CN100425964C - 液压系统内泄漏的测量方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种液压系统内泄漏的测量方法，其步骤依次为：(1)利用液压系统中液压站或主压力管线上原有的液压蓄能器，或在系统中接入专用的测量用液压蓄能器；(2)先测量蓄能器实际预充气体压力p₀，而有效气体容积V₀值可以根据蓄能器的说明书得到或实际测得；(3)后让液压系统达到正常工作压力后，停止系统对外做功，关闭液压站工作泵，让蓄能器单独向系统供油，记下开始时间t₁，初始压力p₁，以及中间某一时刻t₂及压力值p₂；(4)通过公式计算液压系统内泄漏量；该内泄漏的测量方法简便，通用性强，并以此为依据建立起液压系统的精细化管理平台，这一成果在重工业特别是冶金行业中具有广泛的应用价值，对于降低生产成本，提高维护人员技能具有社会意义。

Description

液压系统内泄漏的测量方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种液压系统内泄漏的测量方法及其应用。

背景技术

液压设备在机械行业中被广泛应用，特别是在重工业中有着重要地位。长期以来，内泄漏一直是存在于液压系统中的一个重要难题，对于设备维护人员来说犹如黑匣子，其中包含着液压系统中很多重要信息，然而又难于直观了解。为此有科技人员研究开发液压系统内泄漏测量方法，如专利号为95121774.7的中国专利“液压电梯油泄漏量的检测方法”，其第一步，当接收到轿厢呼唤信号时执行楼层服务操作、使计时器归零并测量油温；第二步，当轿厢停在某楼层而门打开范围开关未偏离门打开范围传感板时增加计时器计数值；第三步，测量油温和时间直到轿厢偏离正常位置；第四步，测量计时器计数值为零时的油温、门打开范围开关偏离传感板时的油温和轿厢从正常位置偏离到非正常位置的时间；第五步，比较轿厢下降量和预先设定值；第六步，判断电梯系统状态；其缺陷在于测量方法比较烦琐，而且通用性比较差，受其电梯产品的限制，不能在其它液压系统上进行推广应用。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是提供一种液压系统内泄漏的测量方法，其测量方法简单快捷、通用性更强、适合在广泛的液压系统上进行在线检测使用。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供上述测量方法的应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种液压系统内泄漏的测量方法，其特征在于步骤依次为：

(1)利用液压系统中液压站或主压力管线上原有的液压蓄能器，或在系统中接入专用的测量用液压蓄能器；

(2)先测量蓄能器实际预充气体压力p₀，而有效气体容积V₀值可以根据蓄能器的说明书得到或实际测得；

(3)后让液压系统达到正常工作压力后，停止系统对外做功，关闭液压站工作泵，让蓄能器单独向系统供油，记下开始时间t₁，初始压力p₁，以及中间某一时刻t₂及压力值p₂；

(4)通过公式计算液压系统内泄漏量；

公式可以选用小孔节流公式计算法进行计算

$q=\frac{2V_0{P_0}^{1/n}[p_2^{-(2+n)/2n}-p_1^{-(2+n)/2n}]}{(2+n)(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

其中，q为液压系统在压力为P时的内泄露量；

n为理想气体状态方程常数；

P为系统压力；

公式还可以选用平均值计算法进行计算

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{V_0\left[{(P_0/P_1)}^{1/n}\right]-{(P_0-P_2)}^{1/n}}{t_2-t_1}$

其中，Q为液压系统的平均内泄露量；

n为理想气体状态方程常数。

作为改进，上述的小孔节流公式可以简化为：

等温状态下：

$q=0.667\frac{V_0{P}_0[{p_2}^{-1.50}-{p_1}^{-1.50}]}{(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

绝热状态下：

$q=0.5882\frac{V_0{P_0}^{0.7143}[{p_2}^{-1.214}-{p_1}^{-1.214}]}{(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

多变过程状态：

$q=0.615\frac{V_0{P_0}^{0.8}[{p_2}^{-1.30}-{p_1}^{-1.30}]}{(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

