基于流量信号的液压系统故障诊断

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2001.01.045 第23卷第1期 北京科技大学学报 Vol.23 No.1 2001年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2001 基于流量信号的液压系统故障诊断 祝海林1) 高澜庆) 1)江苏石油化工学院机械工程系，常州213016 2)北京科技大学资源工程学院，北京100083 摘要以流量信号作为特征信息进行液压故障诊断，分析了液压系统中出现流量异常时的主 要表现及产生原因，基于流量信号与液压系统工况之间关系的分析及CBG2040型齿轮泵的4 种故障的实验研究，指出：流量信号也是状态信息的丰富载体，利用流量信号来监测液压系统 的状态及进行故障诊断是可行的、有效的. 关键词液压系统；故障诊断；流量；齿轮泵 分类号TH137;TH17;TH3 液压系统故障诊断的任务是确定诊断对象 主要原因 的状态与变化趋势以及故障的部位与原因.液 (4)当液压系统中某些元件的泄漏量过大 压系统工作时的压力、流量、温度、振动信号、油 时，液压油的压力能转化为热能.若散热装置容 样成分等，都是系统状态监测的特征信息.由于 量有限或者散热不良时，则液压油的平衡温度 压力、振动、污染度、温度在信号拾取手段、处理 升高，造成短时间内油温过高，油的粘度下降， 方法等方面较容易，因而近些年来人们在这些 进一步增加了泄漏，导致容积效率及整个系统 方面的研究开展得较多。而以流量信号进行 效率显著降低，并造成橡胶密封件、软管等早期 液压系统故障诊断方面的工作目前开展得很 老化，丧失机能 少.本文基于流量信号与液压系统工况的关系， 指出流量信号也是状态信息的丰富载体，利用 2流量信号异常的可能原因 流量信息可以实现液压系统的状态监测，并用 液压系统中执行机构的运动速度应该满足 实验进行了验证， 规定的速度范围，要求在低速时不出现爬行现 1流量信号异常的主要表现 象，高速时不产生液压冲击；速度切换时平稳， 在变负荷情况下的速度变化要小等等.根据实 液压系统中流量出现异常的主要表现有： 际液压设备现场使用情况的统计，液压系统中 (1)因过滤器堵塞等原因，使液压泵供油不 的执行机构经常出现的故障现象是：没有运动， 足，液压系统缺油，导致工作机构动作缓慢或不 运动不稳定，运动方向不正确，运动速度不符合 动作，造成执行机构运动失灵甚至失控 要求，动作顺序错乱，力输出不稳定，爬行等几 (②)液压泵、液压缸、液压阀或压力管路等处 种形式.这几种故障形式与流量异常密切相关. 的泄漏，不仅白白增大耗油量，而且造成工作压 因而当液压执行机构不能正常工作时，往往可 力上不去，使工作机构输出力不足，泄漏严重时 以由流量这个工作参数查找故障原因并加以排 甚至形成不了压力 除.液压系统出现流量异常指的是无流量进入 (3)流量的频繁波动加剧了系统的振动和噪 执行机构、供给执行机构的流量不足、油泵输出 声，同时使过滤器的过滤性能大幅度降低，结 流量不稳定及进入执行机构的流量过大这4种 果油液的污染度不能控制在预定的水平内，严 情形网 重威胁液压系统的正常运行，当流量脉动较大 时，将引起液压冲击，这是某些液压设备损坏的 3流量与液压系统状态和故障关系 收稿日期：200005-24祝海林男，37岁，副教授，博士 文献[7]从改变通过滤油器流量的波动频率 ◆国家八五科技攻关项目No85-301-01-21) 和振幅入手，对滤油器在波动流量下的过滤精

第 2 3 卷 第 1 期 20 01 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e rs iyt o f S e el n e e a n d eT c h n o lo yg B e ij i n g V匕1 . 2 3 N 0 . 1 F e b . 2 001 基于流量信号 的液压 系统故障诊 断 祝海林 ” 1 )江苏石油化工学院机械工程系 , 常州 21 301 6 高澜 庆 2 ’ 2 )北京科技大学资源工程学 院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 以 流量 信号作为特征信息进行 液压故障诊断 ,分析 了液压 系统 中出现 流量 异常 时 的主 要 表现及产生 原 因 , 基 于流 量信号 与液压 系统工 况之间关系 的分析及 C B G 2 0 40 型齿 轮 泵 的 4 种故 障的实验研究 , 指 出 : 流量 信号也是状 态信息 的丰 富载 体 , 利 用流 量信号来 监测液 压系统 的状态及进 行故 障诊断是 可行的 、 有 效的 . 关键词 液 压系统 ; 故障诊断 ; 流 量 ; 齿轮泵 分类 号 T H 1 3 7 ; T H 1 7 ; T H 3 液压系统故 障诊 断的任务是确定诊 断对象 的状态 与变化趋势 以 及故 障的部位 与原 因 . 液 压系统 工作 时的压力 、 流量 、 温度 、 振动信号 、 油 样成分等 , 都是 系统状 态监测 的特征信息 . 由于 压力 、 振 动 、 污染度 、 温度在信号拾取手段 、 处理 方法等方 面较容 易 , 因而近些年来 人们在 这些 方面 的研 究开展得 较多 〔团 . 而 以 流量信号 进行 液压 系统 故 障诊 断 方 面 的工 作 目前 开展 得 很 少 . 本文基 于流量信 号与液压系统工况 的关 系 , 指 出流量 信号也是 状态信息 的丰 富载体 , 利用 流量信息 可 以实现 液压 系统 的状态监 测 , 并用 实验进行 了 验证 . 主要原 因.ls (4 ) 当液压 系统 中某些 元件 的泄漏量 过大 时 , 液 压油 的压力能转化为热能 . 若散热装置容 量有 限或者散 热不 良时 , 则 液压油 的平 衡温度 升高 , 造 成短 时间 内油 温过高 , 油 的粘 度下降 , 进 一步增 加 了 泄漏 , 导致容 积效率及整 个系统 效 率显著 降低 ,并造成 橡胶密封 件 、 软管等早期 老化 , 丧失 机能 . 