CN107560984A - 一种液压***的油液污染在线监测装置及监测方法 - Google Patents
一种液压***的油液污染在线监测装置及监测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种液压***的油液污染在线监测装置及监测方法，通过在线监测液压***的温度、压力和油液污染颗粒等参数，利用灰色预测模型建立温度、压力和油液污染颗粒变化预测曲线来评估液压***油液污染程度，根据温度、压力、磨粒含量与故障之间的关联性，给出检查和维修建议，并反馈给技术人员，从而达到故障预警和视情维修的目的，可以及时发现液压***的潜在故障，通过维修避免后续严重事故的发生，保障设备的有效运行，延长其工作寿命。
Description
技术领域
本发明属于液压***故障检测与预估技术，涉及一种液压***的油液污染在线监测方法。
背景技术
液压***在运行过程中由于各部件之间不可避免地有磨损现象，导致液压***中产生磨损颗粒并混入到油液中，液压油液因受到污染而使油滤堵塞，被堵塞后的油滤使得液压油液的黏度增加，***内因摩擦而产生的热量急剧增长，导致油温及***温度升高；油滤堵塞会使***供油不足，导致***压力下降，影响***运行效率。油液中的各种固体颗粒污染物既是引起机械部件磨损失效的原因，同时也是部件发生磨损后的产物，其中蕴含着大量的表征机械内部磨损状态的信息。因此，通过监测技术对油液污染颗粒的监测可以及早发现潜在故障，消除或降低油液污染所造成的影响，避免元件损坏，有效的提高液压***的工作效率和使用寿命。
目前油液污染监测技术主要分为两类：离线监测和在线监测。离线监测是通过定期现场对油液样本取样，再送至实验室进行样本分析。这类方法所得到的污染数据精确，但是送检时间过长，监测周期长，无法根据复杂的工况反映出液压***实时的工作状态，无法及时发现***中潜在的故障。在线监测是通过传感器对正在运作的液压***进行监测，可以实时的得到有关数据，监测速度快，及时反映出***的工作状态信息，是实现液压***主动预防性维护的重要手段之一。
专利公开号CN102562560A提出一种能够实时检测液压泵磨损状况的实时检测方法。该发明在液压泵壳体回油过滤器两端并联接入油液颗粒计数器，并在计数器前后装有集成式过滤管接头和集成式限流管接头，这样保证了进入计数器的过油流量始终是平稳的小流量。但是该方法的监测对象单一，没有考虑液压***运行温度、压力对流量的影响，使得监测出的结果不够精确。
专利公开号CN 102147404A提供一种润滑油污染度监测方法与装置，采用复合活塞缸的形式，监测由于5μm和15μm颗粒堵塞所造成的活塞位移来估测油液的污染程度，该装置克服现有的油液污染监测装置设备复杂、成本高及测定方法繁琐等不足。但是液压***运行时温度和压力的变化范围大，对流量堵塞的活塞位移也具有一定的影响，这使得该方法得到的结果精确度不高，无法做到预测故障。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明的目的是提出一种能够实时监测液压***油液污染状况的方法，该方法能够在不影响***正常工作的前提下，通过在线监测液压***的温度、压力和油液污染颗粒等参数，利用灰色预测模型建立温度、压力和油液污染颗粒变化预测曲线来评估液压***油液污染程度，并结合历史数据库和油液污染的知识库，根据温度、压力、磨粒含量与故障之间的关联性，给出检查和维修建议，并反馈给技术人员，从而达到故障预警和视情维修的目的，可以及时发现液压***的潜在故障，通过维修避免后续严重事故的发生，保障设备的有效运行，延长其工作寿命。
本发明的技术方案是：一种液压***的油液污染在线监测装置，包括油箱、控制器、执行器、自动颗粒计数器、计算机和液压泵；油箱将液压油传入液压泵，经液压泵增压处理后传入控制器，经控制器根据***油压初始预定值增压或降压处理后传入执行器和自动颗粒计数器，执行器经过执行作业后将液压油回油至控制器，经控制器降压处理后回油至油箱；在液压泵和执行器的进口和出口处分别设有传感器，用于监测四个点的压力值和温度值；自动颗粒计数器监测油液中的磨损颗粒；当监测值大于初始所设阈值时，计算机输出报警信号至警示灯，进行报警；当监测值小于初始所设阈值时，整个装置正常工作。
