， ， ， (湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道機(jī)電系， 湖南 衡陽(yáng)　421002)

引言

工程機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)主要以液壓傳動(dòng)為主，通常工作環(huán)境溫度高，灰塵較多，液壓系統(tǒng)極易被污染，導(dǎo)致工程機(jī)械運(yùn)行不正常。同時(shí)，現(xiàn)代施工作業(yè)基本上是多機(jī)種聯(lián)合作業(yè)，時(shí)間緊，任務(wù)重，一旦某臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將影響整個(gè)工程的進(jìn)度。用戶(hù)為保證工程進(jìn)度，對(duì)工程機(jī)械的可靠性提出了越來(lái)越高的要求,工程機(jī)械的可靠性主要靠液壓系統(tǒng)來(lái)保證。調(diào)查顯示,液壓系統(tǒng)中75%左右的故障是由油液污染引起的，油液污染問(wèn)題也歷來(lái)是國(guó)內(nèi)外液壓行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。為降低因油液污染引起液壓系統(tǒng)的故障率，十分有必要加強(qiáng)對(duì)油液污染的監(jiān)測(cè)和診斷處理。

傳統(tǒng)離線檢測(cè)[1，2]方法存在檢測(cè)周期長(zhǎng)，不能及時(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀況，測(cè)試過(guò)程中污染侵入環(huán)節(jié)較多，對(duì)采集的油樣處理會(huì)造成大量的信息損失和對(duì)實(shí)驗(yàn)操作員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和水平依賴(lài)比較大等問(wèn)題，不利于機(jī)械系統(tǒng)故障的早期診斷和預(yù)防，不適于現(xiàn)場(chǎng)使用，采用在線檢測(cè)可以克服以上問(wèn)題。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是將傳感器(或傳感探頭)直接安裝在系統(tǒng)管路或油箱上，在系統(tǒng)工作過(guò)程中可以隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，省略了繁瑣的取樣操作程序[3]，也避免了外界的污染物進(jìn)入取樣油液中影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性。為及時(shí)根據(jù)油液的污染程度，采取有效的控制、凈化措施及實(shí)施按質(zhì)換油提供了依據(jù)。同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可以用液壓系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行仿真分析[4]，模擬系統(tǒng)的預(yù)期作用，減少開(kāi)發(fā)成本。

本研究以某公司的3臺(tái)平板硫化機(jī)組為研究對(duì)象，建立了液壓系統(tǒng)污染度與液壓油溫在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用目前較為先進(jìn)的液壓油在線顆粒檢測(cè)儀與油液在線取樣傳感器[5]，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)開(kāi)啟或停止油液診斷系統(tǒng)，使機(jī)組液壓系統(tǒng)油液清潔度始終保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

1　平板硫化機(jī)組液壓系統(tǒng)

研究對(duì)象平板硫化機(jī)屬于工程機(jī)械中的液壓機(jī)床，平板硫化機(jī)用來(lái)硫化成型橡膠或合成材料制品。

平板硫化機(jī)組包括2臺(tái)1200P和1臺(tái)2600P平板硫化機(jī)，其中1200P平板硫化機(jī)是生產(chǎn)高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架上空氣彈簧，2600P平板硫化機(jī)生產(chǎn)換流閥絕緣槽梁。2600P液壓系統(tǒng)如圖1所示。該液壓系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，吸油過(guò)濾器2、齒輪泵3、電動(dòng)機(jī)4、疊加式電控溢流閥5、電磁換向閥6、液控單向閥7、插裝閥10、鎖模油缸13與油冷器1以及液壓油箱組成鎖模增壓回路，為定量液壓系統(tǒng)，主要作用為在平板硫化機(jī)鎖模時(shí)，進(jìn)行快速增壓。吸油過(guò)濾器18、電動(dòng)機(jī)17、雙作用葉片泵16、壓力流量控制閥15、電磁換向閥8與抗衡閥9等液壓元件組成主回路，負(fù)責(zé)快速開(kāi)合模、快速充液動(dòng)作。1200P平板硫化機(jī)液壓系統(tǒng)原理與2600P相類(lèi)似，因篇幅有限，此處不再介紹。

2　在線油液監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)