1 流t 信 号异常的主要表现 液压 系统 中流量 出现异 常的主要表 现有 : ( l) 因过 滤器堵 塞等原 因 , 使 液压泵供 油不 足 , 液压 系统缺 油 , 导致工作机 构动作缓慢或不 动作 , 造成执 行机构 运动失灵 甚至失控 . (2 )液压泵 、 液压缸 、 液压阀或压力管路等处 的泄漏 , 不仅 白白增 大耗 油量 , 而且造成工作压 力上不去 , 使 工作 机构输 出力不足 , 泄漏严重时 甚至形成 不 了压力 . (3 )流量的频 繁波动加剧 了 系统 的振动和噪 声 , 同时使 过滤器 的过滤性 能大 幅度 降低 【71 , 结 果 油液 的污染度不 能控制在 预定 的水 平 内 , 严 重威胁液 压系统 的正常运行 . 当流量脉动 较大 时 , 将引起液压 冲击 , 这是某些 液压设 备损坏的 收稿 日期 : 2 0 0刁5一4 祝海 林 男 , 37 岁 , 副教授 , 博士 * 国家八五 科技 攻关项 目《N O .8 5 · 3 01 一 01 一 21 ) 2 流量信号异常 的可能原 因 液压 系统 中执行机构 的运动速度应该满足 规定 的速度范 围 , 要 求在低 速时不 出现爬行现 象 , 高速时 不产生液 压 冲击 ; 速度切 换时平稳 , 在变负荷 情况 下 的速度 变化要 小等等 . 根据实 际液压设 备现 场使用情 况 的统计 , 液 压系统 中 的执行机构经常 出现 的故 障现象是 : 没有运动 , 运动不稳定 , 运动方 向不正确 , 运动速度不符合 要 求 , 动作顺序 错乱 , 力输 出不稳定 , 爬 行等几 种形 式 . 这几种故障形式与流量异 常密切相关 . 因 而 当液 压执行 机构不 能正常工 作时 , 往往可 以 由流量这个工作参数查 找故障原 因并加 以排 除 . 液 压系统 出现流 量异常 指的是无 流量进人 执行 机构 、 供给执行机构 的流量不足 、 油泵输 出 流量不稳定及 进人执行机 构的 流量过 大这 4 种 情 形.0[] 3 流量与液压系统状态和故障关 系 文献 7[] 从 改变通过滤 油器流量的 波动频率 和 振 幅人 手 , 对 滤油器在 波动流量 下的过滤精 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 01. 045

Vol,23 No.1 祝海林等：基于流量信号的液压系统故障诊断 67g 度、压差特性、下游油污染度进行了试验，结果 mLr,额定压力16MPa,额定转速2000r/mm.测 发现：①流量波动对滤油器的过滤性能有很大 试仪器有LZ-204型函数记录仪.试验装置如 影响，随着流量波动的加剧，滤油器的过滤性能 图1所示.系统加载元件为溢流阀，油泵输出的 大幅度降低.②流量波动频率和振幅的改变对 流量信号由CHY12D传感器拾取后，一路输给 滤油器的过滤精度有很大影响，其中振幅的影 YQY12D测试仪进行数字显示（还可显示出口 响更为显著， 压力与油温)；另一路输给LZ,-204型函数记录 液压系统工作过程中经常发生的故障有： 仪，绘出流量的变化曲线. 振动和噪声、气穴与气蚀、爬行现象、污染、泄漏 YQY12D LZ-204 及液压卡紧等几种 振动和噪声主要由泵、阀等液压元件的流 CHY12D 量脉动、压力冲击所致，其表现形式为流量和压 力的变化，所以通过流量及压力信号的变化可 以诊断振动和噪声故障.气穴与气蚀起因于流 CBG2040/ 速过高、压力过低而使溶于油液中的空气大量 分离或迅速汽化. 气穴与气蚀现象使系统的容积效率降低、 图1齿轮泵故障试验装置 损坏液压元件，影响系统的流量和压力.例如， Fig.1 Schematic diagram of fault test for gear pump 当液压泵吸油不足或输出流量减小，液压泵或 液压马达动作减慢，系统运行变得迟钝等现象 4.1齿轮泵气穴特性试验 出现时，便可判断系统油液中混有空气，已经发 通过调节齿轮泵吸油管路上的节流阀，人 生了气穴现象.因而根据检测到的流量波动 为地使泵产生气穴，即让泵工作时的人口真空 及泵出口处的低频压力脉动，可以判断油泵是 度增加到0.06MPa,使泵经历从无气穴到严重 否发生了气穴. 气穴的过程.试验时保持泵的转速固定，出口压 爬行现象是液压传动中的一种不正常运动 力分别为0.5,3.5,7.9,12.5MPa,重点测量气穴前 状态，轻微的爬行使运动件产生目光不易觉察 后，齿轮泵排油口的流量脉动信号，并同时观察 的振动，显著的爬行使运动件出现大距离的跳 泵出口压力的变化情况.图2是被试齿轮泵在 动.产生爬行的原因主要是液压缸密封件损 不同的加载压力下，泵的输出流量随时间变化 坏而导致空气进人、元件配合不良或磨损等，供 的波形图.从图中可以看出： 油量不稳定也会引起爬行现象，所以根据流量 (1)齿轮泵不发生气穴时，如图2(a)和(d)所 信号可以反映这一故障现象， 示，油泵的输出流量基本恒定，出口压力也基本 在液压系统中，由污染引起的故障占首位. 不变 据统计，实际液压系统中有70%~80%的故障是 (2)当齿轮泵发生气穴、气蚀时，泵的输出流 因为油液污染造成液压油中的污染物不仅 量明显下降，而泵的出口压力并未明显降低，有 会导致运动副的卡紧、节流孔和阻尼孔的堵塞； 时，压力基本保持恒定. 还会腐蚀、磨损泵的运动零件和阀的滑动零件， (3)随着齿轮泵入口真空度的加大，泵的输 损坏油缸的密封件，拉伤活塞杆与缸筒的表面， 出流量下降，流量脉动加剧，如图2(c)中前10s 使液压装置的内、外泄漏增加、容积效率降低. 内的流量下降曲线，而输出压力基本不变；反 因而可以通过流量的通断情况、泄漏流量的多 之，当入口真空度减小时，泵的输出流量上升， 少来分析、判断油液的污染情况. 流量脉动减弱，如图2(c)中70s以后的流量上升 曲线所示. 4 齿轮泵故障的诊断 (4)在相同的入口真空度条件下，加载溢流 阀的调定压力不同时，齿轮泵输出流量的脉动 在实验室中对齿轮泵的4种故障：气穴、齿 特性也不同，而出口压力信号则无明显的波动. 面磨损、侧板磨损和吸油管路进气，进行了 当外载压力较低时，齿轮泵发生气穴、气蚀时的 研究.齿轮泵为CBG2040型，理论排量40.60 出口流量的高频脉动部分的振幅较小，低频脉

