工程機械油液監(jiān)測體系的應用研究

， ， ， (湖南高速鐵路職業(yè)技術學院 鐵道機電系， 湖南 衡陽　421002)

引言

工程機械的傳動系統(tǒng)主要以液壓傳動為主，通常工作環(huán)境溫度高，灰塵較多，液壓系統(tǒng)極易被污染，導致工程機械運行不正常。同時，現代施工作業(yè)基本上是多機種聯合作業(yè)，時間緊，任務重，一旦某臺設備系統(tǒng)出現故障，將影響整個工程的進度。用戶為保證工程進度，對工程機械的可靠性提出了越來越高的要求,工程機械的可靠性主要靠液壓系統(tǒng)來保證。調查顯示,液壓系統(tǒng)中75%左右的故障是由油液污染引起的，油液污染問題也歷來是國內外液壓行業(yè)普遍關注的問題。為降低因油液污染引起液壓系統(tǒng)的故障率，十分有必要加強對油液污染的監(jiān)測和診斷處理。

傳統(tǒng)離線檢測[1，2]方法存在檢測周期長，不能及時反映設備的運行狀況，測試過程中污染侵入環(huán)節(jié)較多，對采集的油樣處理會造成大量的信息損失和對實驗操作員個人的經驗和水平依賴比較大等問題，不利于機械系統(tǒng)故障的早期診斷和預防，不適于現場使用，采用在線檢測可以克服以上問題。在線監(jiān)測技術是將傳感器(或傳感探頭)直接安裝在系統(tǒng)管路或油箱上，在系統(tǒng)工作過程中可以隨時進行檢測，省略了繁瑣的取樣操作程序[3]，也避免了外界的污染物進入取樣油液中影響測量結果的真實性。為及時根據油液的污染程度，采取有效的控制、凈化措施及實施按質換油提供了依據。同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)也可以用液壓系統(tǒng)仿真軟件進行仿真分析[4]，模擬系統(tǒng)的預期作用，減少開發(fā)成本。

本研究以某公司的3臺平板硫化機組為研究對象，建立了液壓系統(tǒng)污染度與液壓油溫在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用目前較為先進的液壓油在線顆粒檢測儀與油液在線取樣傳感器[5]，進行在線監(jiān)測。同時，系統(tǒng)通過監(jiān)測結果自動開啟或停止油液診斷系統(tǒng)，使機組液壓系統(tǒng)油液清潔度始終保持在設定的范圍內。

1　平板硫化機組液壓系統(tǒng)

研究對象平板硫化機屬于工程機械中的液壓機床，平板硫化機用來硫化成型橡膠或合成材料制品。

平板硫化機組包括2臺1200P和1臺2600P平板硫化機，其中1200P平板硫化機是生產高速列車轉向架上空氣彈簧，2600P平板硫化機生產換流閥絕緣槽梁。2600P液壓系統(tǒng)如圖1所示。該液壓系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，吸油過濾器2、齒輪泵3、電動機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鎖模時，進行快速增壓。吸油過濾器18、電動機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，負責快速開合模、快速充液動作。1200P平板硫化機液壓系統(tǒng)原理與2600P相類似，因篇幅有限，此處不再介紹。

2　在線油液監(jiān)測與診斷系統(tǒng)

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

2.1　系統(tǒng)的組成

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

(1) 油液污染物在線顆粒監(jiān)測系統(tǒng):取樣傳感器4通過取樣電磁閥2從平板硫化機組3臺設備液壓油箱的回油管處進行周期性取樣，油液從取樣傳感器4到達在線顆粒檢測儀3中進行污染物的顆粒數檢測。判定液壓系統(tǒng)清潔度等級，監(jiān)測結果通過通信電纜將液壓油的清潔度顯示到PC機1顯示器上。

(2) 油液污染物在線循環(huán)過濾診斷系統(tǒng)：平板硫化機組3臺設備液壓油箱的油液通過吸油電磁閥12，到達副油箱5，齒輪泵6在電動機8的驅動下完成吸油壓油動作，油液經過低壓過濾器7、回油電磁閥10實現了對3臺設備油液的循環(huán)過濾，過濾后的液壓油重新回到各設備油箱中。該過濾系統(tǒng)不通過設備本身的液壓系統(tǒng)， 故在線循環(huán)過濾系統(tǒng)實際上是一種旁路循環(huán)過濾系統(tǒng)或體外循環(huán)系統(tǒng)。