(5)注意上述各方法计算出的液压系统内泄漏是在系统外泄漏为0的情况下测定并计算得出的，当系统外泄漏不为0时，需从计算结果中减去外泄漏量的大小；一般情况下很容易做到0外泄漏或实际测得外泄漏值。

本发明解决上述另一个技术问题所采用的技术方案为：一种上述测量方法的应用，其特征在于：在降低设备故障、提高设备的可靠性、便于系统维在修方面上应用。

有益的是，一种上述测量方法的应用，其特征在于：便于建立一种全新的液压设备状态数据化管理管系统。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该测量方法简单快捷，只需测定时间和在此时间内蓄能器的压强变化，就能很方便地计算出表征内泄漏的流量大小，通用性更强，对广泛的液压系统都能适用。以此技术能进一步降低生产和设备维护成本，进一步提升维护人员的高级技能和完善液压系统的管理手段。

附图说明

图1为一个具体实施例子中的液压系统示意图；

图2为一个具体应用的数据管理示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一、基本原理

在一定条件下，以蓄能器作为独立供油源，内泄漏作为唯一负载，视内泄漏孔口为小孔节流口，所有内泄漏均经从高压腔直接泄漏到低压腔，单位时间内以蓄能器提供的压力油和系统内泄漏建立方程式，可得到液压系统内泄漏流量的两种基本算法：1、平均值算法；2、小孔节流公式计算法：

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{V_0[{(P_0/P_1)}^{1/n}-{(P_0/P_2)}^{1/n}]}{t_2-t_1}...............I$

$q=K\sqrt{P}=\frac{{2V}_0{P_0}^{1/n}[p_2^{-(2+n)/2n}-p_1^{-(2+n)/2n}]}{(2+n)(t_2-t_1)}\sqrt{P}...............\mathrm{II}$

二、液压系统内泄漏物理模型的建立

1、液压系统内泄漏是指从液压元件的高压腔一侧直接泄漏到低压腔一侧，本文所指系统内泄漏包括液压执行元件和液压控制元件的内泄，因液压泵工作性能下降所存在的内泄不在讨论范围内。

2、很多内泄漏点同时发生在系统内部不同部位，每个泄漏点都可看作独立的固定节流孔口，都适用于小孔节流公式： $q=C_c{C}_{\mathrm{\υ}}A\sqrt{2\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}=C_{d}A\sqrt{2\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}};$

3、连接在液压系统中压力管线上的蓄能器，可视为独立动力源，(液压)蓄能器的工作原理符合理想气体状态特征方程： $P_0{V}_0^n=P_1{V}_1^n=P_2{V}_2^n=P_m{V}_m^n,$ 其中

p₀＝气体预充压力，V₀＝蓄能器有效气体容积，

P₁＝最高工作压力，V₁为P₁时气体容积；

P₂＝最低工作压力，V₂为P₂时气体容积；

P₁≥P_m≥P₂为任意工作压力，V_m为P_m时的气体容积。

n为多变指数，由蓄能器的排放时间决定：

在等温状态下n＝1.0，绝热状态下n＝1.4，多变过程n＝1.25；

4、把适用于内泄漏的小孔节流公式和蓄能器理想气体状态方程有机地结合起来，就可以得到我们所需要测量内泄的两种基本方法。

三、计算公式的推导

1、平均计算法公式推导：

由方程 $P_0{V}_0^n=P_1{V}_1^n=P_2{V}_2^n=P_m{V}_m^n$ 很容易改变成：

ΔV＝V₀[(P₀/P₁)^1/n-(P₀/P₂)^1/n]                  ……………(a)

该方程中，n、V₀和P₀均为常数，P₂、P₁可方便地获得，同时记录因系统内泄使系统压力由P₁→P₂所经历的时间ΔT，由平均流量定义可知：

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}}...............\left(b\right)$

联合方程(a)和(b)得到：

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{V_0[{(P_0/P_1)}^{1/n}-{(P_0/P_2)}^{1/n}]}{t_2-t_1}...............I$