从 , 1.2 3 N 0 . 1 祝海 林等 : 基 于流 量信 号 的液 压系统故 障 诊断 . 6 , . 度 、 压差特 性 、 下游 油污 染度进行 了试验 , 结果 发 现 : ① 流量 波动 对滤 油器 的过滤性 能有 很大 影 响 , 随着 流量波 动的加剧 , 滤 油器 的过滤性能 大 幅度 降低 . ②流 量波动 频率 和振 幅 的改 变对 滤油 器 的过滤 精度 有很大影 响 , 其 中振 幅 的影 响更 为显 著 . 液压 系统工 作过 程 中经常 发生 的故 障有 : 振动 和噪声 、 气穴与气蚀 、 爬行现象 、 污染 、 泄漏 及液 压卡 紧等 几种 . 振动和 噪声 主要 由泵 、 阀等液 压元件 的流 量脉动 、 压力 冲击所致 , 其表现形式 为流量和压 力 的 变化 , 所 以通过 流量及 压力信 号 的变 化可 以诊 断振动和 噪声故 障 . 气 穴与气蚀 起 因于流 速过 高 、 压力 过低而 使溶 于油液 中的空 气 大量 分离 或迅速汽 化 . 气 穴与气 蚀 现象使 系统 的容 积效 率 降低 、 损坏 液压 元件 , 影 响系统 的流量和压 力 . 例 如 , 当液 压泵 吸油 不足或输 出流量 减小 , 液压泵 或 液压 马 达动作减 慢 , 系统运 行变得迟 钝等 现象 出现时 , 便可判断系统油液 中混 有空 气 , 已经发 生 了气穴 现象 「明 . 因而根据检 测到 的流量波 动 及泵 出 口 处的低 频压力 脉动 , 可 以判 断油泵是 否发生 了 气穴 . 爬行现象是液 压传动 中的一种不正 常运 动 状态 , 轻微 的爬 行使运 动件产 生 目光 不易觉察 的振动 , 显著 的爬行使 运动件 出现大距 离 的跳 动 〔10] . 产 生爬行 的原 因 主要是 液压缸密 封件损 坏而导致空气进人 、 元件配合不 良或磨损等 , 供 油量不稳定 也会 引起爬行 现象 , 所 以根 据流量 信号可 以 反映这一 故障现象 . 在液压系统 中 , 由污染 引起 的故障 占首位 . 据统计 , 实际液压系统 中有 70 % 一 80 % 的故障是 因 为油液污染 造成 〔10] . 液 压油 中的污染物 不仅 会导致运动 副的卡紧 、 节 流孔和阻尼孔 的堵塞 ; 还会腐蚀 、 磨损泵 的运动零 件和阀的滑动零件 , 损坏油缸 的密封件 , 拉伤活塞杆 与缸 筒的表面 , 使液 压装置 的 内 、 外 泄漏增加 、 容 积效率 降低 . 因而 可以 通过 流量 的通 断情况 、 泄漏 流量 的多 少来分 析 、 判断油 液 的污染 情况 . m L r/ , 额定压力 16 M P a , 额定转速 2 0 0 r / n u n . 测 试仪器 有 L Z 3 一 2 04 型 函 数记 录仪 . 试 验装置如 图 1所 示 . 系统加载元件 为溢流 阀 , 油泵输 出的 流量信号 由 C H Y 12D 传感器 拾取后 , 一路输给 Y Q Y 12 D 测试仪进行数 字显示 ( 还可 显示 出 口 压力 与油温 ) ; 另 一路输 给 L Z 3一 2 04 型 函 数记录 仪 , 绘 出流量 的变化 曲线 . Y Q Y 1 2D ! } L Z 3一 2 0 4 C H Y 12 D C B G 2 0 4 0产、 内 P 图 1 齿 轮泵故障试验装t F ig . 1 S e h e m a it e d i a g ar m o f fa u l t et s t fo r g e a r P u m P 4 齿轮泵故障的诊断 在实验室 中对 齿轮泵 的 4 种 故障 : 气穴 、 齿 面磨 损 、 侧 板磨 损 和 吸油 管 路进气 , 进行 了 研 究 . 齿轮泵 为 C B G 2 0 40 型 , 理论排 量 40 . 60 4 . 1 齿轮泵气穴特性试验 通过调 节齿轮 泵吸油 管路上 的节 流阀 , 人 为地 使泵产 生气 穴 , 即 让泵工作 时的人 口真空 度增 加 到 .0 06 M aP , 使 泵经历从无 气穴到严重 气穴 的过程 . 试 验时保持泵的转速 固定 , 出 口压 力分别 为 0 . 5 , 3 . 5 , .7 9 , 1 2 . 5 M P a , 重 点测量气穴前 后 , 齿轮 泵排油 口 的流量脉 动信 号 , 并 同时观察 泵 出 口 压力 的 变化情 况 . 图 2 是被试 齿轮泵在 不 同的加载 压力下 , 泵 的输 出流量 随时 间变化 的波形 图 . 从 图 中可 以 看 出 : ( l) 齿轮泵 不发生 气穴 时 , 如 图 2( a) 和 (d) 所 示 , 油泵的输 出流量基本恒定 , 出 口 压力也基本 不变 . (2 )当齿轮泵发生气穴 、 气蚀时 , 泵 的输 出流 量 明显下 降 , 而泵 的出 口压力 并未 明显 降低 , 有 时 , 压力基 本保 持恒定 . (3 ) 随着齿轮 泵人 口 真空 度 的加大 , 泵 的输 出流量下 降 , 流量脉 动加剧 , 如图 2( c) 中前 10 5 内的流量 下降 曲线 , 而输 出压力 基本不变 ; 反 之 , 当人 口 真 空度减小 时 , 泵 的 输 出流量 上升 , 流量 脉动减弱 , 如 图 2( c) 中 70 5 以 后的流量上升 曲线 所示 . (4 )在相 同的人 口 真空 度 条件下 , 加载溢流 阀的调定压 力不 同时 , 齿 轮泵输 出流量 的脉动 特性也不 同 , 而 出 口 压力信号 则无 明显 的 波动 . 当外载压力较低 时 , 齿轮泵发生气穴 、 气蚀时的 出 口 流 量 的高频 脉动部分 的振 幅较小 , 低频脉

