中國中鐵成都局集團(tuán)有限公司渝涪鐵路公司 李 龍

針對大型礦車和起重設(shè)備的液壓系統(tǒng)中橡膠管道與金屬管道結(jié)合處的漏油檢測問題，利用吸油膨脹橡膠的膨脹特性，采用電阻應(yīng)變壓力傳感器和HX711AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)漏油檢測，并通過GPRS無線傳輸模塊將檢測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心。該系統(tǒng)不但可以檢測液壓系統(tǒng)的漏油量而且可以利用膨脹橡膠的密封性阻塞漏油點(diǎn)，防止液壓油噴濺造成意外事故，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

在大型礦車和起重設(shè)備的液壓升降系統(tǒng)中，由于活塞桿的劃傷磨損或者密封元件的老化損傷，在油缸的活塞桿密封處及橡膠管道與金屬管道結(jié)合處容易發(fā)生液壓油泄露情況。液壓油一旦泄露不僅嚴(yán)重影響液壓升降系統(tǒng)工作的安全性、降低了生產(chǎn)效率。更嚴(yán)重的是當(dāng)液壓油噴濺在大型礦車或起重設(shè)備的排氣筒上時(shí)，排氣管的高溫會(huì)點(diǎn)燃液壓油而發(fā)生火災(zāi)事故。因此能及時(shí)準(zhǔn)確的檢測液壓系統(tǒng)是否漏油具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

漏油檢測一直是國內(nèi)外眾學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題之一，出現(xiàn)了許多漏油檢測的方法。如微彎式漏油檢測光纖傳感器（李緒友,張興周,高歌今.微彎式漏油檢測光纖傳感器的研究[J].傳感器技術(shù),1999(2):59-61）、基于油氣濃度的滲漏檢測方法（周銳.儲油罐底板滲漏的油氣檢測方法研究[D].重慶:解放軍后勤工程學(xué)院,2011）、基于無損檢測技術(shù)的腐蝕及滲漏檢測方法（王寧,曹玉陽,吳元,等.新型遇油膨脹橡膠的制備與性能研究[J].特種橡膠制品,2012(4):4-7）等。其中，微彎式漏油檢測光纖傳感器適用于靜置儲油設(shè)備的檢測?；谟蜌鉂舛鹊臐B漏檢測主要是針對油罐底板發(fā)生漏油情況的檢測。無損檢測技術(shù)主要是利用聲、光、磁等技術(shù)，獲得被檢測對象缺陷的大小、位置等信息，該方法容易被噪聲影響。上述幾種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)漏油的檢測但卻不能阻止漏油，不適合大型礦車和起重設(shè)備的液壓系統(tǒng)漏油檢測。

為此，本文采用吸油膨脹特種橡膠構(gòu)造傳感器實(shí)現(xiàn)漏油檢測。這種橡膠遇到油類物質(zhì)就會(huì)吸收，膨脹，體積膨脹率在200%-300%之間（陳培,田明,鄒華,等.乙烯-乙酸乙烯酯橡膠基吸油膨脹橡膠的制備與性能[J].橡膠工業(yè),2012(3):149-153），再結(jié)合電阻應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)漏油的檢測。同時(shí)，利用膨脹橡膠的密封性可以阻止漏油點(diǎn)的泄漏。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 漏油檢測原理

圖1 漏油檢測原理

漏油檢測原理如圖1所示，檢測裝置由吸油膨脹橡膠，圓環(huán)護(hù)套和電阻應(yīng)變式壓力傳感器三部分組成。當(dāng)活塞桿的密封處發(fā)生漏油情況時(shí)，圓環(huán)護(hù)套內(nèi)的吸油膨脹橡膠就會(huì)吸油而迅速膨脹，橡膠膨脹就會(huì)對護(hù)套內(nèi)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器產(chǎn)生一定的壓力，該壓力的大小反應(yīng)漏油量。與此同時(shí)，護(hù)套內(nèi)的橡膠膨脹后會(huì)將活塞桿密封處的空間緊緊的塞滿，從而將漏油點(diǎn)密封，有效的制止液壓油的泄漏。