圖1中2600P平板硫化機(jī)液壓原理圖，液壓回路中只安裝了吸油過(guò)濾器，吸油過(guò)濾器過(guò)濾精度比較低，一般情況下精度為100 μ。不能滿(mǎn)足系統(tǒng)精度要求。為保證該機(jī)組液壓系統(tǒng)的清潔度，減少機(jī)組液壓系統(tǒng)故障，我們對(duì)該機(jī)組液壓系統(tǒng)進(jìn)行了污染物在線監(jiān)測(cè)與在線診斷，并建立了相關(guān)的在線監(jiān)測(cè)與在線診斷系統(tǒng)。

2.1　系統(tǒng)的組成

在線油液監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：油液污染物在線顆粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、油液污染物在線循環(huán)過(guò)濾診斷系統(tǒng)、油液溫度在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。其原理圖如圖2所示，系統(tǒng)各元件品牌型號(hào)如表1所示。

(1) 油液污染物在線顆粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng):取樣傳感器4通過(guò)取樣電磁閥2從平板硫化機(jī)組3臺(tái)設(shè)備液壓油箱的回油管處進(jìn)行周期性取樣，油液從取樣傳感器4到達(dá)在線顆粒檢測(cè)儀3中進(jìn)行污染物的顆粒數(shù)檢測(cè)。判定液壓系統(tǒng)清潔度等級(jí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)通信電纜將液壓油的清潔度顯示到PC機(jī)1顯示器上。

(2) 油液污染物在線循環(huán)過(guò)濾診斷系統(tǒng)：平板硫化機(jī)組3臺(tái)設(shè)備液壓油箱的油液通過(guò)吸油電磁閥12，到達(dá)副油箱5，齒輪泵6在電動(dòng)機(jī)8的驅(qū)動(dòng)下完成吸油壓油動(dòng)作，油液經(jīng)過(guò)低壓過(guò)濾器7、回油電磁閥10實(shí)現(xiàn)了對(duì)3臺(tái)設(shè)備油液的循環(huán)過(guò)濾，過(guò)濾后的液壓油重新回到各設(shè)備油箱中。該過(guò)濾系統(tǒng)不通過(guò)設(shè)備本身的液壓系統(tǒng)， 故在線循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)實(shí)際上是一種旁路循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)或體外循環(huán)系統(tǒng)。

(3) 油液溫度在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)：油液取樣傳感器4上的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓油溫度，反饋給PC機(jī)1，PC機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)到的油液溫度控制電磁水閥14的開(kāi)/關(guān)，從而控制水冷卻系統(tǒng)是否工作。

2.2　在線顆粒檢測(cè)儀

在線顆粒檢測(cè)儀Icount PD，型號(hào)為IPD12222130。是油液檢測(cè)設(shè)備中比較先進(jìn)的顆粒檢測(cè)儀器，廣泛用于工程機(jī)械，工業(yè)設(shè)備與電力行業(yè)，其外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。Icount PD檢測(cè)儀既可以通過(guò)3個(gè)LED燈實(shí)時(shí)在線顯示符合ISO 4406 和NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)的油液清潔度代碼，又可以通過(guò)觸發(fā)內(nèi)置限位繼電器，來(lái)控制外圍設(shè)備的開(kāi)啟或關(guān)停。當(dāng)油液的污染度水平達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，繼電器觸發(fā)，可以自動(dòng)開(kāi)啟在線循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)，而且安裝十分方便，Icount PD通過(guò)兩端外螺紋與液壓管相連，通過(guò)兩個(gè)通孔用M5螺釘固定。通過(guò)串行口數(shù)據(jù)鏈接，可與Windows HyperTerminal終端進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)的讀取。

1.PC機(jī)　2.取樣電磁閥　3.在線顆粒檢測(cè)儀　4.取樣傳感器　5.副油箱　6.齒輪泵　7.低壓過(guò)濾器 8.電動(dòng)機(jī)　9.安全閥　10.回油電磁閥　11.壓力開(kāi)關(guān)　12.吸油電磁閥　13.油冷器　14.電磁水閥

表1　系統(tǒng)主要液壓元件型號(hào)與品牌

2.3　取樣傳感器

取樣傳感器選用SYSTEM 20傳感器，型號(hào)為STI.0144.100，它能夠?qū)崟r(shí)提供液壓準(zhǔn)確流量、壓力和溫度信息。傳感器為管式結(jié)構(gòu)，側(cè)壁上帶有2個(gè)壓力傳感器與1個(gè)油溫傳感器(圖4)，壓力傳感器分布在兩側(cè)，通過(guò)測(cè)壓線分別連接到在線顆粒檢測(cè)儀Icount PD的2個(gè)M16×2的油口上， 通過(guò)2個(gè)壓力傳感器的壓差值可以自動(dòng)計(jì)算出通過(guò)傳感器的流量。油溫傳感器輸出的溫度信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，控制循環(huán)冷卻水閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。傳感器筒體為鋼制結(jié)構(gòu)，內(nèi)部傳感元件材料為黃銅或不銹鋼。流量范圍選用0規(guī)格，在6～25 L/min之間，最高工作壓力可達(dá)420 bar，最大流量是壓降Δp僅為1.1 bar，檢測(cè)分辨率很高，誤差在±2.5%以?xún)?nèi)，是目前最專(zhuān)業(yè)的液壓油液傳感器。