68 北京科技大学学报 2001年第1期 动部分的振幅较大，如图2(b)所示；当外载压力 诊断时，关心的是波形图在气穴前、后的变化， 较高时，齿轮泵发生气穴时的流量脉动明显加 这只要求较高的相对精度，而相对精度较易保 剧，如图2（©）所示，且高频脉动部分的振幅变大， 证，因此用流量波形分析法对油泵气穴发生与 由于出口压力较高，漏回吸油腔的高压油增多， 否进行诊断是有效和可靠的 因而流量波形图中出现大量“回流”现象 42齿轮泵齿面磨损试验 (⑤)文献[11]认为，出口压力较高时，泵发生 在齿轮泵的被动齿轮的齿面上，人为造成 气穴、气蚀情况下的出口流量脉动主要表现为 刮伤、拉痕，以研究齿面磨损情况下，齿轮泵的 低频脉动.通过实测发现，泵发生气穴时的流量 输出流量、输出压力的变化，试验过程中调整加 脉动，在压力较低时以低频脉动为主，在压力较 载溢流阀，使出口压力分别为0.4,3.1,6.0,8.4， 高时则以高频脉动为主，这从图2(b,c)的对照中 10.4,12.0及13.0MPa,同时由函数记录仪记录 显而易见 流量曲线.图3是齿轮泵发生齿面磨损后，在不 气穴与气蚀一直是液压元件中经常发生的 同压力时的输出流量变化波形.试验发现： 一个严重问题，特别是随着液压系统向高压、高 (1)齿轮泵发生齿面磨损后，泵的输出流量 速、微型化方向发展以及随着高水基介质、水一 与输出压力都变得不稳定. 乙二醇、油包水等水基介质的运用，气蚀问题更 (2)当加载溢流阀调定压力低于3.1MPa时， 为突出，而油泵的人口处是最易发生气穴的地 输出流量及输出压力的脉动较弱，且以低频脉 方，气蚀对油泵的危害极大，它不仅使泵的振动 动为主，脉动的振幅也较小，见图3(a,b) 和噪声增加，系统刚性下降，油泵的容积效率降 (3)当加载溢流阀的调定压力高于12MPa 低，而且使液压元件材料受到侵蚀，是导致油泵 时，输出流量的脉动振幅变小，但主要表现为高 失效的重要原因之一， 频脉动，如图3(f)和(g)所示，而输出压力的波动 根据齿轮泵气穴特性试验，笔者认为，由于 较小. 液压泵发生气穴与气蚀时，其输出流量信号必 (4)当外载压力在3.1~12MPa之间时，随着 然发生变化（如流量下降、波动加剧），因此，利 溢流阀调定压力的升高，输出流量及压力的脉 用流量信号来诊断气穴是恰当的、可行的.虽然 动变强烈，而且以高频脉动为主，脉动的振幅也 获得流量的真实波形图非常困难（取决于信号 较大，如图3(c)(e)所示. 测试记录仪的精度与可靠性)，但进行泵的气穴 齿轮泵在运行过程中，特别在其工作寿命 的中、后期，由于液压油中的尘埃、铁屑或机械 51.2(a p=0.5 MPa 杂质等进入泵内，就会引起齿面等的磨损，它不 仅使齿轮泵的内泄漏增加，导致输出流量减小 而且不稳定，压力也升不高，同时使齿轮泵的噪 05 10 15 20 25 声与振动增大，影响其寿命.因此，及时识别齿 (b) p=3.5MPa 轮泵的齿面磨损是提高其性能的关键之一， 50.2 mmryommnmr 4.3齿轮泵内侧板磨损试验 在齿轮泵的内侧板上，尤其在与吸、排油腔 01020304050 60 (c) 相对应的部位，人为进行刮伤、点坑、拉毛处理， 43.0 P=7.9MPa 以研究侧板磨损后，齿轮泵输出流量、压力的变 rTr竹wyhTiumin 化情况.试验时泵的出口压力由溢流阀分别调 定为2.1,4.3,6.5,8.5,11.2及13.3MPa,由函数记录 010203040 50 6070 (d) 仪绘出的流量变化曲线如图4所示.试验发现： p=12.5 MPa 45.2 (1)侧板磨损后，齿轮泵的输出流量及输出 压力都出现了波动，这主要是内泄漏引起的，过 0 10 1520 25 多的油流回吸油腔，必然使流量、压力降低 t/s (2)随着溢流阀加载压力的提高，输出流量 图2气穴时的流量变化曲线 的脉动加剧，脉动振幅增大 Fig.2 Diagnosis of cavitation via flow signal (3)压力较低时，如图4(a,b)示，流量脉动

. 68 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 1 年 第 1 期 动部分 的振 幅较大 , 如 图 2伪)所示 ; 当外 载压力 较 高时 , 齿 轮泵发 生气穴 时 的流量脉动 明显加 剧 , 如图 2 c( )所示 , 且高频脉动部分的振幅变大 , 由于 出 口压力较 高 , 漏 回 吸油腔的高压油增多 , 因 而流量波 形 图 中出现大量 “ 回流 ” 现象 , ( 5 )文献 【川认为 , 出 口 压力 较高时 , 泵 发生 气 穴 、 气蚀 情况下 的 出 口 流量脉 动主要表 现为 低频脉 动 . 通过实测发现 , 泵发生气穴 时的流量 脉动 , 在压力较低 时以 低频脉动为 主 , 在 压力较 高 时则 以 高频 脉动为 主 , 这从 图 2 b(, c) 的对 照 中 显 而易见 . 气穴 与气蚀 一直是液压元 件 中经常发生 的 一个严重 问题 , 特别是 随着液 压系统 向高压 、 高 速 、 微型 化方 向发展 以及 随着 高水基介 质 、 水一 乙 二醇 、 油包水等水基介质 的运用 , 气蚀 问题更 为突 出 , 而油 泵 的人 口 处是最 易发生气 穴 的地 方 , 气蚀 对油泵 的危害极大 , 它不仅使泵 的振动 和 噪声增加 , 系统刚性下降 , 油泵的容积效率 降 低 , 而且 使液压元件材料受到侵蚀 , 是导致油泵 失效 的重要原 因之一 根据齿轮泵气穴 特性试验 , 笔者认为 , 由于 液压泵发 生气穴 与气蚀 时 , 其输 出 流量信 号必 然发生变 化 ( 如流 量下 降 、 波动加剧 ) , 因 此 , 利 用流量 信号来诊断气穴是恰 当的 、 可行 的 . 虽然 获得流量 的 真实波 形 图非 常 困难 ( 取决 于信号 测试记 录仪 的精 度与可靠性 ) , 但进 行泵的气穴 5 , . 2理 P = 0 . 