壓裝備在使用中，隨著使用時間的延續(xù)，機械裝備液壓系統(tǒng)的壓力、流量、泄漏量、油液溫度和油液污染度等性能參數(shù)都會發(fā)生變化，這些參數(shù)除了和使用時間發(fā)生關(guān)聯(lián)外，是否存在一個關(guān)鍵的性能參數(shù)，其變它是其他參數(shù)變化的根源。本文就是研究確定液壓系統(tǒng)這一關(guān)鍵性能參數(shù)，采用行之有效的方法，對其進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)故障的早期預(yù)測，為液壓系統(tǒng)的維護(hù)提供依據(jù)。

1 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵性能參數(shù)

一個完整的液壓系統(tǒng)包括動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)等五大部分。液壓元件內(nèi)部零件在使用中，受到電信號、液壓信號和其它外力的作用，從而不斷地按照規(guī)定的方式運動，實現(xiàn)液壓油按照一定的流向運動，并將能量進(jìn)行著分配輸出。同時，液壓油在運動零件的表面形成油膜，充當(dāng)著潤滑劑的作用，液壓油中的固體顆粒會伴隨液壓油的流動運動到液壓元件密封帶，甚至敏感顆粒[5]會嵌入密封帶中，加速密封帶的磨損[5-6]，配合間隙增大，高壓腔到低壓腔的泄漏量也發(fā)生著變化。下面以磨床液壓系統(tǒng)為例來分析泄漏量與壓力、流量、溫度等參數(shù)是否存在相互關(guān)聯(lián)。

圖1為磨床液壓工作原理圖，在圖示中液壓缸無桿腔輸入的工作流量Qw與系統(tǒng)總的泄漏量△Q的關(guān)系可以用下式表示：

圖1 磨床液壓工作原理圖

式（1）中，Qt為液壓泵輸出的理論流量(ml/min)；Qr為溢流閥溢流流量(ml/min)。

從式（1）可以看到，總泄漏量△Q增大，進(jìn)入液壓缸無桿腔的流量就會減少，二者發(fā)生關(guān)聯(lián)。

該系統(tǒng)的壓力由溢流閥調(diào)定，溢流閥的溢流量可以用式（2）表示。

式（2）中，Cq為流量系數(shù)，與閥口形式有關(guān)，0.6～0.65；AT為通流面積(m2)；p為溢流閥調(diào)定壓力(MPa)；p1為回油壓力(MPa)，不考慮回油阻力其值為0MPa；ρ為液壓油密度(kg/m3)。將式（1）代入由式（2）可得式（3）。

從公式（3）可以得出，該系統(tǒng)的溢流閥調(diào)整的壓力也是和系統(tǒng)總泄漏量發(fā)生關(guān)聯(lián)。

該系統(tǒng)在運行過程中，液壓油液的溫度是逐漸升高的，能量損耗包括泄漏造成的能量損耗、節(jié)流損耗，而泄漏能量損耗是液壓系統(tǒng)工作過流損耗、溢流閥溢流損耗，后兩個損耗是系統(tǒng)工作程中是必須考慮的，越小越好。該系統(tǒng)總泄漏量造成的液壓油溫變化可以用式（4）表示。

式（4）中，P為因泄漏造成的液壓功率損失(W)；q為熱量(J)；c為比熱系數(shù)(℃/kg)；m為油液質(zhì)量(kg)；△t為溫升(℃)。由式（4）可以轉(zhuǎn)換為式（5）。

從（5）可以看到溫升也和泄漏量關(guān)聯(lián)。

通過以上的分析可知：液壓系統(tǒng)的壓力、流量和溫升都與總泄漏量關(guān)聯(lián)，因此，液壓系統(tǒng)的總泄漏量是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)。只要檢測泄漏量變化就可以預(yù)測和診斷系統(tǒng)健康狀態(tài)。

2 液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理

液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是依靠液壓數(shù)據(jù)采集器（簡稱采集器）來完成的。采集器能夠根據(jù)被采集的液壓系統(tǒng)壓力和流量需求而設(shè)定采集參數(shù)，壓力要滿足采集的液壓系統(tǒng)的總壓力閥、支路的過載閥、順序閥不能開啟；流量要滿足測試系統(tǒng)在測試壓力下的總泄漏量的需求。采集器的工作原理如圖2所示。