本发明的进一步技术方案是：一种液压***的油液污染在线监测装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤一，获取数据信息，包括以下子步骤：
子步骤一：通过传感器，将实时监测到的液压油在液压泵进出口和执行器进出口处的压力值和温度值传入计算机进行储存；
子步骤二：通过自动颗粒计数器对油液进行在线取样，对油液中的磨损颗粒进行实时监测统计；
步骤二：根据油液污染度分级的国际标准NAS1638进行污染度分级，若经检测油液颗粒污染度超出国际标准NAS1638规定的10级，则报警，否则进入步骤三；
步骤三：通过步骤一中得到的压力值、温度值和磨损颗粒，通过灰色预测模型分别建立磨损颗粒、温度、压力数据变化预测趋势图；其中三个参数的模型建立方法相同；所述灰色预测模型建模步骤如下：
(1)对液压***液压油的其中一个参数进行定期间隔取样，得到原始数列x(0)＝{x(0)(1),x(0)(2),...x(0)(N)}；
(2)对原始数列x(0)一次累加生成新数列x(1)＝{x(1)(1),x(1)(2),...x(1)(N)}；
(3)对生成数列x(1)建立一阶常微分方程
(4)将x(1)(2),x(1)(3),......x(1)(N)分别代入以上方程，用差分代替微分，将x(i) (i)替换为简化后得到数组
(5)令y＝(x(0)(2),x(())(3).....x(0)(N))T，令则矩阵形式简化为y＝BU，此方程的最小二乘估计为
(6)把估计值与代入时间响应方程当k≥N时，这是相对于一次累加序列x(1)的拟合值，用后减运算还原，就得原始序列的预测值
(7)灰色模型检验：
残差大小检验，即对模型值和实际值得残差进行逐点检验；首先按模型计算将累减生成与x(0)(i)的绝对残差序列Δ(0)＝{Δ(0)(i),i＝1,2,...N},及相对残差序列Φ＝{Φi,i＝1,2...N}，并计算平均相对残差
给定α，当且ΦN＜α时，称模型为残差合格模型；当模型不合格时，运用残差序列的形式建立残差灰色模型来修正原先建立的模型，提高建立好的灰色模型精度；
(8)根据液压油的磨损颗粒，温度，压力参数的灰色模型所得到各个参数的原始序列的预测值建立各个参数的预测曲线；
步骤四：结合液压油的磨损颗粒，温度，压力历史数据，建立正常工作状态下的参数变化曲线，将正常曲线和预测曲线相对比，当两者变化趋势发生差异后，将预测值与初设定的参数安全阀值Q进行比较，若预报值超出安全阀值，则计算机经过故障判断后输出报警信号至警示灯，警示灯报警；
本发明的进一步技术方案是：若干警示灯显示内容分别为：液压泵异常、控制器异常、执行器异常、***温度过高、压力泄漏、油液重度污染；根据不同警示灯报警，进行相应措施：
若液压泵进口的温度、压力参数正常而液压泵出口处任一参数达到安全阀值，则液压泵异常指示灯亮，应当对液压泵进行检查维护；若液压泵出口的温度、压力参数正常而执行器进口处任一参数达到安全阀值，则控制器异常指示灯亮，应当对控制器进行检查维护；若执行器进口的温度、压力参数正常而执行器出口处任一参数达到安全阀值，则执行器异常指示灯亮，应当对液压泵进行检查维护；若执行器进口温度达到安全阀值且磨损颗粒未达到安全阀值，***温度过高指示灯亮，停机降温；若执行器进口温度达到安全阀值且磨损颗粒含量达到安全阀值则油液重度污染指示灯亮，表明油液污染严重，应当更换油液；若执行器进口压力低于安全阀值且磨损颗粒含量未达到安全阀值则压力泄漏指示灯亮，表明***漏油，拧紧连接处零件；若执行器进口压力未达到安全阀值且磨损颗粒含量超过安全阀值，则油液重度污染指示灯亮，油滤堵塞，更换油液。
发明效果
本发明的技术效果在于：目前液压***的油液污染物监测主要是离线监测，在线监测技术也在不断地发展。液压***在工作中往往处在复杂的工况下，工作温度和***压力都有较大的变化范围，对液压***的工作状态有明显的影响。而市场上大多油液污染在线监测设备监测对象单一，虽然操作简便但是误差较大，无法达到故障预警的要求，导致过早报警而更换油液，造成资源的浪费，或是没有报警但是由于过高的温度和过低的压力使得液压***工作效率降低，设备寿命减短。