5 M P a 0 5 10 1 5 2 0 2 5 t/ S 图 2 气穴时 的流 l 变化 曲线 F ig · 2 D i a g n o s i s o f e a v i t a t i o n v i a if ow s i g n a l 诊断 时 , 关心 的是波 形 图在气 穴前 、 后 的变化 , 这只要求 较高 的相对 精度 , 而相对精 度较易保 证 , 因此用 流量波形 分析法 对油泵气 穴发生与 否进行诊 断是有 效和 可靠 的 . .4 2 齿轮泵齿面磨损试验 在齿 轮泵 的被动齿轮 的齿面上 , 人 为造成 刮伤 、 拉 痕 , 以 研究齿 面磨损情 况下 , 齿 轮泵 的 输 出流量 、 输出压力的变化 , 试验过程 中调整加 载 溢流 阀 , 使 出 口 压力 分别 为 0 .4 , 3 . 1 , 6 .0 , 8 .4, 10 . 4 , .12 0 及 13 . o M p a , 同时 由函 数记 录仪记 录 流量 曲线 . 图 3 是齿轮泵发生齿 面磨损后 , 在不 同压 力时 的输 出流量变化 波形 . 试验发 现 : ( l) 齿 轮泵发 生齿 面磨 损后 , 泵的输 出流量 与输 出压力 都变得 不稳定 . (2 )当加 载溢流 阀调定压力低于 3 . 1 M P a 时 , 输 出流量及 输 出压 力 的脉 动较弱 , 且 以低频 脉 动 为主 , 脉 动的振 幅也较小 , 见 图 3 a( , b) . (3 ) 当加载 溢流 阀的调定 压力高 于 12 M P a 时 , 输 出流量 的脉动振 幅变小 , 但 主要表现 为高 频脉动 , 如 图 3( f) 和 ( g) 所示 , 而输 出压力 的波动 较小 . (4 ) 当外 载压力在 3 . 1一 12 M P a 之 间时 , 随着 溢流 阀调定 压力 的升高 , 输 出流量及 压力 的脉 动变强烈 , 而且 以高频脉动 为主 , 脉动 的振 幅也 较大 , 如图 3 ( e 卜( e )所 示 . 齿轮 泵在运行 过程 中 , 特别在其工 作寿命 的 中 、 后期 , 由于液压 油 中的尘埃 、 铁 屑或机械 杂质等进入泵 内 , 就会引起齿面 等的磨损 , 它不 仅 使齿 轮泵 的 内泄漏增 加 , 导致输 出流量减小 而且 不稳定 , 压力也升不高 , 同时使齿轮泵的噪 声 与振动 增大 , 影响其 寿命 . 因 此 , 及 时识别齿 轮泵 的齿 面磨损 是提高其性 能 的关键 之一 .4 3 齿轮泵 内侧板磨损试验 在齿轮泵 的内侧板 上 , 尤其 在与吸 、 排油腔 相对应 的部位 , 人 为进行 刮伤 、 点坑 、 拉毛 处理 , 以研究侧板磨 损后 , 齿 轮泵 输出流量 、 压力 的变 化情 况 . 试 验 时泵的 出 口 压力 由溢 流 阀分别调 定为 2 . 1 , 4 . 3 , 6 . 5 , 8 . 5 , 1 1 . 2 及 13 . 3 M P a , 由函数记 录 仪绘 出的流量变化 曲线 如图 4 所示 . 试验发现 : ( 1)狈四板磨 损后 , 齿轮泵 的输 出流量及输 出 压力 都 出现 了波动 , 这主要是 内泄漏 引起 的 , 过 多的油 流 回 吸油腔 , 必然使 流量 、 压力 降低 . (2 ) 随着溢 流阀加载压 力 的提 高 , 输 出流量 的脉 动加剧 , 脉动振 幅增大 . (3 )压力 较低时 , 如 图 4( a , b) 所示 , 流量脉动 . 1旧闷、卿乒

Vol,23 No.1 祝海林等：基于流量信号的液压系统故障诊断 ·69· O p=0.4MPa (a) p=2.1 MPa 51.8- 05101520 2530 0102030405060 1b) (b) 54.4 p=3.1MPa p=4.3 MPa 47.1- 051015202530354050 0102030 40 (c) p=6MPa (c) 51.3htyumtyrhmihw 43.2 p=6.5 MPa 0510152025304050 0102030405060 (d) p=8.4MPa (d) .5iwmi p=8.5 MPa 1 051015202530 0102030 40 50 45.s银soe4小utwo4R0dnw (e) p=11.2 MPa 3J.4xirmwwwh-impmwid 0510152025303540 010 20304050 ( p=12.0MPa 42.4-briwiummuuhmtmwhh (① 23.4 iwwwwwiwybhliw-ulwm p=13.3 MPa 01020304050 010 20304050 t/s (g) P=13.0MPa 37.5* 图4侧板廉损时的流量变化曲线 Fig.4 Diagnosis of wearing in the side plate via flow signal 0102030405060 t/s (a) p=0.5 MPa 图3齿面磨损时的流量变化曲线 55.5 Fig.3 Diagnosis of wearing in gear-face via flow signal 0 10 2030 40 不明显，脉动幅度较小，且主要表现为低频脉 动；压力较高时，如图4（©(）所示，流量脉动随 54.4B30MPa p=2.0MPa p=3.0MPa 压力升高变得越来越剧烈，可以看出，脉动幅度 (b) 加大，且主要表现为高频脉动.侧板磨损造成轴 010203040506070 向间隙增大，内泄漏增加，导致输出流量不稳定 地降低，特别在压力较高时，如图4()所示 言9.9 p=4.0MPa p=8.2 MPa 4.4齿轮泵吸气故障试验 通过放松吸油管接头处螺帽（靠近齿轮泵 的吸油口处)，使齿轮泵产生进气故障，图5为 010203040506070 (d) 侧板已磨损的齿轮泵在不同压力下出现进气故 35.1元 P=13.0MPa 障时的输出流量变化波形.试验发现： ()与单纯是侧板磨损时相比，当同时存在 0 10 20 30 着进气与侧板磨损这两种故障时，齿轮泵发出 t/s 的噪声和振动明显增大.(2)溢流阀调定压力较 图5进气故障时的流量变化曲线 低时，进气口不漏油，而进气使空气以气泡形式 Fig.5 Diagnosis of air into inlet of the pump via flow signal