圖2 采集器工作原理圖

在圖2中，數(shù)據(jù)采集口11和油液狀態(tài)采集口15分別與被采集的液壓系統(tǒng)的測壓點連接，前者用于采集液壓系統(tǒng)的壓力、泄漏量數(shù)據(jù)信息，后者用于采集液壓系統(tǒng)的油液污染狀態(tài)信息以及為采集器系統(tǒng)加油；伺服電機驅(qū)動器1接收集中控制處理器2的控制信號，由伺服電機5驅(qū)動定量液壓泵6輸出一定量的恒定流量；集中控制處理器2接收人機界面的控制信號，并流量傳感器8和14、壓力傳感器9、溫度傳感器7和油液污染傳感器16等信息，進(jìn)行處理，經(jīng)數(shù)據(jù)輸出口完成數(shù)據(jù)的采集過程。

3 液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及故障預(yù)測案例

注塑機又名注射成型機或注射機。它是將熱塑性塑料或熱固性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設(shè)備。生產(chǎn)過程主要包括合模、注射、保壓、開模等，這些功能的運行都是依靠液壓系統(tǒng)按照工藝要求來實現(xiàn)的。其工作流程如圖3所示。

圖3 注塑機的工作流程

注塑機在使用之初或者在出廠時，壓力、泄漏量和液壓油液污染等參數(shù)都是一定數(shù)值，該數(shù)值定義為液壓系統(tǒng)健康數(shù)值。隨著使用時間的延續(xù)，這些參數(shù)都在發(fā)生著演變，該演變過程，其實是隱性故障的演變過程，如圖4為液壓系統(tǒng)泄漏失效的演變過程示意圖。

圖4 液壓系統(tǒng)功能失效的演變過程示意圖

在圖4中，液壓系統(tǒng)中的總泄漏量隨著時間延續(xù)，其數(shù)值總在藍(lán)色陰影帶波動，當(dāng)使用時間到t1時，數(shù)值發(fā)現(xiàn)明顯變化，此點為異常數(shù)據(jù)臨界點，t點為數(shù)據(jù)臨界檢測點，t2為液壓系統(tǒng)功能失效點，也就是出現(xiàn)顯性故障點，t2-t1為計劃維修時間，該時間段維修，是最經(jīng)濟的維修時間，其不但為配件的準(zhǔn)備提供充足的時間，而且，也為預(yù)防性維護(hù)提供了充足的時間。

3.1 注塑機液壓系統(tǒng)原理

注塑機液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集包括液壓油液固體顆粒污染物狀態(tài)采集和注塑機液壓系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)采集。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，要對注塑機液壓原理圖進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 某注塑機液壓原理圖

3.2 注塑機油液固體顆粒污染物狀態(tài)采集

注塑機液壓系統(tǒng)中的液壓油固體顆粒污染物狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和采集器加油同時進(jìn)行，采集原理圖如圖6所示。按圖6所示連接高壓軟管，采集器連接220V電源，再啟動注塑機液壓泵，完成采集注塑機液壓系統(tǒng)中液壓油固體顆粒污染物狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸出見表1，經(jīng)過與美國NAS1638固體顆粒污染等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，其中顆粒物大小分布在“5～15 μm”范圍的數(shù)量為222400個，介于NAS9-NAS10之間，因此判定為該注塑機液壓系統(tǒng)油液固體顆粒污染等級為NAS10級。

圖6 注塑機油液固體顆粒污染物狀態(tài)采集原理圖

表1 該注塑機液壓系統(tǒng)油液固體顆粒污染狀態(tài)數(shù)據(jù)

3.3 注塑機液壓系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)采集

注塑機液壓系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的采集，包括壓力、流量、泄漏量等參數(shù)數(shù)據(jù)采集。具體是按照注塑機工作流程，利用采集器電信號，分別輸入液壓系統(tǒng)各支路對應(yīng)的電磁換向閥的電磁鐵，而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備

1）移位高壓軟管的位置。參照圖2所示，油液狀態(tài)采集口15上連接的高壓軟管的快速接頭，移位到數(shù)據(jù)采集口11，高壓軟管的另一端不變，也就是高壓軟管的另一端與被采集的液壓系統(tǒng)的壓力表用接頭替換后連接。