本发明通过在液压***内(泵进出口及执行元件进出口)安装温度传感器和压力传感器，同时对液压***的工作温度、压力和油液污染颗粒三个工作参数进行监测，并利用灰色预测模型建立参数的数据变化趋势图，结合历史数据来评判液压***的工作状态，提高监测结果的准确性，可以及时发现异常的现象来推断潜在的故障，最后警示技术人员采用相对应的维修手段，从而可以稳定液压***的工作状态，提高工作效率，及时发现故障，延长设备的工作寿命。另外通过对***不同关键处的参数监测可以迅速锁定故障潜在部位，提高维修效率。
附图说明
图1为本***结构示意图
图2为监测***进行在线监测过程的流程图
图3为灰色模型建立流程图
附图标记说明：1—泵进口；2—泵出口；3—执行元件进口；4—执行元件出口
具体实施方式
液压***工作正常时，***参数都工作在设计和设定值附近，工作中如果这些参数偏离了预定值，则***就会出现故障或有可能出现故障，例如设计合理的液压***其工作温度变化范围是有限制的，***温度的异常升高往往意味着***内出现故障，***压力则综合反映了***及***内元件的工作状态。根据液压***的特征和所需测量的参数，设计一种新的液压***的油液污染在线监测方法和装置。对于主要工作参数压力和温度，只需要在泵进出口(1、2)及执行元件进出口(3、4)设置传感器测点，通过传感器测量1、2、3、4四点的压力和温度，并将其测量值通过数据采集输入到计算机诊断软件界面，从特征信号中提取出征兆信号，与预定值进行比较、判断，如参数值在允许范围内，则通过参数趋势图进行故障预测；如测量值超出允许范围，则可立刻诊断出故障的区域部位(泵源、控制传动部分或执行器部分)。在执行器前装有自动颗粒计数器，将油液在线导入自动颗粒计数器监测油液颗粒的含量，再把数据导入计算机诊断软件界面，与温度、压力进行灰色模型建模预测变化趋势图，当数据到达阈值时报警，此时，推理机综合报警信息，历史数据库和油液污染的知识库来做出最终决策，计算机连接LED警示灯，将最终决策结果反馈给维修人员。
检测步骤：
1、在液压***内(泵进出口及执行元件进出口)安装温度传感器和压力传感器监测温度和压力变化并绘制曲线，并将样本数据保存到计算机的实时数据库中；
2、在执行元件进口前安装自动颗粒计数器，同时对油液进行在线取样，将油液样本导入到自动颗粒计数器中进行磨损颗粒的含量监测和统计，绘制磨损颗粒变化曲线；
3、根据油液污染度分级标准进行污染度分级，若油液污染度超过最大临界值则直接更换油液；
4、对磨损颗粒，温度变化，压力变化数据导入计算机，由Matlab编程建立的灰色预测模型中，预测数据变化趋势，建立磨损颗粒、温度、压力数据变化预测趋势图；
5、结合历史数据库和油液污染的知识库，根据预测曲线判断磨损颗粒，温度，压力临界值。若温度较高已经达到临界值而磨损颗粒含量较少，未达到临界值，则可能由于***工作时间过长，停机降温；若温度较高达到临界值且磨损颗粒含量达到临界值则油液污染严重应更换油液；若压力过低低于临界值但磨损颗粒含量不足则***漏油，需拧紧连接处零件；若压力过低且磨损颗粒含量超过临界值，则油滤堵塞，油液污染严重，需更换油液。
6、计算机根据步骤3和步骤5所得出的不同预测诊断结果，连接LED警示灯，警示内容分别为液压泵异常、执行器异常、***温度过高、压力泄漏、油液重度污染，将预测诊断结果反馈给工作人员，采取不同的维修措施。
本申请的创新点在于：
(1)、监测装置由4个安装温度传感器和压力传感器、自动颗粒计数器、计算机、LED警示灯组成。温度传感器和压力传感器装在液压泵的进出口及执行元件的进出口，自动颗粒计数器装在执行元件进口，并都通过数据线与计算机的数据采集器相连接；
(2)、计算机配有实时数据库、历史数据库、灰色预测模型建模软件，具有数据存储、结果显示、打印等功能；
(3)、计算机连接LED警示灯，警示内容分别为液压泵异常、执行器异常、***温度过高、压力泄漏、油液重度污染；