、乞L 2 3 N 0 . 1 祝海林 等 : 基 于流 量信 号 的液 压系统 故 障诊 断 P = 0 . 4 MP a 5 1 . 8 P = 2 . 1 MP a 0 5 }伪) 5 4 . 4 10 1 5 20 2 5 30 P = 3 . 1 M P a 一上一一一一一 一一一一 1 _ _ _ 胜 1 1 0 10 20 3 0 4 0 50 60 P = 4 . 3 M P a 0 5 5 1 . 3 10 1 5 2 0 2 5 30 3 5 4 0 5 0 P = 6 M P a 一 」一一一一一一一一」一一 _ _ { 1 1 0 10 2 0 30 4 0 50 60 一! 月日 · 曰、臼 0 5 10 15 20 2 5 3 0 4 0 50 日 甲 4 5 . 5 闷 乙 P = 8 . 4 MP a 确钟心小洲卜如雌 ( d ) 3 7 . 8 , , ~ 与 P 二 8 . 5 M P a 、 个。 广 护八 二 、 、 卜 ` 一 * ~ 公、 、 、 、 冲认 . ~ 司沪~ , ” 一 · 、 礴 一~ 一 0 5 1 0 1 5 20 2 5 3 0 4 5 . 5娜漪袖柳枷喇赢儡冷州 一一一一一 」一一一 一一一一一一」 _ 1 1 0 1 0 2 0 30 4 0 5 0 ( e ) P = 1 l . Z M P a 3 1 . 4 习峭, 气J卜曰陈脚护~ 份M、 山林` 咧沁试尸 0 5 10 1 5 2 0 2 5 30 3 5 4 0 (0 夕 = 12 . O M P a 4 碑油孟 - - - - - -司 - - - - -一 - - ~ ` 一 一- 一一 -一 -七 - - - - - - - - -二 - - - - -一一一 一 0 10 2 0 30 4 0 5 0 - i (乃 2 3 . 4 P = 13 3 M P a 一一一一一一一一一一上一一一一一 _ _上 胜 吐 吐 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 尸 = 1 3 . O M P a 3 7 . 5 叫 一J . , 成 一 ` 从 , 硒片帕曰 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 t / s 图 4 侧板磨损时的流 t 变化 曲线 Fi g · 4 D i a g n o s is o f w e a r i n g i n t h e s i d e Pl a t e v i a if ow s ig n a l - - - - L se se se se se se se se se上 - ~ - 」 _ _ 1 0 1 0 2 0 30 4 0 5 0 6 0 t / S P = 0 . 5 M Pa ` 图 3 齿面磨损 时的流 t 变化 曲线 F褚 · 3 D i a gn os is o f we a r i n g i n g e a -r af e e v认 if ow s电n a l 不 明显 , 脉动幅度较 小 , 且主要表 现为低频 脉 动 ; 压力 较高时 , 如 图 4( c) 一( 0 所示 , 流量脉 动随 压力升高变得越来越 剧烈 , 可以 看出 , 脉动幅度 加大 , 且 主要表现为高频脉动 . 侧板磨损造 成轴 向间隙增大 , 内泄漏增加 , 导致输 出流量不稳定 地降低 , 特 别在压 力较高 时 , 如 图 4( O所示 . .4 4 齿轮泵吸气故障试验 通过放松 吸油管 接头处螺 帽 ( 靠 近齿 轮泵 的吸油 口 处 ) , 使齿轮 泵产生进 气故 障 , 图 5 为 侧板 已磨损 的齿 轮泵在不 同压力下 出现进气故 障时的输 出流量变化 波形 . 试验 发现 : ( l) 与单纯是 侧板磨 损时相 比 , 当 同时存 在 着进气 与侧板磨损 这两种 故障 时 , 齿 轮泵发 出 的噪声 和 振动 明显 增大 . (2) 溢 流阀调定 压力较 低时 , 进气 口 不漏 油 , 而进气 使空气 以气泡形式 5 5 . 5 卜~ 尸洲一一 一一 一一一」 一一一一一 一一一一一一 一 _ 1 1 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 3 5 . 1 1漂一 , ~ 卜从入 P = 1 3 . O M P a 竹一的、 ~ 认叫 0 10 2 0 3 0 一 t / S 图 5 进气故障时的流 t 变化 曲线 Fig . 5 Di a g n o s is o f a i r i n t o i n l e t o f th e P u m P v i a if ow s i g n a l

·70 北京科技大学学报 2001年第1期 存在于低压区油液中，占据一定的空间，油液变 5结束语 得不连续，因而输出流量及压力波动较剧烈，如 图5(a,b)所示，振幅较大，而流量的平均值却变 流量信号也是液压系统状态信息的丰富载 化不大.(3)溢流阀调定压力较高时，进气口存在 体，液压元件或液压系统发生故障前后，其输出 漏油现象.原因是压力较高时，部分高压油通过 流量信号必然发生变化，所以利用流量信号作 磨损了的侧板内漏到低压区，提高了吸油腔的 为状态特征参数是能够实现液压系统的状态监 压力，因而使部分油液经由放松了的管接头漏 测与故障诊断的.当然，由于液压系统中任一故 出.此时进气量相对于低压时少，所以流量脉动 障征兆的产生，往往并非单一因素造成的，所以 比低压时要弱，脉动幅度也较小，如图5（©）.(4) 为了快速、有效、准确地进行液压系统的故障诊 当溢流阀调定压力很高时，由于经磨损了的侧 断，除了流量信号外，可以辅其他状态特征信 板漏到低压腔的油液增加，使输出油量减小，并 息，如振动信号、压力信号等等 出现振幅较大的高频流量脉动，如图5(d). 