液压系统油液在线监测技术研究

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液压系统广泛应用于各行各业，因其独特的优点而越来越受到重视。但由于其复杂的工作原理和构造特性，对其预防及保养的方法了解较少，致使液压系统在使用过程中易出现故障或出现故障后不易排除，缩短了系统或者元件的使用寿命。实际上，如果液压系统制造质量好，则造成故障的原因大多是维护及保养不当引起的。液压系统70%的故障发生率，与液压油有关，在这70%中约有 90%是由于杂质破坏所致。杂质的清除与控制需要使用过滤器，液压系统尽管装有很好的过滤器，安装位置也很合适，但如果不精心保养和及时维护，过滤器不能起到应有的作用。所以液压系统服役期限的长短撒于液压介质的清洁度以及液压系统运行中的正确监测、维护及保养。

1 液压系统常见故障的监测方法液压系统运行中出现的故障各不相同，引起故障的原因也很多，针对不同故障的监测方法总体可概括为离线监测法与在线监测法。

离线式监测技术用在对油液或设备的使用状况进行诊断与分析，采用-些专业精密仪器进行。如对油液状况分析，主要集中在光谱分析、铁谱分析、颗粒计数、油品理化分析等方面。其主要缺点在于不是实时进行监测，大多是在在出现故障迹象的情况下才进行。

液压系统从出现故障到失效是-个量变到质变的过程，而这个过程发生的时间是未知的，所以必须要实时对油液进行在线监测才不会使得监测充满偶然性■且实验室分析费时较长，需要采集、传送、处理样品和等待分析结果。这段时间液压系统可能由于各种故障原因导致质量迅速变差而损坏，其中由于系统的磨损或油液污染导致的故障最常见。

在线监测法有表象诊断方法、振动诊断法、超声波泄漏监测法、红外线电子测温法、液压测试仪测流量等，这些监测主要针对液压系统出现温升、泄漏、振动等信息进行的。实际上液压系统油液污染是液压系统出现故障的常见诱因，导致泄漏、温升及振动等-系列问题，所以对于液压系统的故障监测，最有效地就是监测液压元件的磨损与油液的品质，并且通过监测油液中的磨粒及污物信息，便可监测到引发故障的原因、具体部位及程度等。因此，为了满足液压系统工作状态诊断与监测的准确性、实时性的要求，提出了采用油液静电传感器在线监测法：将传感器放置于油液循环回路中去，对工作油液进行在线实时监测，达到及时发现故障迹象、排除故障、维护液压系统的目的。

收稿 日期：2013-02-25基金项 目：航空科学基金项 目(2102ZB55003)作者简介 ：李启磷(1973-)，女，甘肃天水人，副教授 ，硕士，主要从事液压技术方面的科研和教学工作。

2013年第8期 液压与气动 1252 液压系统油液在线监测技术研究液压系统工作过程中，杂质的来源途径包括随执行相应的操作过程进入的，元件本身的摩擦磨损引起的。对于操作中进入的污物杂质可通过-些注意事项尽量减少，但对于摩擦磨损引起的杂质，则是随着液压系统的工作阶段产生的。使用中，某些不可知因素造成摩擦副间的的磨损加剧是导致液压泵或系统故障的常见诱因。虽然我们无法通过肉眼准确地判断摩擦磨损程度、部位或类型，但悬浮于系统油液中的磨损微粒却承载着这些重要信息。磨粒是液压元件内部摩擦副磨损的必然产物，能反映元件摩擦磨损的状况，所以，通过对油液磨粒及杂质的分析，可以对液压系统的运行状态进行在线监控与维护。

2.1 液压系统油液在线监测机理液压系统中荷电磨粒的产生机理较复杂，受油液、摩擦副材料的化学、物理l生质及摩擦中摩擦化学的影响，磨粒荷电机理主要包括摩擦荷电、接触荷电和磨粒形成。

摩擦荷电是指在液压元件运行的过程中，由于摩擦副之间的紧密接触会在它们的表面产生接触电势差VCPD，从而导致表面净电荷的产生，摩擦磨损产生的磨粒就会带走这些电荷。

接触荷电指磨粒随油液在循环管道中传输时，磨粒与油液、磨粒与磨粒以及磨粒与管壁之间的接触摩擦产生电荷。磨粒具有分散性和悬浮性，分散性使磨粒很容易通过摩擦、接触或分离带上电荷，而悬浮性使磨粒悬浮在油液中，不管磨粒的材料是金属还是绝缘体，磨粒的悬孚.陛使它与大地总是绝缘的，因此，每-颗磨粒都有可能通过摩擦和接触带电。