(4)、利用温度、压力、油液颗粒物数据通过灰色预测模型建立预测变化趋势曲线，结合历史数据和专家***，计算机根据趋势曲线是否超过预测阀值来判断是否预警以及相对应的维修手段。在液压泵的进出口及执行元件的进出口安装温度传感器和压力传感器，传感器连接计算机；执行元件进口前安装自动颗粒计数器，计数器连接计算机；计算机配有实时数据库、液压油的磨损颗粒，温度，压力等参数的历史数据库、灰色预测模型建模软件，具有数据存储、结果显示、打印等功能；计算机连接LED警示灯，警示内容分别为液压泵异常、执行器异常、***温度过高、压力泄漏、油液重度污染。计算机连接LED警示灯，警示内容分为1、故障部位：液压泵异常、控制器异常、执行器异常；2、故障形式：***温度过高、压力泄漏、油液重度污染。计算机根据步骤五的预测诊断结果通过警示灯反馈给工作人员，采取相应的维护措施。计算机根据报警信号进行分析判断得出不同的预测诊断结果：若温度较高已经达到安全阀值而磨损颗粒含量较少，未达到安全阀值，则可能由于***工作时间过长，应当停机降温；若温度较高达到安全阀值且磨损颗粒含量达到安全阀值则油液污染严重，应当更换油液；若压力过低低于安全阀值但磨损颗粒含量不足则***漏油，应当拧紧连接处零件；若压力过低且磨损颗粒含量超过安全阀值，则油滤堵塞，油液污染严重，应当更换油液。
如果一个***具有层次、结构关系的模糊性，动态变化的随机性，指标数据的不完备性，则称为灰色性，将这种***称为灰色***。而故障数据如磨损颗粒的发展趋势，温度的变化趋势，压力的变化趋势，满足灰色***的特点，故灰色模型的预测方法可以应用到故障预测方面。
灰色模型的基本定义：灰色模型是通过少量的、不完全信息，建立灰色微分预测模型，对数据的发展趋势作模糊性长期描述。设原始数据序列x(0)＝{x(0)(1),x(0)(2),...x(0)(N)}，按照归纳式对原始数据进行累加于是得到一个新的数列x(1)＝{x(1)(1),x(1)(2),...x(1)(N)}，称此式所表示的数列为原始数据列的一次累加生成。
设x(1)满足一阶常微分方程
其中a是常数，称为发展灰数；u称为内生控制灰数，是对***的常定输入，此方程满足初始条件t＝t0时x(1)＝x(1)(t0)的解为
对等间隔取样的离散值(注意到t0＝1)则为
灰色建模的途径是一次累加序列通过最小二乘法来估计常数a与u。
灰色建模的步骤：
1、对液压***的磨损颗粒，温度，压力等参数进行定期间隔取样，分别得到这三个参数的原始数列x(0)＝{x(0)(1),x(0)(2),...x(0)(N)}(x(0)(N)为某一参数的在第N时段的测量值，N为检测时段的序数)。
2、对原始数列x(0)一次累加生成新数列x(1)＝{x(1)(1),x(1)(2),...x(1)(N)}。(x(1)(N)为测量值x(0)(N)一次累加值)。
3、对生成数列x(1)建立一阶常微分方程(常数a为发展灰数，u为内生控制灰数，t为时间)。
4、将x(1)(2),x(1)(3),......x(1)(N)分别代入以上方程，又因等间隔取样Δt＝1，可用差分代替微分，将x(1) (i)替换为简化后得到数组
5、令y＝(x(0)(2),x(0)(3).....x(0)(N))T，令则矩
阵形式简化为y＝BU，此方程的最小二乘估计为
6、把估计值与代入时间响应方程当k≥N时，这是相对于一次累加序列x(1)的拟合值，用后减运算还原，就得原始序列的预测值(k是预测值的序数，是对原始数列x(0)(k+1)的预测值)
7、灰色模型检验：
残差大小检验，即对模型值和实际值得残差进行逐点检验。首先按模型计算将累减生成与x(0)(i)的绝对残差序列Δ(0)＝{Δ(0)(i),i＝1,2,...N}，及相对残差序列Φ＝{Φi,i＝1,2...N}，并计算平均相对残差
给定的检验指标α，当且ΦN＜α成立时，称模型为残差合格模型。具体检验指标为：一级：指标临界值为0.01；二级：指标临界值为0.05；三级：指标临界值为0.10；四级：指标临界值为0.20。在对于模型不合格情况下，可以运用残差序列的形式来建立残差灰色模型来修正原先建立的模型，用这种方法来提高建立好的灰色模型精度，直至精度符合我们的要求为止。
8、原始序列的预报值与起初设定的参数安全阀值Q进行比较，若预报值超出安全阀值，则输出报警信号。
Claims (3)
1.一种液压***的油液污染在线监测装置，其特征在于，包括油箱、控制器、执行器、自动颗粒计数器、计算机和液压泵；油箱将液压油传入液压泵，经液压泵增压处理后传入控制器，经控制器根据***油压初始预定值增压或降压处理后传入执行器和自动颗粒计数器，执行器经过执行作业后将液压油回油至控制器，经控制器降压处理后回油至油箱；在液压泵和执行器的进口和出口处分别设有传感器，用于监测四个点的压力值和温度值；自动颗粒计数器监测油液中的磨损颗粒；当监测值大于初始所设阈值时，计算机输出报警信号至警示灯，进行报警；当监测值小于初始所设阈值时，整个装置正常工作。
