一種新型的液壓泵健康狀況監測方法

楊孟庚

液壓波動是液壓系統中不可回避的現象,強烈的波動會產生噪音并可能損壞系統元件。但是流量的波動也可以用作檢測液壓元件的途徑。該文簡要論述了一種新型的通過檢測液壓泵產生的流量波動來對泵的健康狀況進行監控及檢測的方法,并展望了此方法的潛在市場價值。

泵源流量波;泵源阻抗;次振源測量法;故障檢測;推理流量算法

液壓波是液壓系統中固有的震動形式。所有的液壓泵都會在靜流量的基礎上產生周期性的液壓波動。這種波動是由液壓泵離散泵送液壓油產生的,比如離散的柱塞腔、齒輪的嚙合、油口的開閉和流體的壓縮等。這種流量波動會產生沿著系統傳播的壓力波,造成系統元件的振動和噪音。這種周期性的振動也會反映出液壓泵的特性及運行狀況,不同的泵的流量波形是不同的,泵在健康狀態和受損后的流量波形也是不同的。

目前工業上使用的液壓系統健康狀況監測方法可分為九大類:人的經驗監測、振動監測、超聲波檢測、油液監測、熱監測、泄漏監測、腐蝕監測和靜態數據分析。這些方法都無法直接提供泵準確的健康狀況。新的監測方法僅使用一個在線壓力傳感器和一個在線光學傳感計,可以提供泵的實時健康狀況,在對泵的可靠性要求高的領域有可觀的潛在市場價值。

1.液壓泵流量波動的測量原理

由于在現今的技術條件下,流量波是幾乎無法直接準確的測量的,所以有些學者直接使用壓力波對泵的狀況進行監測。但是壓力波的特性受整個系統的阻抗特性影響很大,而且還取決于壓力測點的位置,因為壓力波在系統中會反彈,形成駐波甚至是共振。而流量波是不受系統阻抗的影響的。所以Nigel Johnston博士發明了一種間接測量泵發出的流量波的方法,稱為次波源法。

次波源法把泵發出的流量波和泵的源阻抗以簡諧波譜的形式準確的測量出來,這兩個物理量可以準確的表達出泵源的波動特性。

次波源法的實現基于測量在一根連接被測試泵出油口的鋼管上一系列位置的壓力諧波,通常是用在兩點或三點測量的壓力波來計算流量波的。圖1介紹了這種測試方法的液壓原理圖。在這項研究中,次波源是一個旋轉閥,用來提供高頻的壓力脈沖。旋轉閥的轉速決定了壓力脈沖的頻率。被測試泵的頻率和相位由一個光學傳感器來記錄。

學者們之前的研究證明,液壓系統中的壓力和流量波動可以用頻域的方法來描述,即壓力和流量波動都可以被認為是諧波。而泵源可以被類比為電氣系統中的電源,泵源流量波可以類比為電流,泵源壓力波可以類比為電壓,而泵源阻抗可以類比為電源的阻抗。所以泵出油口處的流量波可以用如下公式來表示:

是泵源流量波,是泵源阻抗,這兩個物理量取決于泵的設計和工況(如壓力、轉速),而與系統的特性無關。泵出油口處的壓力波和流量波可以通過對硬管上兩點以上的壓力波的測量結果的計算得到,實際操作中通常使用不等間距的三點壓力波測量以消除存在病態矩陣的可能。由于需要對測量到的壓力波進行頻域分析,所以需要記錄壓力波的相位。泵源的頻率相位由一個光學傳感器來記錄,三點的壓力波被同時記錄。三點的壓力波和光學傳感器的信號被同時采集后,送入微機進行采樣和使用FBN軟件進行分析。采樣的時間長度通常為泵送周期的整數倍,這樣可以保證消除泵旋轉一圈時不同泵送周期間的差別。

首先同時開動被測試泵和次振源。由于次振源被程序控制以和被測試泵不同的頻率提供諧波,在以次振源的基頻進行采樣計算時,可以被忽略不計,這樣公式(1)可以整理為:

由公式(2)即可計算出泵源阻抗。盡管泵源阻抗受泵的工作條件影響很小,但是對于工作狀態和靜止狀態的泵,泵源阻抗差別很大。所以在做次振源測量法的時候,要開啟被測試泵。

然后關閉次振源,僅開啟被測試泵,因為壓力波和流量波可以被測出,根據公式(1)就可以計算出泵源流量波。

次振源測量法有兩個難點需要解決。一個是兩個振源的諧波相互干擾的問題,這個問題通過讓兩個振源在完全不同的頻率下工作來解決。第二個難點是利用諧波的頻率和振幅來求解泵源阻抗的困難,因為在不同頻率的此波源下求解到的振源阻抗可能會產生一定的發散。這個問題可以通過多次測量后用一個阻抗數學模型來近行擬合,通常使用Norton模型或者改進后的Parallel Norton模型就可以達到很好擬合效果。

2.泵健康度監測流程

圖2介紹了基于推算泵源流量波的泵狀況監測的操作流程。首先使用次振源法對完好的新泵進行測試,得到泵源流量波的波譜;然后再新泵的出油口利用一個壓力傳感器進行壓力波的測量,根據公式(1),可以得到與新泵相同型號的所有泵的泵源阻抗。之后在需要被監測的正在實際使用中的泵的出油口的相同位置放置一個位移傳感器,來記錄被測試泵出油口的壓力波的頻譜。由于泵的阻抗在使用過程中基本不會產生變化,再根據公式(1),利用之前計算出來的泵的阻抗,計算出被監測的泵的泵源流量波。以上的測量泵源流量波的方法稱為推理流量算法。利用推力流量算法計算出來的被監測的泵的泵源流量波和之前用次振源測量法計算出的新泵的泵源流量波進行減法運算,即得到新的波形,可用于泵的健康狀況監測的數據。

3.實驗數據分析及應用分析

使用推理流量算法監測泵健康狀況的實驗選取兩個平衡式葉片泵作為被測試泵,一個是沒有任何損傷的新泵,一個由于氣穴現象造成了配流盤的損傷。通過圖2所示流程的實驗,得到圖3所示的泵損傷對泵源流量波造成的影響。不同的損傷對泵源流量波的影響不同,根據測試測到的泵源流量波的變化,可以推斷出泵的健康狀況。對于葉片泵配流盤上的氣穴損傷,根據經驗使用一種簡單的算法進行判斷,即如果泵源流量波的振幅超過泵靜流量的0.7%,那么可以初步認定配流盤已經受到氣穴損傷。

這種新的監測方法的優勢在于首先可以做到在線實時監測,在工作設備上只需要安裝一個壓力傳感器和一個光學傳感器,不需要被測系統停機拆卸等影響設備效率的操作,保證了設備的連續運轉,可用于停機會造成較大損失的系統中泵的狀況監測;再者,對于泵的可靠性要求極高的應用,如飛機的燃油供應系統,此監控方法可以檢測到泵受到的早期損傷,這些損傷在早期并不會明顯影響泵的工作效率、性能,但是會造成系統污染度的增加和損傷的加速擴大,而普通的檢測方法無法檢測到這種早期的損傷。而該方法需要數據采集板和微機進行數據的采集和處理,硬件成本較高;需要對不同類型的泵的各種損傷形式進行前期的研究,了解各種損傷對不同類型的泵的泵源流量波的影響形式,以提供監測參考標準,前期投入的研究成本比較高。

基于次振源測量法的推理流量算法,是一種新型的針對液壓

泵的在線實時監測方法,可以檢測出泵早期的微小損傷,這些損傷對泵的性能影響并不明顯,但是會給未來的運行帶來安全隱患,而傳統的監測方法通常不會檢測出此類的隱患。推理流量算法由于其在線特性和準確率高,但使用成本較高的特點,適用于對穩定性要求較高,無法接受意外停機的系統,如大型飛機的燃油供應系統和24小時工作的大型工業液壓站。

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