基于靜電傳感技術的液壓泵狀態監測技術研究

李啟璘，孫新，文振華

(鄭州航空工業管理學院，河南鄭州 450015)

液壓泵與機械設備一樣，都有服役期限，服役期限的長短取決于液壓介質的清潔度以及液壓泵運行中的正確監測、維護及保養。磨損是導致各類液壓泵工作異常和失效最常見的故障形式之一，液壓泵從磨損到失效是一個量變到質變的過程，經歷初期磨損、正常磨損到異常磨損3個階段。當液壓泵進入異常磨損階段后，金屬材料達到疲勞周期的額定壽命，金屬表面將產生疲勞層，在泵高溫高壓的特殊使用狀態下，金屬表面疲勞層易發生顆粒狀脫落，磨損急劇增長，甚至導致失效。而對于一套液壓系統而言，泵是整套系統中價值最高的部件，如果不對泵進行在線監控與檢測就很難預測泵何時需要什么樣的維護。如果不記錄和分析所監控泵的數據，幾乎就沒有可能對在線使用的泵能否按規定的服役期運行做出準確判斷。如果一臺泵出現可檢測的劣化跡象，在故障發生前有足夠時間可觀察到劣化程度，對泵進行在線定期檢測并加強維護，就能有效預防泵的早期失效，提高泵的使用壽命。

1 液壓泵常見故障監測方法

液壓泵運行中出現的故障各不相同，引起的原因也各式各樣，有由磨損引起的，有由油液污染引起的，有由于泄漏引起的，也有由于混入空氣或者水分等引起的。因此針對不同故障的監測方法也不少，但總的可概括為離線監測法與在線監測法。

離線式監測技術往往用在對油液狀況或設備的已使用狀況進行診斷與分析，可以用一些專業精密儀器進行。如對油液狀況分析，主要集中在光譜分析、鐵譜分析、顆粒計數、油品理化分析等方面。離線式主要缺點在于不是實時進行監測，大多是在出現故障跡象的情況下才進行。液壓泵故障過程是一個漸變過程，所以必須要對油液進行在線監測才不會使得監測充滿偶然性。實際上泵的磨損或油液污染導致的故障最常見。所以對液壓泵進行實時在線磨損監測是使泵保持最佳工作狀態的有效方法。

液壓泵的在線監測法有基于表象診斷方法、振動診斷法、超聲波泄漏監測法、紅外線電子測溫法、液壓測試儀測流量等。這些監測主要是針對液壓系統的溫升、泄漏、振動等信息進行的。實際上液壓泵的磨損與油液污染是液壓系統出現故障的常見誘因，可導致泄漏、溫升及振動等一系列問題，所以對于液壓系統的故障監測，最有效的便是監測泵的磨損與油液的品質，并且通過監測油液中的磨粒及污物信息，監測到故障的成因、具體部位及程度等，以達到及時發現故障跡象、排除故障、維護液壓系統的目的。

2 液壓泵油液靜電在線監測技術研究

液壓泵工作過程中，摩擦磨損是不可避免的，因為不管哪種形式的液壓泵都有幾對相對運動的摩擦副，使用中，某些不可知因素造成摩擦副間的的磨損加劇是導致液壓泵或系統故障的常見誘因。雖然無法通過肉眼準確地判斷摩擦磨損程度、部位或類型，但懸浮于系統油液中的磨損微粒卻承載著這些重要信息，因為磨粒是液壓泵內部摩擦副磨損的必然產物，反映著液壓泵摩擦磨損的狀況。所以，通過對油液磨粒的分析，可以對液壓泵的運行狀態進行實時監控和磨損故障的在線診斷與維護。相比于振動監測、溫度監測等，全流量磨粒靜電信號的監測對零部件衰退早期的癥狀更敏感，并可提供實時的狀態信息。

2.1 液壓泵油液靜電在線監測機制

液壓泵摩擦副荷電磨粒的產生機制較復雜，受油液、摩擦副材料的化學、物理性質及摩擦中摩擦化學的影響，磨粒荷電機制主要包括摩擦荷電、接觸荷電和磨粒形成。

摩擦荷電是指在液壓泵運行過程中，由于摩擦副之間的緊密接觸會在它們的表面產生接觸電勢差VCPD，從而導致它們表面凈電荷的產生，而摩擦磨損產生的磨粒就會帶走這些電荷。

接觸荷電指磨粒隨油液在循環管道中傳輸時，磨粒與油液、磨粒與磨粒以及磨粒與管壁之間的接觸摩擦產生電荷。磨粒具有分散性和懸浮性，分散性使得磨粒很容易通過摩擦、接觸或分離帶上電荷，而懸浮性使磨粒懸浮在油液中，不管磨粒的材料是金屬還是絕緣體，磨粒的懸浮性使得它與大地總是絕緣的，因此，每一顆磨粒都有可能通過摩擦和接觸帶電。

根據摩擦荷電原理，不同種金屬材料接觸受載、相互滑動后分離，發生電子轉移，使兩金屬分別帶上等量異號電荷。這些荷電磨粒懸浮在流動的油液中，經過傳感器探極，產生感應信號。磨粒大小、形態各不相同，因而磨粒所攜帶的電荷也有差異，因此，在傳感器上所產生的信號特征會有明顯的差異。敏感區域內的磨粒經過靜電傳感器的時候所產生的感應電荷的總量為:

根據傅里葉變換，可以得到如下公式:

從式 (2)看出，感應探極電荷信號的頻率特性可以看作是不同位置上脈沖響應特性在相應的頻率f處的加權平均。綜合考慮靜電傳感器的空間濾波特性可知，靜電傳感器對具有不同流動特性的荷電磨粒產生的輸出信號頻譜結構存在差異，因此，可以借助小波分析、HHT(希爾伯特·黃變換)等信號處理工具對靜電監測信號的頻率特征參數進行提取。

2.2 液壓泵油液靜電在線監測系統設計

液壓泵油液靜電在線監測系統原理圖如圖1所示，系統主要由主油路部分與檢測油路部分組成。該系統中，液壓泵安裝于油箱內部，這樣既保證泵的自吸能力，又能使浸在油液中的泵由于摩擦磨損等產生的磨粒懸浮于油液中，通過對油液進行在線監測，便可隨時了解泵的磨損情況。實驗時先啟動液壓系統，由液壓泵為整個系統提供液壓油，后經分流器把油液分成兩路，一路供主油路使用，保證主油路的需要;另一路經過流量閥對進入靜電傳感器的流量進行控制與調節，經靜電傳感器監測磨粒信息，并由靜電信號采集部分將靜電傳感器實時監測到的油液磨粒荷電信號傳送至信號分析系統進行分析。因為油液磨粒的荷電量比較小，而靜電傳感器的靈敏度有限，所以為了更好地測量磨粒的電量，圖像采集部分根據靜電傳感器測得的電壓的不同數值范圍，對油液磨粒的圖像進行采集和分析，為研究傳感器測量電壓與磨粒濃度之間關系作準備。

圖1 液壓泵油液在線監測系統圖

在油液靜電在線監測實驗中，靜電傳感器1主要監測液壓泵的磨損信息，傳感器2監測主系統磨損信息，分別由不同的采集分析系統進行信號采集與分析，便可獲得系統中液壓泵及其他元件的狀態信息。同時也對使用的油液進行了實時監測，以預防系統在工作由于油液的污染或者元件的磨損引起的故障，起到維護系統正常運行的作用。

3 監測實驗過程設計與監測結果分析

為探索液壓系統摩擦磨損靜電監測技術的可行性，實驗啟動圖1所示的液壓泵部分循環路線，調節分流器使油液不進入主系統，通過節流閥可間接調節通過傳感器1的流量。液壓泵在電機的帶動下運轉，進行實驗。由于實驗是為了驗證液壓泵油液監測系統監測過程及結果的可行性與有效性，所以液壓泵短期的運轉并不能立刻產生想要的磨粒數量及形態。為了監測與分析液壓泵工作過程可能產生的不同磨粒，此實驗選用能反映泵磨損時可能產生的幾類材料進行故障顆粒注入實驗，材料有:耐磨合金粉末 (鉻合金粉末)、黃銅。這些材料的荷電特性將為循環油液條件下液壓泵摩損所監測的靜電信號特性分析提供依據。通過顆粒注入的實驗結果來揭示摩擦磨損實驗中的靜電信號所反映的材料類別。實驗時將全流量磨粒靜電傳感器垂直放置，讓油液沿軸線方向流過傳感器。

實驗過程中，先后往吸油油箱注入不同材質、不同濃度及不同直徑的磨粒，進行相應的監測實驗，通過課題組相應儀器及軟件的分析、處理，得到表1及表2所示的檢測結果。表1所示為兩種不同材質下每100 mL油液中磨粒尺寸大于15 μm的磨粒顆粒數及相應的監測電壓信息。表2所示為兩種不同材質及其相應磨粒直徑對應的監測電壓信息。

表1 監測電壓與磨粒數關系表

表2 監測電壓與磨粒直徑關系表

由表1可知:靜電傳感器感應電壓與磨粒濃度之間有密切的關系，隨著磨粒濃度的增加，感應電壓也在增加;不同材質對應的感應電壓并不相同，相同尺寸的黃銅感應信號電壓大于合金鋼感應電壓，表明油液靜電監測方法對于液壓泵具有很好的適應性，它不僅能監測到液壓系統油液的污染情況，結合圖像分析系統，而且能準確監測到液壓泵具體的磨損位置。因為液壓泵不同的摩擦副使用的材質不同，所以通過油液靜電監測的在線診斷，便可隨時了解液壓泵的摩擦磨損狀況。

表2表明油液靜電在線磨粒靜電傳感器不僅能夠能夠監測到不同材料荷電顆粒，并且能夠反映同種材料磨粒大小與感應電壓的關系。由此可監測液壓系統工作過程中液壓泵的磨損程度，并及時發現隱藏的故障，及時預防與處理，使液壓系統能正常運行。

4 結論

對油液靜電監測技術、監測機制、檢測方法進行了分析與研究，并利用該技術對液壓泵的磨損及油液的污染狀況進行了實際監測，得到了傳感器感應電壓與磨粒濃度及粒徑之間的關系。實驗結果表明:油液靜電在線監測技術在液壓系統中的應用是可行的、有效的，靜電傳感器自身的實時性滿足了油液在線監測的實時性要求，可以通過傳感器的測量電壓間接獲得液壓系統中元件的磨損程度與具體位置，進而實現對系統隱藏故障的早期發現與處理。

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