(3) 油液溫度在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)：油液取樣傳感器4上的溫度傳感器實時監(jiān)測液壓油溫度，反饋給PC機1，PC機通過監(jiān)測到的油液溫度控制電磁水閥14的開/關，從而控制水冷卻系統(tǒng)是否工作。

2.2　在線顆粒檢測儀

在線顆粒檢測儀Icount PD，型號為IPD12222130。是油液檢測設備中比較先進的顆粒檢測儀器，廣泛用于工程機械，工業(yè)設備與電力行業(yè)，其外形結構如圖3所示。Icount PD檢測儀既可以通過3個LED燈實時在線顯示符合ISO 4406 和NAS1638 標準的油液清潔度代碼，又可以通過觸發(fā)內置限位繼電器，來控制外圍設備的開啟或關停。當油液的污染度水平達到預設值時，繼電器觸發(fā)，可以自動開啟在線循環(huán)過濾系統(tǒng)，而且安裝十分方便，Icount PD通過兩端外螺紋與液壓管相連，通過兩個通孔用M5螺釘固定。通過串行口數據鏈接，可與Windows HyperTerminal終端進行通信和數據的讀取。

1.PC機　2.取樣電磁閥　3.在線顆粒檢測儀　4.取樣傳感器　5.副油箱　6.齒輪泵　7.低壓過濾器 8.電動機　9.安全閥　10.回油電磁閥　11.壓力開關　12.吸油電磁閥　13.油冷器　14.電磁水閥

表1　系統(tǒng)主要液壓元件型號與品牌

2.3　取樣傳感器

取樣傳感器選用SYSTEM 20傳感器，型號為STI.0144.100，它能夠實時提供液壓準確流量、壓力和溫度信息。傳感器為管式結構，側壁上帶有2個壓力傳感器與1個油溫傳感器(圖4)，壓力傳感器分布在兩側，通過測壓線分別連接到在線顆粒檢測儀Icount PD的2個M16×2的油口上， 通過2個壓力傳感器的壓差值可以自動計算出通過傳感器的流量。油溫傳感器輸出的溫度信號可以轉換為模擬電流信號，控制循環(huán)冷卻水閥的開啟與關閉。傳感器筒體為鋼制結構，內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420 bar，最大流量是壓降Δp僅為1.1 bar，檢測分辨率很高，誤差在±2.5%以內，是目前最專業(yè)的液壓油液傳感器。

1.油口　2.LED顯示燈　3.內置繼電器電纜 4.安裝孔　5.通信電纜

1.壓力傳感器　2.溫度傳感器

2.4　過濾器

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

1.過濾器　2.管接頭　3.電氣污染發(fā)訊器

1) 過濾器選型計算

過濾器選型需要考慮成本與過濾效果。考慮到系統(tǒng)壓力、流量與過濾精度，粗選了LF型低壓過濾器。過濾器的規(guī)格計算主要準則是計算油液通過過濾器時的總壓降Δp總≤0.2×Δpa(污染發(fā)訊器的起始壓力)，污染發(fā)訊器的起始設定壓力Δpa=5 bar，也就是過濾器的總壓降Δp總≤1 bar，而過濾器的總壓降是由外殼壓降與濾芯壓降疊加而成。過濾器選型計算的原始數據如表2所示。通過HYDAC過濾器選型專用軟件——Filter-IT軟件計算得到如圖6、圖7所示的圖形。圖6表示通過過濾器的流量與總壓降Δp總的關系曲線，從曲線中，可以看出，當系統(tǒng)流量為160 L/min時，過濾器的總壓降Δp總=0.53 bar<1 bar，滿足過濾器選型要求。圖7表示油液溫度與油液通過過濾器的壓降之間的關系。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)剛開始運行，油液溫度較低的情況下，過濾器容易產生誤報警，但是隨著液壓系統(tǒng)運行，報警會自動消除。