根据摩擦荷电原理，不同种金属材料接触受载、相互滑动后分离，发生电子转移，使两金属分别带上等量异号电荷。这些荷电磨粒悬浮在流动的油液中，经过传感器探极产生感应信号。磨粒大孝形态各不相同，因而磨粒所携带的电荷也有差异，因此，在传感器上所产生的信号特征会有明显的差异。静电传感器上的感应信号所有在敏感区域内磨粒经过传感器的时候，所产生的的感应电荷的总量为：Q(t) g (t)q (t- )q (t- i)根据傅里叶变换，可以得到如下公式：Q∽ ∑qz(厂)qz∽协 qz(I厂)伽 m从上式看出，感应探极电荷信号的频率特性可以看作是不同位置上脉冲响应特性在相应的频率.厂处的加权平均。综合考虑静电传感器的空间滤波特性可知，静电传感器对具有不同流动特性的荷电磨粒产生的输出信号频谱结构存在差异，因此，可以借助小波分析、HHT(希尔伯特 ·黄变换)等信号处理工具对静电监测信号的频率特征参数进行提龋2.2 液压 系统油液在 线监测 系统设计液压系统油液在线监测系统原理如图 1所示，系统主要由主油路部分(液压泵、溢流阀、单向阀、主系统)、油液在线监测部分(液压泵、分流器、紊流器、节流阀、微流控芯片)和磨粒静电信号采集与分析部分(静电传感器、电荷放大器、滤波电路、数字信号采集分析系统和计算机)及图像采集处理部分(显微镜、摄像头、图像采集卡、计算机硬件和分析软件)组成。该系统中，液压泵安装于油箱内部，这样既保证泵的自吸能力，又能使浸在油液中的泵由于磨擦磨损等产生的磨粒悬浮于油液中，通过对油液进行在线监测，便可随时了解泵的磨损情况。

图 1 液压系统油液在线监测系统图实验时启动液压系统，由主液压泵为整个主系统提供液压油，主油路正常运转，不受监测部分的影响。

监测油路液压泵为监测部分提供动力，后经分流器把油液分成两路，-路经过节流阀对流量的控制进入紊流器，经毛细管(聚四氟乙烯)从紊流转换器内部进行分流采样并送人实验芯片进行图像采集和分析。另-路则流过静电传感器，经静电传感器监测磨粒信息，并由静电信号采集部分将静电传感器实时监测到的油液磨粒荷电信号传送至信号分析系统进行分析。因为油液磨粒的荷电量比较小，而静电传感器的灵敏度有限，所以为了更好地测量磨粒的电量，图像采集部分则根据静电传感器测得的电压的不同数值范围，对油液磨l26 液压与气动 2013年第8期粒的图像进行采集和分析，为研究传感器测量电压与磨粒浓度之间关系作准备。在油液静电在线监测实验中，静电传感器 1主要监测液压泵的磨损信息，传感器2监测主系统磨损信息，分别由不同的采集分析系统进行信号采集与分析，便可获得系统中液压泵及其他元件的状态信息，同时也对使用的油液进行了实时监测，以预防系统在工作由于油液的污染或者元件的磨损引起的故障，起到维护系统正常运行的作用。

2.3 监测电压与磨粒信息间的关系研究根据磨粒静电机理，磨粒经过传感器的时候所产生感应电荷的总量为 Q，润滑条件下滑动摩擦产生的磨粒，与在静电传感器探极上的感应电荷量 q，具有如下关系： q：QA/x式中：A为传感器探极内表面面积， /r ( ) ，为荷电磨粒沿直线经过全流量在线磨粒静电传感器探极附近的恒定速度，r为探极与电荷运动方向的垂直距离。静电传感器实际输出的感应电压为：r( )：R - 2R aAv2d )式中：R为由绝缘体电阻、信号调理电路输人阻抗确定的电阻值；K：-2RkcrAv 为常数，与传感器探极电阻尺、探极感应面积 4和颗粒经过传感器时速度 的有关，k为探极感应电荷中的常数， 为与颗粒材料和荷电介质等有关的常数，当其他条件-定时，它影响感应电压幅值的斜率-d为颗粒等效直径， 为由实验确定的常数，通常为 1.2～1.6。.厂(t) [r (vt) ] 是以为变量的函数。感应电压公式表明，按这-理论分析可知，所采集的静电感应电压信号不仅与磨粒浓度及尺寸有关，还受颗粒材料、油液介质等多种因素影响。

3 监测实验过程设计与监测结果分析为探索液压系统油液在线监测技术的可行性，实验启动网 1所示的监测部分部分循环路线，调节节流阀可间接调节通过传感器 1的流量。由于实验是为了验证液压系统油液监测、系统监测过程及结果的可行性与有效性，所以液压系统短期的运转并不能立刻产生想要的磨粒数量及形态。所以为了监测与分析液压系统工作过程可能产生的不同磨粒，本实验选用能反映元件磨损时可能产生的几类材料进行故障颗粒注入实验，材料包括：耐磨合金粉末(铬合金粉末)、黄铜。