参考文献 液压泵在运行时，由于其吸油侧及吸油管 1祝海林，邹旻，高澜庆，等.The Characteristics and The- 段内部压力较低（局部真空），而外部是大气压 ir Correct Selection in the Faults Diagnosis of Hydraulic 力，因而空气很容易从吸油区段上任何密封不 Equipment.J Univ Sci Tech Beijing,1996,3(1):45 良的缝隙进入油泵的吸油腔，从而导致油泵产 2祁仁俊等.液压系统状态监测与故障诊断.工程机 生进气故障.泵吸入带有空气泡的油液后，在低 械，1993(8)：29 压处空气泡就膨胀；当油液进入压力区后，混人 3钱祥生，龚赤兵.液压系统的状态监测.工程机械， 1989(6):32 其中的空气泡受到剧烈压缩、破裂，并在压力油 4张文明，高澜庆，马飞，等.液压系统的故障与油液 中溶解，产生气穴，使噪声增大.油泵吸进的油 污染度监视.冶金设备，1993(4)：44 中混有空气，不仅易引起气蚀，而且还影响泵的 5赵永凯.轴向柱塞泵故障的振动诊断研究.机床与液 容积效率，使液压系统的压力升不高，执行机构 压，1992(2)：87 工作不稳定甚至产生爬行和冲击，并使工作油 6李芳民.液压系统故障诊断中的油样分析法.液压 液易变质，这是液压系统中不允许出现的故障. 气动与密封，1995(1)：19 7李大华，夏志新.流量波动对滤油器过滤性能的影 为防止油泵产生进气故障，除了对吸油管接头 响.液压与气动，1988(2)，48 处严加密封，防止油箱中的油面太低外，尤其重 8田振华，等，差压式流量计的结构设计及瞬态流量测 要的是发生进气故障时能及时判断出来， 试方法的探讨.吉林工学院学报，1987(2)：43 由于进气故障多发生于外载压力较低时， 9祝海林.管道流量非接触测量及液压系统故障诊断 而进气故障出现时的油泵输出流量的脉动特性 的研究[博士学位论文].北京科技大学，1995 10史纪定，嵇光国.液压系统故障诊断与维修技术.北 是明显的，且与单纯侧板磨损时的脉动特性很 京：机械工业出版社，1990.8 不相同，对比图4(a,b)与图5b)中p=2MPa及图 11阳洪志，李壮云.液压泵气蚀初生的诊断.液压与气 5(c)中p=4MPa这4个波形图可以看出.因此， 动，1988(1)：2 用流量信号来识别油泵的进气故障是恰当的. Faults Diagnosis of Hydraulic Systems based on Flow Signals ZHU Hailin",GAO Lanqing 1)Mechanical Engineering Dept,Jiangsu Institute of Petrochemical Technology,Changzhou 213016,China 2)Candidates,Resources Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The reason why unusual flow signals exist and the main effect of the siguals were investigated in hydraulic systems.It is pointed out that flow signals are also a rich carrier of condition information after the examination of the close relationship between the work condition of hydraulic systems and the flow sig- nals.According to the experimental research on the faults of gear pump,it is practicable and effective using flow signals to monitor the condition of hydraulic systems and to diagnose the faults. KEY WORDS hydraulic system;fault diagnosis;flow signal;gear pump

. 7 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1年2 00第 1期 存在于低压 区油液 中 , 占据一定 的空 间 , 油液变 得不连续 , 因而输 出流量及压力波动较剧烈 , 如 图 5 a( , b) 所示 , 振幅较大 , 而流量 的平均值却 变 化不大 . (3 )溢 流阀调定压力较 高时 , 进气 口 存在 漏油现象 . 原因是压力 较高时 , 部分高压油通过 磨损 了的侧板 内漏 到低压 区 , 提 高 了吸油 腔的 压力 , 因而使部 分油液 经 由放松 了 的管接 头漏 出 . 此时进气量 相对 于低 压时少 , 所以 流量脉动 比低压 时要弱 , 脉动 幅度也较小 , 如图 5 c( ) . (4 ) 当溢流 阀调定压力 很高 时 , 由于经磨损 了 的侧 板漏到低压腔 的油液增加 , 使 输出油量减小 , 并 出现振 幅较大 的高频流量脉 动 , 如 图 5 ( d) . 液压泵 在运行 时 , 由于 其 吸油 侧及 吸油 管 段 内部 压力较低 ( 局部真 空 ) , 而外 部是大气 压 力 , 因而空气很 容易从 吸油 区段上 任何密封 不 良的缝 隙进人油泵 的吸油腔 , 从而导致油泵 产 生进气 故障 . 泵 吸人带有 空气 泡的油液后 , 在低 压处空 气泡就膨胀 ; 当油液进 人压力 区后 , 混人 其 中的空 气泡受到剧烈压缩 、 破裂 , 并在压力油 中溶解 , 产生气穴 , 使 噪声增 大 . 油泵吸进 的油 中混有 空 气 , 不仅 易引起 气蚀 , 而且还影 响泵的 容积效 率 , 使液压 系统 的压力 升不高 , 执行机构 工作不稳定 甚至产 生爬行 和 冲击 , 并使工作 油 液易变质 , 这是液压 系统 中不 允许 出现的故障 . 为防止油 泵产生进气 故障 , 除 了对 吸 油管接 头 处严加 密封 , 防止油箱 中的油 面太低外 , 尤其重 要 的是发 生进气故 障时能及 时判断 出来 . 