2.基于权利要求1所述一种液压***的油液污染在线监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，获取数据信息，包括以下子步骤：
子步骤一：通过传感器，将实时监测到的液压油在液压泵进出口和执行器进出口处的压力值和温度值传入计算机进行储存；
子步骤二：通过自动颗粒计数器对油液进行在线取样，对油液中的磨损颗粒进行实时监测统计；
步骤二：根据油液污染度分级的国际标准NAS1638进行污染度分级，若经检测油液颗粒污染度超出国际标准NAS1638规定的10级，则报警，否则进入步骤三；
步骤三：通过步骤一中得到的压力值、温度值和磨损颗粒，通过灰色预测模型分别建立磨损颗粒、温度、压力数据变化预测趋势图；其中三个参数的模型建立方法相同；所述灰色预测模型建模步骤如下：
(1)对液压***液压油的其中一个参数进行定期间隔取样，得到原始数列x(0)＝{x(0)(1),x(0)(2),...x(0)(N)}；
(2)对原始数列x(0)一次累加生成新数列x(1)＝{x(1)(1),x(1)(2),...x(1)(N)}；
(3)对生成数列x(1)建立一阶常微分方程
(4)将x(1)(2),x(1)(3),......x(1)(N)分别代入以上方程，用差分代替微分，将x(i) (i)替换为简化后得到数组
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(5)令y＝(x(0)(2),x(())(3).....x(0)(N))T，令则矩阵形式简化为y＝BU，此方程的最小二乘估计为
(6)把估计值与代入时间响应方程
当k≥N时，这是相对于一次累加序列x(1)的拟合值，用后减运算还原，就得原始序列的预测值
(7)灰色模型检验：
残差大小检验，即对模型值和实际值得残差进行逐点检验；首先按模型计算将累减生成与x(0)(i)的绝对残差序列Δ(0)＝{Δ(0)(i),i＝1,2,...N},及相对残差序列Φ＝{Φi,i＝1,2...N}，并计算平均相对残差
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给定α，当且ΦN＜α时，称模型为残差合格模型；当模型不合格时，运用残差序列的形式建立残差灰色模型来修正原先建立的模型，提高建立好的灰色模型精度；
(8)根据液压油的磨损颗粒，温度，压力参数的灰色模型所得到各个参数的原始序列的预测值建立各个参数的预测曲线；
步骤四：结合液压油的磨损颗粒，温度，压力历史数据，建立正常工作状态下的参数变化曲线，将正常曲线和预测曲线相对比，当两者变化趋势发生差异后，将预测值与初设定的参数安全阀值Q进行比较，若预报值超出安全阀值，则计算机经过故障判断后输出报警信号至警示灯，警示灯报警。
3.如权利要求2所述的一种液压***的油液污染在线监测装置的监测方法，其特征在于，若干警示灯显示内容分别为：液压泵异常、控制器异常、执行器异常、***温度过高、压力泄漏、油液重度污染；根据不同警示灯报警，进行相应措施：
若液压泵进口的温度、压力参数正常而液压泵出口处任一参数达到安全阀值，则液压泵异常指示灯亮，应当对液压泵进行检查维护；若液压泵出口的温度、压力参数正常而执行器进口处任一参数达到安全阀值，则控制器异常指示灯亮，应当对控制器进行检查维护；若执行器进口的温度、压力参数正常而执行器出口处任一参数达到安全阀值，则执行器异常指示灯亮，应当对液压泵进行检查维护；若执行器进口温度达到安全阀值且磨损颗粒未达到安全阀值，***温度过高指示灯亮，停机降温；若执行器进口温度达到安全阀值且磨损颗粒含量达到安全阀值则油液重度污染指示灯亮，表明油液污染严重，应当更换油液；若执行器进口压力低于安全阀值且磨损颗粒含量未达到安全阀值则压力泄漏指示灯亮，表明***漏油，拧紧连接处零件；若执行器进口压力未达到安全阀值且磨损颗粒含量超过安全阀值，则油液重度污染指示灯亮，油滤堵塞，更换油液。
Priority Applications (1)
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