这些材料的荷电特性将为循环油液条件下液压泵摩损所监测的静电信号特性分析提供依据。通过颗粒注人的实验结果用来揭示摩擦磨损实验中的静电信号所反映的材料类别。实验时将全流量磨粒静电传感器垂直放置，让油液沿轴线方向流过传感器。

实验过程中，先后往吸油油箱注入不同材质、不同浓度及不同直径的磨粒，进行相应的监测实验，通过课题组相应仪器及软件的的分析、处理，得到表 1及表 2所示的检测结果，表 1所示为两种不同材质及其相应磨粒浓度对应的监测电压信息。表2所示为两种不同材质及其相应磨粒直径对应的监测电压信息。

表1 监测电压与磨粒浓度关系表材料 磨粒浓度/100 mL 电压均值/mV682 0.0013合金钢 2680 0.08649557 0.213682 0.0o27黄铜 2680 0.10449557 0.297由表 1可知，静电传感器感应电压与磨粒浓度之间有密切的关系，随着磨粒浓度的增加，感应电压也在增加。不同材质对应的感应电压并不相同，相同尺寸的黄铜感应信号电压大于合金钢感应电压，表明油液静电监测方法对于液压泵具有很好的适应性。它不仅能监测到液压系统油液的污染情况，结合图像分析系统，而且能准确地监测到液压泵具体的的磨损位置。

因为液压系统不同的摩擦副使用的材质不同，所以通过油液静电监测的在线诊断，便可随时了解液压泵的磨擦磨损状况。

表 2 监测电压与磨粒直径关系表材料 磨粒直径/mm 电压均值/ V2.0 0.5l7合金钢 1.5 0.2031.0 0.0852.0 1.135黄铜 1.5 0.6971.0 0.174表2表明油液静电在线磨粒静电传感器不仅能够监测到不同材料荷电颗粒，并且能够反映同种材料磨粒大小与感应电压的关系。由此可监测液压系统工作过程中液压系统的磨损程度，发现隐藏的故障，及时预防与处理，使液压系统能正常运行。

4 结论油液静电在液压元件磨损情况或油液的污染状况2013年第8期 液压与气动 127DOI：10.1 1832/j.issn。1000"4858.2013.08.038关于液控阀液控口的连接使用李凤芹Connection Experience for Hydraulic Control Inlet of Hydraulic ValveLI Feng-qin(焦作市华科液压机械制造有限公司，河南 焦作 454150)摘 要：液控式液压阀液控 口的连接正确与否至关重要，如果连接不当，液压阀的功能将无法正常实现，甚至会影响整个系统的性能。该文通过总结实际工作经验，希望对某些液控阀的使用提供-些启示。

关键词：液控阀；液控口；连接；性能中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)08-0127-02引言机电-体化是机械工业发展的趋势，采用电液控制的设备与13俱增。液压阀作为液压系统及液压功能实现的基本元件，其承载的功能越来越多，结构也越来越复杂。对液压阀结构及工作原理的理解，要做到正确使用，使液压阀正确发挥其功能。

液控阀作为液压系统中最常用的液压阀，其液控口的连接正确与否至关重要。如果连接不当，液压阀应完成的功能将无法正常实现，甚至会影响整个系统的性能。以下通过我们对液控阀的实际使用经验，希望对某些液控阀的使用提供-些启示。

1 液控多路阀的使用我单位生产的液压系统主要用于冶金及-些重机行业，期间与-家用户配套生产了-种行走机构的液压系统，用到 AV-170型换向阀。这是-种工程机械液压系统专用多路液控换向阀，其功能原理如图 1所示，其中两路作为备用。初次使用时，收集到关于这种阀的详细介绍资料比较少。在进行现巢装时，为防止空气中粉尘等污染物的进入，我们将备用的两条支路的液控口均装上了空气滤清器，在最初试车时发现从个别滤清器处有漏油现象，当时没多加考虑，将空气滤清器换成了螺堵，结果再进行试车时，总是出现其他工作支路的压力异常，电机的电流也特别大，并发现在阀中位不工作状态，主油路始终不泄压。此系统还有收稿 日期 ：2013-02-04作者简介：李凤芹(1969-)，女，河南焦作人，工程师，学士，主要从事机 、液方面的设计工作。

的在线监测技术、监测机理、检测方法、传感器感应电压与磨粒浓度及粒径之间的关系进行了研究，并对其进行了实验验证。实验结果表明：油液在线监测技术在液压系统中的应用是可行、有效的。静电传感器 自身的实时性满足了油液在线监测的实时性要求，可以通过传感器的测量电压间接获得液压系统中元件的磨损程度与具体位置，进而实现对系统隐藏故障的早期发现与处理。