表2　原始數據表

圖6　流量與通過過濾器的壓降曲線

圖7　油液溫度與通過過濾器的壓降曲線

2.5　系統(tǒng)控制策略

對機組中三臺平板硫化機進行編號，按照從左到右的順序，左邊1200P平板硫化機為1號機，中間2600P平板硫化機為2號機，右邊1200P平板硫化機為3號機。

啟動系統(tǒng)，1號機取樣電磁閥電磁鐵Y1通電，系統(tǒng)對機組中1號機硫化機液壓系統(tǒng)污染度進行在線監(jiān)測。油液從1號硫化機的總回油管，通過取樣電磁閥SV4-8-C-F-24D-NS-00，到達取樣傳感器SYSTEM 20，經在線顆粒檢測儀IcountPD進行油液清潔度檢測后，油液流回副油箱，副油箱與3臺平板硫化機的液壓油箱之間相互貫通。監(jiān)測系統(tǒng)在液壓系統(tǒng)回油路上取樣，檢測完成后，油液流回油箱，因此，取樣與監(jiān)測相當于在液壓系統(tǒng)的回油路上并聯一回路進行回油，而且在線監(jiān)測時所需要的流量小，只有6～25 L/min左右、系統(tǒng)背壓低，在3～5 bar左右，監(jiān)測系統(tǒng)沒有額外配置液壓泵。

若油液清潔度指標位于設定值以下，在線顆粒監(jiān)測儀IcountPD的繼電器K1不被觸發(fā)的情況下。系統(tǒng)在對1號機一個監(jiān)測周期5 min之后，自動切換到監(jiān)測2號機。此時1號機取樣電磁閥電磁鐵Y1斷電，2號機取樣電磁閥電磁鐵Y2通電。同樣，若2號機油液清潔度指標位于設定值以下，繼電K1不被觸發(fā)的情況下，在5 min之后，系統(tǒng)自動切換到對3號機的在線檢測。如此按照循環(huán)對機組中3臺設備進行周期性在線監(jiān)測。

若油液清潔度指標達到或超過設定值。例如1號平板硫化機設定值為NAS7級， 當實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)清潔度達到NAS8級時，在線顆粒監(jiān)測儀IcountPD的繼電器K1被觸發(fā)，一旦K1被觸發(fā)，控制電動機的電磁繼電器K2閉合，啟動系統(tǒng)診斷——體外循環(huán)系統(tǒng)，同時，1號機回油電磁閥、2號機與3號機吸油電磁閥同時得電，此時，診斷系統(tǒng)回路為：1號機回油管——1號機吸油電磁閥——副油箱——齒輪泵——低壓過濾器——1號機回油電磁閥——1號機液壓油箱。體外循環(huán)系統(tǒng)運行一段時間，當1號機液壓系統(tǒng)清潔度回到設定值以下，系統(tǒng)自動停止運行，同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)切換到對2號機的監(jiān)測。

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。

壓力開關與安全閥限制體外循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力，防止出現體外循環(huán)系統(tǒng)運行時，3個回油電磁閥均失電的情況下，系統(tǒng)壓力憋，出現爆管的事故。一旦壓力開關K3報警，監(jiān)測工作人員需要檢查回油電磁閥的狀態(tài)。

取樣傳感器SYSTEM 20內置的溫度傳感器實時監(jiān)測液壓系統(tǒng)的溫度，通常情況下，液壓油合適的工作溫度在25～65 ℃之間，當系統(tǒng)油溫低于設定值65 ℃時，電磁水閥ZQDF40關閉，冷卻系統(tǒng)不供冷卻水，當油液溫度超過設定值時，電磁水閥ZQDF40電磁鐵通電，閥打開，冷卻系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)進行循環(huán)冷卻，直到液壓系統(tǒng)油溫下降到設定值以下，電磁水閥ZQDF40重新關閉，切斷冷卻水供應[6]。溫控系統(tǒng)既可以將液壓系統(tǒng)油溫控制在一個合理的范圍內，又可以節(jié)約用水。

其控制狀態(tài)如表3所示。

3　結論

本研究通過對工程機械——平板硫化機組液壓系統(tǒng)進行分析，建立了針對液壓系統(tǒng)污染物顆粒在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，給出了在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的控制策略與控制狀態(tài)表，并對系統(tǒng)元件進行了選型。該系統(tǒng)自動化控制程度高，對于大型工程機械與機組液壓系統(tǒng)油液在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)的應用研究有一定的參考價值。

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