1.油口　2.LED顯示燈　3.內(nèi)置繼電器電纜 4.安裝孔　5.通信電纜

1.壓力傳感器　2.溫度傳感器

2.4　過(guò)濾器

過(guò)濾器選用某公司生產(chǎn)的低壓過(guò)濾器。該公司專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)用于流體過(guò)濾技術(shù)、液壓控制技術(shù)等元件和裝置，本研究所選用的過(guò)濾器型號(hào)為L(zhǎng)F BN/HC 660 I F 5 C 1.x /-V-A2-B6。過(guò)濾精度為5 μm，鋁制殼體，壓力等級(jí)100 bar，過(guò)濾流量最大可為500 L/min，帶電氣污染發(fā)訊器。其外形如圖5所示。

1.過(guò)濾器　2.管接頭　3.電氣污染發(fā)訊器

1) 過(guò)濾器選型計(jì)算

過(guò)濾器選型需要考慮成本與過(guò)濾效果?？紤]到系統(tǒng)壓力、流量與過(guò)濾精度，粗選了LF型低壓過(guò)濾器。過(guò)濾器的規(guī)格計(jì)算主要準(zhǔn)則是計(jì)算油液通過(guò)過(guò)濾器時(shí)的總壓降Δp總≤0.2×Δpa(污染發(fā)訊器的起始?jí)毫?，污染發(fā)訊器的起始設(shè)定壓力Δpa=5 bar，也就是過(guò)濾器的總壓降Δp總≤1 bar，而過(guò)濾器的總壓降是由外殼壓降與濾芯壓降疊加而成。過(guò)濾器選型計(jì)算的原始數(shù)據(jù)如表2所示。通過(guò)HYDAC過(guò)濾器選型專(zhuān)用軟件——Filter-IT軟件計(jì)算得到如圖6、圖7所示的圖形。圖6表示通過(guò)過(guò)濾器的流量與總壓降Δp總的關(guān)系曲線，從曲線中，可以看出，當(dāng)系統(tǒng)流量為160 L/min時(shí)，過(guò)濾器的總壓降Δp總=0.53 bar<1 bar，滿(mǎn)足過(guò)濾器選型要求。圖7表示油液溫度與油液通過(guò)過(guò)濾器的壓降之間的關(guān)系。從曲線可以看出，油液溫度越低，壓降越大，因此，在液壓系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行，油液溫度較低的情況下，過(guò)濾器容易產(chǎn)生誤報(bào)警，但是隨著液壓系統(tǒng)運(yùn)行，報(bào)警會(huì)自動(dòng)消除。

表2　原始數(shù)據(jù)表

圖6　流量與通過(guò)過(guò)濾器的壓降曲線

圖7　油液溫度與通過(guò)過(guò)濾器的壓降曲線

2.5　系統(tǒng)控制策略

對(duì)機(jī)組中三臺(tái)平板硫化機(jī)進(jìn)行編號(hào)，按照從左到右的順序，左邊1200P平板硫化機(jī)為1號(hào)機(jī)，中間2600P平板硫化機(jī)為2號(hào)機(jī)，右邊1200P平板硫化機(jī)為3號(hào)機(jī)。

啟動(dòng)系統(tǒng)，1號(hào)機(jī)取樣電磁閥電磁鐵Y1通電，系統(tǒng)對(duì)機(jī)組中1號(hào)機(jī)硫化機(jī)液壓系統(tǒng)污染度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。油液從1號(hào)硫化機(jī)的總回油管，通過(guò)取樣電磁閥SV4-8-C-F-24D-NS-00，到達(dá)取樣傳感器SYSTEM 20，經(jīng)在線顆粒檢測(cè)儀IcountPD進(jìn)行油液清潔度檢測(cè)后，油液流回副油箱，副油箱與3臺(tái)平板硫化機(jī)的液壓油箱之間相互貫通。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)回油路上取樣，檢測(cè)完成后，油液流回油箱，因此，取樣與監(jiān)測(cè)相當(dāng)于在液壓系統(tǒng)的回油路上并聯(lián)一回路進(jìn)行回油，而且在線監(jiān)測(cè)時(shí)所需要的流量小，只有6～25 L/min左右、系統(tǒng)背壓低，在3～5 bar左右，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有額外配置液壓泵。

