李啟璘，孫新，文振華

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州 450015)

液壓泵與機(jī)械設(shè)備一樣，都有服役期限，服役期限的長(zhǎng)短取決于液壓介質(zhì)的清潔度以及液壓泵運(yùn)行中的正確監(jiān)測(cè)、維護(hù)及保養(yǎng)。磨損是導(dǎo)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(gè)量變到質(zhì)變的過程，經(jīng)歷初期磨損、正常磨損到異常磨損3個(gè)階段。當(dāng)液壓泵進(jìn)入異常磨損階段后，金屬材料達(dá)到疲勞周期的額定壽命，金屬表面將產(chǎn)生疲勞層，在泵高溫高壓的特殊使用狀態(tài)下，金屬表面疲勞層易發(fā)生顆粒狀脫落，磨損急劇增長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致失效。而對(duì)于一套液壓系統(tǒng)而言，泵是整套系統(tǒng)中價(jià)值最高的部件，如果不對(duì)泵進(jìn)行在線監(jiān)控與檢測(cè)就很難預(yù)測(cè)泵何時(shí)需要什么樣的維護(hù)。如果不記錄和分析所監(jiān)控泵的數(shù)據(jù)，幾乎就沒有可能對(duì)在線使用的泵能否按規(guī)定的服役期運(yùn)行做出準(zhǔn)確判斷。如果一臺(tái)泵出現(xiàn)可檢測(cè)的劣化跡象，在故障發(fā)生前有足夠時(shí)間可觀察到劣化程度，對(duì)泵進(jìn)行在線定期檢測(cè)并加強(qiáng)維護(hù)，就能有效預(yù)防泵的早期失效，提高泵的使用壽命。

1 液壓泵常見故障監(jiān)測(cè)方法

液壓泵運(yùn)行中出現(xiàn)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(duì)不同故障的監(jiān)測(cè)方法也不少，但總的可概括為離線監(jiān)測(cè)法與在線監(jiān)測(cè)法。

離線式監(jiān)測(cè)技術(shù)往往用在對(duì)油液狀況或設(shè)備的已使用狀況進(jìn)行診斷與分析，可以用一些專業(yè)精密儀器進(jìn)行。如對(duì)油液狀況分析，主要集中在光譜分析、鐵譜分析、顆粒計(jì)數(shù)、油品理化分析等方面。離線式主要缺點(diǎn)在于不是實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，大多是在出現(xiàn)故障跡象的情況下才進(jìn)行。液壓泵故障過程是一個(gè)漸變過程，所以必須要對(duì)油液進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)才不會(huì)使得監(jiān)測(cè)充滿偶然性。實(shí)際上泵的磨損或油液污染導(dǎo)致的故障最常見。所以對(duì)液壓泵進(jìn)行實(shí)時(shí)在線磨損監(jiān)測(cè)是使泵保持最佳工作狀態(tài)的有效方法。

液壓泵的在線監(jiān)測(cè)法有基于表象診斷方法、振動(dòng)診斷法、超聲波泄漏監(jiān)測(cè)法、紅外線電子測(cè)溫法、液壓測(cè)試儀測(cè)流量等。這些監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)液壓系統(tǒng)的溫升、泄漏、振動(dòng)等信息進(jìn)行的。實(shí)際上液壓泵的磨損與油液污染是液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障的常見誘因，可導(dǎo)致泄漏、溫升及振動(dòng)等一系列問題，所以對(duì)于液壓系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)，最有效的便是監(jiān)測(cè)泵的磨損與油液的品質(zhì)，并且通過監(jiān)測(cè)油液中的磨粒及污物信息，監(jiān)測(cè)到故障的成因、具體部位及程度等，以達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障跡象、排除故障、維護(hù)液壓系統(tǒng)的目的。

