基于光纖光柵傳感的液壓缸動密封失效檢測方法

魏子厚　張梓涵　李崢

摘 要：在液壓缸的各類故障中，由動密封導致的介質泄露是最主要的故障形式，也是最難解決的問題，針對此問題，本文提供一種通過光纖光柵傳感，對液壓缸的動密封狀態實時監測，通過液壓缸動密封工作表面的實際應變值與標準值的比較對液壓缸的動密封的失效狀態進行準確判斷，從而可以及時并準確的檢測到液壓缸的動密封失效狀態的檢測方法。

關鍵詞：往復密封；光纖傳感；密封失效檢測

中圖分類號：TH137.51 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0056-01

液壓系統是一種最常用的傳動系統，密封是液壓系統的重要組成部分，是主機裝備能夠實現作業、調速、換向等各項功能的關鍵。液壓缸的密封元件在活塞的往復過程中，動密封和液壓缸缸筒內壁的之間存在的摩擦，以及油液中的污染物顆粒等，容易導致動密封發生失效。

本文提供一種基于光纖光柵傳感的液壓缸動密封狀態監測方法。該方法通過在活塞動密封槽底部和側面，以及在液壓缸活塞桿鋪設光纖光柵傳感器，對液壓缸中動密封的狀態變化進行及時、準確的檢測。從而及時避免因動密封失效引起液體介質泄露等一系列問題。

1 液壓密封失效準則

液壓密封失效準則主要包括最大接觸應力準則和最大剪切力準則，以下以O型密封圈為例進行具體說明，如圖1所示。

（1）最大接觸壓應力準則。最大接觸壓應力大于或等于工作壓力。工作狀態下，密封工作面上會產生接觸壓力，為了避免介質的泄漏，當接觸壓力的最大值都高于介質壓力時才能達到有效密封的目的，反之會出現密封失效，導致介質的泄漏。

（2）最大剪切應力準則。當密封件工作時會受到剪切作用，當密封件受到的剪切作用過大且超過密封件本身所能承受的剪切強度時，會導致密封件內部出現裂紋，發生密封失效。

因此，密封圈的密封性能可以通過其與密封槽接觸面的最大接觸壓應力來加以判定。如果能夠在密封接觸面上布置傳感器監測密封表面最大接觸應力變化情況，將有助于實現對往復密封失效的監測。

2 光纖光柵傳感的檢測原理

傳統的電類應變傳感器由于抗干擾能力差，無法在液體介質中實現安全測量，再加上測量時線路連接繁雜，密封工作空間小，使測量變得復雜。導致其不適用于液壓往復密封的監測。因此考慮選擇光纖光柵傳感作為往復密封失效監測的方法。

檢測的原理是：當光源發出的連續寬帶光Li通過傳輸光纖射入時，在光柵處有選擇的反射回一個窄帶光Lr，其余寬帶光Lt繼續透射過去，當傳感器受到拉伸應力或外界溫度發生變化，造成有效折射率或光柵周期發生變化時，反射回的窄帶光的中心波長會隨之波動。因此可通過波長解調儀將波長信號顯示出來，并對信號進行處理實現對外界參量的測量。

如果將應變或溫度單獨作為其中的一項進行測量時，需要對另一項進行補償才能準確得出單獨一項所帶來的變化。把應變傳感器和溫度傳感器鋪設在一個相同的溫度場中，保證溫度變化對兩個光柵的影響相同，參考光柵用作溫度傳感器，用來測量被測對象的溫度，將它鋪設在一個不受力的部件上，將測量的溫度對中心波長的變化量的影響用來抵消應變傳感器采集到的中心波長變化量中由溫度升高產生的影響。

溫度和應變變化對光纖光柵中心波長的影響被看作是線性、獨立的疊加。光纖光柵應變傳感器中心波長的變化可表示為：

光纖光柵溫度傳感器中心波長的變化表示為：

可導出：

3 信號分析及處理

針對應變信號，其低頻段的能量值非常大。因此論文 首先采用小波包分解，對原始信號去除低頻信號后重構，再應用功率譜分析方法，分析應變信號的變化情況。根據功率譜的計算方法對應變信號進行處理，正常密封件和磨損密封件的功率譜圖對比可以發現，正常密封件和磨損密封件的功率譜圖存在很大差異，因此，采用光纖光柵傳感實時檢測密封件的應變信號，并通過分析功率譜圖來判斷液壓缸密封件是否失效的方法是可行的。

參考文獻

[1]Heinzk， Muller， BernardsNau.流體密封技術原理與應用[M].程傳慶，譯.北京：機械工業出版社，2002.

[2]周傳麗.液壓往復密封失效模式分析及監測方法研究[D].武漢理工大學，2015.