若油液清潔度指標(biāo)位于設(shè)定值以下，在線顆粒監(jiān)測(cè)儀IcountPD的繼電器K1不被觸發(fā)的情況下。系統(tǒng)在對(duì)1號(hào)機(jī)一個(gè)監(jiān)測(cè)周期5 min之后，自動(dòng)切換到監(jiān)測(cè)2號(hào)機(jī)。此時(shí)1號(hào)機(jī)取樣電磁閥電磁鐵Y1斷電，2號(hào)機(jī)取樣電磁閥電磁鐵Y2通電。同樣，若2號(hào)機(jī)油液清潔度指標(biāo)位于設(shè)定值以下，繼電K1不被觸發(fā)的情況下，在5 min之后，系統(tǒng)自動(dòng)切換到對(duì)3號(hào)機(jī)的在線檢測(cè)。如此按照循環(huán)對(duì)機(jī)組中3臺(tái)設(shè)備進(jìn)行周期性在線監(jiān)測(cè)。

若油液清潔度指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)設(shè)定值。例如1號(hào)平板硫化機(jī)設(shè)定值為NAS7級(jí)， 當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)清潔度達(dá)到NAS8級(jí)時(shí)，在線顆粒監(jiān)測(cè)儀IcountPD的繼電器K1被觸發(fā)，一旦K1被觸發(fā)，控制電動(dòng)機(jī)的電磁繼電器K2閉合，啟動(dòng)系統(tǒng)診斷——體外循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)，1號(hào)機(jī)回油電磁閥、2號(hào)機(jī)與3號(hào)機(jī)吸油電磁閥同時(shí)得電，此時(shí)，診斷系統(tǒng)回路為：1號(hào)機(jī)回油管——1號(hào)機(jī)吸油電磁閥——副油箱——齒輪泵——低壓過(guò)濾器——1號(hào)機(jī)回油電磁閥——1號(hào)機(jī)液壓油箱。體外循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，當(dāng)1號(hào)機(jī)液壓系統(tǒng)清潔度回到設(shè)定值以下，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行，同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)切換到對(duì)2號(hào)機(jī)的監(jiān)測(cè)。

表3　控制狀態(tài)表

注：“+”表示電磁鐵通電或繼電器閉合；“-”表示電磁鐵斷電或繼電器斷開(kāi)。

壓力開(kāi)關(guān)與安全閥限制體外循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，防止出現(xiàn)體外循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，3個(gè)回油電磁閥均失電的情況下，系統(tǒng)壓力憋，出現(xiàn)爆管的事故。一旦壓力開(kāi)關(guān)K3報(bào)警，監(jiān)測(cè)工作人員需要檢查回油電磁閥的狀態(tài)。

取樣傳感器SYSTEM 20內(nèi)置的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)的溫度，通常情況下，液壓油合適的工作溫度在25～65 ℃之間，當(dāng)系統(tǒng)油溫低于設(shè)定值65 ℃時(shí)，電磁水閥ZQDF40關(guān)閉，冷卻系統(tǒng)不供冷卻水，當(dāng)油液溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電磁水閥ZQDF40電磁鐵通電，閥打開(kāi)，冷卻系統(tǒng)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)冷卻，直到液壓系統(tǒng)油溫下降到設(shè)定值以下，電磁水閥ZQDF40重新關(guān)閉，切斷冷卻水供應(yīng)[6]。溫控系統(tǒng)既可以將液壓系統(tǒng)油溫控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，又可以節(jié)約用水。

其控制狀態(tài)如表3所示。

3　結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)工程機(jī)械——平板硫化機(jī)組液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立了針對(duì)液壓系統(tǒng)污染物顆粒在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)，給出了在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的控制策略與控制狀態(tài)表，并對(duì)系統(tǒng)元件進(jìn)行了選型。該系統(tǒng)自動(dòng)化控制程度高，對(duì)于大型工程機(jī)械與機(jī)組液壓系統(tǒng)油液在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究有一定的參考價(jià)值。

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