2 液壓泵油液靜電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

液壓泵工作過程中，摩擦磨損是不可避免的，因?yàn)椴还苣姆N形式的液壓泵都有幾對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dǎo)致液壓泵或系統(tǒng)故障的常見誘因。雖然無(wú)法通過肉眼準(zhǔn)確地判斷摩擦磨損程度、部位或類型，但懸浮于系統(tǒng)油液中的磨損微粒卻承載著這些重要信息，因?yàn)槟チＪ且簤罕脙?nèi)部摩擦副磨損的必然產(chǎn)物，反映著液壓泵摩擦磨損的狀況。所以，通過對(duì)油液磨粒的分析，可以對(duì)液壓泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和磨損故障的在線診斷與維護(hù)。相比于振動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)等，全流量磨粒靜電信號(hào)的監(jiān)測(cè)對(duì)零部件衰退早期的癥狀更敏感，并可提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息。

2.1 液壓泵油液靜電在線監(jiān)測(cè)機(jī)制

液壓泵摩擦副荷電磨粒的產(chǎn)生機(jī)制較復(fù)雜，受油液、摩擦副材料的化學(xué)、物理性質(zhì)及摩擦中摩擦化學(xué)的影響，磨粒荷電機(jī)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(yùn)行過程中，由于摩擦副之間的緊密接觸會(huì)在它們的表面產(chǎn)生接觸電勢(shì)差VCPD，從而導(dǎo)致它們表面凈電荷的產(chǎn)生，而摩擦磨損產(chǎn)生的磨粒就會(huì)帶走這些電荷。

接觸荷電指磨粒隨油液在循環(huán)管道中傳輸時(shí)，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(chǎn)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(jù)摩擦荷電原理，不同種金屬材料接觸受載、相互滑動(dòng)后分離，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，使兩金屬分別帶上等量異號(hào)電荷。這些荷電磨粒懸浮在流動(dòng)的油液中，經(jīng)過傳感器探極，產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)。磨粒大小、形態(tài)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(chǎn)生的信號(hào)特征會(huì)有明顯的差異。敏感區(qū)域內(nèi)的磨粒經(jīng)過靜電傳感器的時(shí)候所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷的總量為:

根據(jù)傅里葉變換，可以得到如下公式:

從式 (2)看出，感應(yīng)探極電荷信號(hào)的頻率特性可以看作是不同位置上脈沖響應(yīng)特性在相應(yīng)的頻率f處的加權(quán)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(duì)具有不同流動(dòng)特性的荷電磨粒產(chǎn)生的輸出信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)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(hào)處理工具對(duì)靜電監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率特征參數(shù)進(jìn)行提取。

2.2 液壓泵油液靜電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓泵油液靜電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由主油路部分與檢測(cè)油路部分組成。該系統(tǒng)中，液壓泵安裝于油箱內(nèi)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(chǎn)生的磨粒懸浮于油液中，通過對(duì)油液進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，便可隨時(shí)了解泵的磨損情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)先啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，由液壓泵為整個(gè)系統(tǒng)提供液壓油，后經(jīng)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(jīng)過流量閥對(duì)進(jìn)入靜電傳感器的流量進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，經(jīng)靜電傳感器監(jiān)測(cè)磨粒信息，并由靜電信號(hào)采集部分將靜電傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的油液磨粒荷電信號(hào)傳送至信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。因?yàn)橛鸵耗チ５暮呻娏勘容^小，而靜電傳感器的靈敏度有限，所以為了更好地測(cè)量磨粒的電量，圖像采集部分根據(jù)靜電傳感器測(cè)得的電壓的不同數(shù)值范圍，對(duì)油液磨粒的圖像進(jìn)行采集和分析，為研究傳感器測(cè)量電壓與磨粒濃度之間關(guān)系作準(zhǔn)備。

圖1 液壓泵油液在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

在油液靜電在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，靜電傳感器1主要監(jiān)測(cè)液壓泵的磨損信息，傳感器2監(jiān)測(cè)主系統(tǒng)磨損信息，分別由不同的采集分析系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集與分析，便可獲得系統(tǒng)中液壓泵及其他元件的狀態(tài)信息。同時(shí)也對(duì)使用的油液進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以預(yù)防系統(tǒng)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(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的作用。