2）數(shù)據(jù)采集器的參數(shù)設(shè)置。按照小于等于75%注塑機系統(tǒng)壓力設(shè)置采集器的壓力參數(shù)，采集器的流量設(shè)置見圖7。

圖7 壓力流量調(diào)試曲線

3）注塑機液壓泵出口高壓軟管用堵塞截堵。

3.3.2 注塑機無故障狀態(tài)下數(shù)據(jù)采集

注塑機數(shù)據(jù)采集原理如圖8所示。在圖8中，液壓泵的出油口用堵塞截堵，如圖中B所示；為了便于設(shè)置故障點，在鎖模閉合支路臨時設(shè)置泄漏通道，該通道安裝有節(jié)流截止閥S，在無故障數(shù)據(jù)采集下，是關(guān)閉的。按照注塑機的工作流程，完成數(shù)據(jù)的采集，電磁鐵狀態(tài)見表2，3種不同采集條件下的無故障數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)見表3至表8。

圖8 注塑機數(shù)據(jù)采集原理圖

第1種數(shù)據(jù)采集條件下，采集器設(shè)置的參數(shù)為“壓力3 MPa，流量1000 ml/min，時間60 s”，電磁鐵信號按照表2設(shè)置。臨時設(shè)置的故障點節(jié)流閥S為關(guān)閉狀態(tài)，測得該設(shè)備液壓系統(tǒng)無故障數(shù)據(jù)見表3；臨時設(shè)置的故障點節(jié)流閥S為開啟狀態(tài)，測得該設(shè)備液壓系統(tǒng)有故障數(shù)據(jù)見表4。

表2 電磁鐵通電表

表3 第1種數(shù)據(jù)采集條件下無故障數(shù)據(jù)

表4 第1種數(shù)據(jù)采集條件下故障數(shù)據(jù)

第2種數(shù)據(jù)采集條件下，采集器設(shè)置的參數(shù)為“壓力4 MPa，流量1400 ml/min，時間60 s”，電磁鐵信號按照表2設(shè)置。臨時設(shè)置的故障點節(jié)流閥S為關(guān)閉狀態(tài)，測得該設(shè)備液壓系統(tǒng)無故障數(shù)據(jù)見表5；臨時設(shè)置的故障點節(jié)流閥S為開啟狀態(tài)，測得該設(shè)備液壓系統(tǒng)有故障數(shù)據(jù)見表6。

表5 第2種數(shù)據(jù)采集條件下無故障數(shù)據(jù)

表6 第2種數(shù)據(jù)采集條件下故障數(shù)據(jù)

第3種數(shù)據(jù)采集條件下，采集器設(shè)置的參數(shù)為“壓力5 MPa，流量500 ml/min，時間60 s”，電磁鐵信號按照表2設(shè)置。臨時設(shè)置的故障點節(jié)流閥S為關(guān)閉狀態(tài)，測得該設(shè)備液壓系統(tǒng)無故障數(shù)據(jù)見表7；臨時設(shè)置的故障點節(jié)流閥S為開啟狀態(tài)，測得該設(shè)備液壓系統(tǒng)有故障數(shù)據(jù)見表8。

表7 第3種數(shù)據(jù)采集條件下無故障數(shù)據(jù)

表8 第3種數(shù)據(jù)采集條件下故障數(shù)據(jù)

通過表3至表8分析可知，注塑機液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析出的故障位置與故障設(shè)置點高度一致，因此，可以通過不同使用時間采集的數(shù)據(jù)對比來實現(xiàn)液壓系統(tǒng)隱性故障的預(yù)測。

4 結(jié)論

1） 泄漏量是機械裝備液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，機械裝備液壓系統(tǒng)的健康狀態(tài)可以用泄漏量來進(jìn)行描述。

2）機械裝備液壓系統(tǒng)的泄漏量，能夠利用液壓數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采集。在不同狀態(tài)下，對注塑機液壓系統(tǒng)運行過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)分析，可以很明顯發(fā)現(xiàn)故障部位。

3）機械裝備在使用過程中，液壓系統(tǒng)的泄漏量和液壓油液的污染狀態(tài)等參數(shù)數(shù)據(jù)一直在演變，通過液壓數(shù)據(jù)采集器可以為實現(xiàn)故障的提前預(yù)測提供有力支持。