1.2 與微處理器的接口電路

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

漏油檢測系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖2所示，由該圖可知：漏油檢測系統(tǒng)由壓力檢測部分、微控制器部分、GPRS遠(yuǎn)程部分和報(bào)警電路部分組成，下面分別介紹各部分電路的具體功能。

壓力檢測部分：當(dāng)有液壓油泄漏時(shí)，吸油膨脹特種橡膠遇油膨脹，對護(hù)套內(nèi)的電阻式應(yīng)變傳感器產(chǎn)生壓力。該壓力由電阻式應(yīng)變傳感器轉(zhuǎn)換為電阻信號的變化，然后經(jīng)過電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為電壓的變化后，由24位的高精度AD轉(zhuǎn)換芯片HX711轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，并通過串行通信的方式實(shí)現(xiàn)與微處理器STM32F103ZE接口，實(shí)現(xiàn)對壓力的檢測。

微控制器部分：整個(gè)漏油檢測系統(tǒng)以高性能的ARM Cortex微處理器STM32F103ZE芯片為控制核心，由其完成對漏油量的檢測及控制GPRS模塊SIM900A實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)傳。

GPRS遠(yuǎn)程部分：該部分由SIMCom推出新款緊湊型產(chǎn)品SIM900A構(gòu)成，SIM900A屬于雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，通過通用串行總線與STM32F103ZE接口，并通過AT指令實(shí)現(xiàn)與控制器間的數(shù)據(jù)交換，將漏油信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)（孫海洋.GM3P核心板在油氣儲運(yùn)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶,2018(11):26-29;關(guān)雯馨,王新蕊.智能家居安防GPRS無線遠(yuǎn)程監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2018(1):121-122;劉志祖.基于GPRS的城市照明電纜漏電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2018(6):196）。

報(bào)警部分：一旦有漏油情況發(fā)生，微處理器通過語音芯片播報(bào)語音提示，告知司機(jī)及時(shí)停車檢查，防止液壓油噴濺照成火災(zāi)事故。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的工作過程

漏油檢測系統(tǒng)的軟件控制流程圖如圖3所示。由上文的漏油檢測原理可知，AD轉(zhuǎn)換芯片HX711輸出的數(shù)字量與漏油量成正比，因此可以根據(jù)其輸出的數(shù)字量作為是否漏油的主要依據(jù)，當(dāng)其數(shù)值大于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，即可判斷漏油事件已經(jīng)發(fā)生。當(dāng)漏油事件發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)本地報(bào)警的同時(shí)通過串口控制GPRS模塊SIM900A實(shí)現(xiàn)漏油事件的無線遠(yuǎn)程傳輸，通知遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，為礦車維護(hù)和調(diào)度做好準(zhǔn)備，防止影響正常的生產(chǎn)。

圖3 漏油檢測系統(tǒng)的軟件控制流程圖

圖4 GPRS模塊的控制流程圖

2.2 GPRS模塊的控制流程

系統(tǒng)上電后，建立GPRS模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器的TCP連接，連接程序流程圖如圖4所示。連接成功后，GPRS模塊就能收發(fā)TCP/IP數(shù)據(jù)包，從而實(shí)踐漏油信息的無線遠(yuǎn)程。GPRS通過AT指令集建立TCP連接，其建立過程如下：

3 測試結(jié)果

用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手作為上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，IP地址和本地端口號。通過模擬漏油情況來測試檢測系統(tǒng)的性能，測試結(jié)果如圖5所示。圖5所示是有漏油情況發(fā)生時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件接收到的數(shù)據(jù)。

圖5 測試結(jié)果

4 總結(jié)

使用吸油膨脹橡膠檢測漏油，成功的解決了大型礦車和起重設(shè)備的液壓系統(tǒng)活塞桿密封處漏油檢測問題，并利用橡膠膨脹密封特性有效的阻止漏油點(diǎn)液壓油的泄漏，為進(jìn)行維護(hù)維修爭取時(shí)間。在本地報(bào)警的基礎(chǔ)上，采用GPRS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的無線遠(yuǎn)程傳輸，有效地解決了大型礦車和起重設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)漏油檢測問題。