3 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為探索液壓系統(tǒng)摩擦磨損靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)圖1所示的液壓泵部分循環(huán)路線，調(diào)節(jié)分流器使油液不進(jìn)入主系統(tǒng)，通過節(jié)流閥可間接調(diào)節(jié)通過傳感器1的流量。液壓泵在電機(jī)的帶動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證液壓泵油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程及結(jié)果的可行性與有效性，所以液壓泵短期的運(yùn)轉(zhuǎn)并不能立刻產(chǎn)生想要的磨粒數(shù)量及形態(tài)。為了監(jiān)測(cè)與分析液壓泵工作過程可能產(chǎn)生的不同磨粒，此實(shí)驗(yàn)選用能反映泵磨損時(shí)可能產(chǎn)生的幾類材料進(jìn)行故障顆粒注入實(shí)驗(yàn)，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(huán)油液條件下液壓泵摩損所監(jiān)測(cè)的靜電信號(hào)特性分析提供依據(jù)。通過顆粒注入的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)揭示摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中的靜電信號(hào)所反映的材料類別。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)過程中，先后往吸油油箱注入不同材質(zhì)、不同濃度及不同直徑的磨粒，進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過課題組相應(yīng)儀器及軟件的分析、處理，得到表1及表2所示的檢測(cè)結(jié)果。表1所示為兩種不同材質(zhì)下每100 mL油液中磨粒尺寸大于15 μm的磨粒顆粒數(shù)及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)電壓信息。表2所示為兩種不同材質(zhì)及其相應(yīng)磨粒直徑對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)電壓信息。

表1 監(jiān)測(cè)電壓與磨粒數(shù)關(guān)系表

表2 監(jiān)測(cè)電壓與磨粒直徑關(guān)系表

由表1可知:靜電傳感器感應(yīng)電壓與磨粒濃度之間有密切的關(guān)系，隨著磨粒濃度的增加，感應(yīng)電壓也在增加;不同材質(zhì)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓并不相同，相同尺寸的黃銅感應(yīng)信號(hào)電壓大于合金鋼感應(yīng)電壓，表明油液靜電監(jiān)測(cè)方法對(duì)于液壓泵具有很好的適應(yīng)性，它不僅能監(jiān)測(cè)到液壓系統(tǒng)油液的污染情況，結(jié)合圖像分析系統(tǒng)，而且能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到液壓泵具體的磨損位置。因?yàn)橐簤罕貌煌哪Σ粮笔褂玫牟馁|(zhì)不同，所以通過油液靜電監(jiān)測(cè)的在線診斷，便可隨時(shí)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(jiān)測(cè)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(yīng)電壓的關(guān)系。由此可監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)工作過程中液壓泵的磨損程度，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱藏的故障，及時(shí)預(yù)防與處理，使液壓系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

對(duì)油液靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)機(jī)制、檢測(cè)方法進(jìn)行了分析與研究，并利用該技術(shù)對(duì)液壓泵的磨損及油液的污染狀況進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)，得到了傳感器感應(yīng)電壓與磨粒濃度及粒徑之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:油液靜電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的、有效的，靜電傳感器自身的實(shí)時(shí)性滿足了油液在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，可以通過傳感器的測(cè)量電壓間接獲得液壓系統(tǒng)中元件的磨損程度與具體位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)隱藏故障的早期發(fā)現(xiàn)與處理。

［1］陳志雄，左洪福，詹志娟，等.滑油系統(tǒng)全流量在線磨粒靜電監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2012，33(3):446-452.

［2］GOLCHIN A，SIMMONS G F，GLAVATSKIH S B.Break-away Friction of PTFE Materials in Lubricated Conditions［J］.Tribology International，2012，48:54-62.

［3］HARVEY T J，WOOD R J K，POWRIE H E G.Electrostatic Wear Monitoring of Rolling Element Bearings［J］.Wear，2007，263:1492-1501.

［4］黎瓊煒，毛美娟，陳勇.油液分析現(xiàn)狀與發(fā)展方向研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(3):272-275.

［5］陳士瑋，李柱國(guó)，劉玉斌.綜合監(jiān)測(cè)方法在液壓泵失效分析中的應(yīng)用［J］.潤(rùn)滑與密封，2003(6):51-52.