由于进 气故 障多 发生 于外载 压力 较低 时 , 而进气 故障出现时的油泵输 出流量 的脉 动特性 是 明显 的 , 且与单 纯侧板磨 损时 的脉 动特性很 不 相同 , 对 比 图 4 a( , b) 与图 5 (b) 中p = Z M p a 及 图 5 c( ) 中p 二 4 M p a 这 4 个 波形 图可以 看 出 . 因此 , 用 流量信号来 识别油泵 的 进气故 障是恰 当的 . F a u lt s D i a gn o s i s o f H y d r a u li c 5 结束语 流量信号也是液压 系统状 态信息的丰富载 体 , 液压元件或液压 系统发生故 障前后 , 其输出 流量 信号必然 发生变化 , 所 以 利用流量信号 作 为状态特征参数 是能够实现液压系统 的状态监 测 与故障诊断 的 . 当然 , 由于液压 系统 中任一故 障征 兆的产生 ,往 往并非单 一 因素造 成 的 , 所 以 为 了快速 、 有效 、 准确地进行液压系统 的故障诊 断 , 除 了流 量信号外 , 可 以辅 其他状态 特征信 息 , 如 振动信 号 、 压力信 号等等 . 参 考 文 献 1 祝海林 ,邹吴 , 高澜 庆 , 等 . hT e c h a r a c t e ir ist cs an d hT e - ir C o er ct S e l e ict o n i n ht e F au it s D i a gn o s i s o f yH dr a u li e E qu iP m e in . J U n i v S c i & eT e h B e ij i n g , 19 9 6 , 3 ( 1) : 4 5 2 祁 仁俊 等 . 液压系统 状态监 测与故 障诊断 . 工程 机 械 , 1 9 9 3 ( 8 ) : 2 9 3 钱 祥生 , 龚赤 兵 . 液压 系统 的状态监测 . 工 程机 械 , 1 98 9 ( 6 ) : 3 2 4 张 文 明 , 高澜庆 , 马 飞 , 等 . 液 压 系统 的故 障与油 液 污染度监视 . 冶金 设备 , 1 993 ( 4) : 4 5 赵永凯 . 轴 向柱 塞 泵故 障的振 动诊断研究 . 机 床与 液 压 , 199 2( 2 ) : 8 7 6 李 芳民 . 液压系统故 障诊断中的油 样分析法 . 液压 气动 与密 封 , 1 9 9 5 ( l ) : 1 9 7 李 大华 , 夏 志新 . 流 量波 动对滤油 器过 滤 性能 的影 响 . 液 压与气动 , 1 9 8 8( 2 ) , 4 8 8 田 振华 ,等 . 差 压式 流 量计的结构设计及瞬态 流量 测 试方法 的探讨 . 吉 林工 学 院学 报 , 1 98 7 (2) : 43 9 祝海 林 . 管道流 量非 接触测量 及液 压 系统故障诊 断 的研究:[ 博士 学位论文 ] . 北京 科技大 学 , 1 995 10 史 纪 定 , 稿光国 . 液压系统故 障诊断与维修 技术 . 北 京 : 机 械工业 出版 社 , 1 990 .8 n 阳洪志 , 李 壮云 . 液压泵气蚀初生 的诊断 . 液 压与气 动 , 1 9 88( l ) : 2 S y s et m s b a s e d o n F l o w S i g n a l s Z H U H d il nl) , GA 口 L a n q i n g 刀 1)M e Ch an i c ia E n g in e 门n g D e tP , J ian g s u ih st l t u t e o f P e tr o e h e m i e al 介 c hn o l o gy, Ch an g hz o u 2 13 0 16 , C h ian 2 ) C an id d ate s , eR s o ucr e s E n g in e e n n g S hc o l , U S T B e ij in g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T hT e re a s on w h y u n u s u a l fl ow s l g n a l s e x i s t an d ht e m a in e fe ct o f ht e s igu a l s w er I n v e st i g ate d in 场dr au li e s y s te m s . It 1 5 P o i n t e d o u t ht at fl ow s ign a l s are a l s o a ir e h e a r ier o f e on d it i o n i n of rm at ion a fte r hte e x am in at i o n o f ht e e l o s e re l iat o n hs iP b e朴刃 e en ht e w o r k e o n d lt ion o f 勿击a u ll e sy st e m s an d ht e if ow s i g - n a l s . A e e o r d in g ot ht e e x P er im e n t a l r e s e ar e h o n ht e af u lt s o f g e ar Pu m P , it i s Pr a e t i e ab l e an d e fe e t ive u s ign fl o w s ign a l s ot m o n it o r ht e e on d iit o n o f 勿dr au li e sy st em s an d t o d i a gn o s e ht e fa u lt s . K E Y WO R D S 场击a u li e sy s et m : 几u it id a g n o s i s : fl o w s ign a l: g e ar P um P