2、小孔节流公式计算法的推导：

在前面的内泄漏小孔节流公式 $q=C_{d}A\sqrt{2\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}$ 中，对某一固定节流孔来说，G_d，A，

均为常数，故

也为常数。令 $C_{d}A\sqrt{2\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}=K,$ 则上式可简化为： $q=K\sqrt{\mathrm{\ΔP}}.$

为使问题进一步简化，在液压系统中，内泄从高压腔经小孔流到低压腔直通油箱，其低压腔压力近似可看作0，则 $\sqrt{\mathrm{\ΔP}}=\sqrt{P},$ 以上公式变为：

$q=K\sqrt{P}...............\left(1\right)$

设某系统中有n个泄漏孔，每孔的泄流量分别用 $q_i=K_i\sqrt{P}$ 来表示，则系统总泄流量可用公式表示为：

${\mathrm{\Σ}}_1^n{K}_i\sqrt{P}=(K_1+K_2+\·\·\·\·\·\·K_n)\sqrt{P}=K\sqrt{P}$

即每个泄漏孔的流量和流量系数具有相加性，因此，系统中所有的内泄漏孔口可等效看成是一个内泄漏孔口所为.可以直接运用公式(1)计算.

由理想气体状态特征方程可知：

$P_0{V}_0^n=P_1{V}_1^n={\mathrm{PV}}^n$

即 $V=V_0{P_0}^{1/n}{P}^{1/n}...............\left(2\right)$

由流量基本定义可知：

$q=\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}...............\left(3\right)$

联合(2)、(3)可得：

$q=V_0{P_0}^{1/n}\frac{{\mathrm{dP}}^{-1/n}}{\mathrm{dt}}...............\left(4\right)$

把(4)带入(1)得到：

$V_0{P_0}^{1/n}\×\frac{{\mathrm{dP}}^{-1/n}}{\mathrm{dt}}=k\sqrt{P}...............\left(5\right)$

令 $V_0{P_0}^{1/n}=\mathrm{\ζ}$

则上式可变为：

$\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{dP}}^{-1/n}}{\mathrm{dt}}=k\sqrt{P},$ 即：

$\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{dP}}^{-1/n}}{\sqrt{P}}=\mathrm{kdt}...............\left(6\right)$

令P^-1/n＝x，上式成为：

ζ.x^n/2dx＝kdt                             ……………(7)

两边同积分：

${\∫}_{x1}^{x2}{\mathrm{\ξx}}^{n/2}\mathrm{dx}={\∫}_{t1}^{t2}\mathrm{kdt}...............\left(8\right)$

两边同时进行积分运算可得：

$C_1+{\left[\frac{2\mathrm{\ξ}}{2+n}{x}^{n/2+1}\right]}_{x1}^{x2}=k{\left[t\right]}_{t1}^{t2}+C_2...............\left(9\right)$

注意到t₁＝t₂时x₁＝x₂，故G₁＝G₂；

将 $V_0{P_0}^{1/n}=\mathrm{\ζ}$ 带入(9)可得：

$\frac{2}{2+n}{V}_0{P_0}^{1/n}{\left[x^{n/2+1}\right]}_{x1}^{x2}=k{\left[t\right]}_{t1}^{t2}...............\left(10\right)$

用x＝p^-1/n替换上式可得：

$\frac{2}{2+n}{V}_0{V_0}^{1/n}[P_2^{-(2+n)/2n}-P_1^{-(2+n)/2n}]=k(t_2-t_1)...............\left(11\right)$

以上(11)式就是求解常数K的通用方程表达，式中n、V₀、P₀均为已知常数P₁、P₂、t₂和t₁可以方便获得，一般地，从取t₁＝0开始计时计算更方便。

如果从t₁＝0，则I式可以简化为：

$\frac{2}{2+n}{V}_0{P}^{1/n}[P_2^{-(2+n)/2n}-P_1^{-(2+n)/2n}]=\mathrm{kt}...............\left(12\right)$

(12)式中，当系统条件满足蓄能器气体作等温状态变化时，n取1上式可简化为：

2/3×V₀P₀(P₂ ^-1.50-P₁ ^-1.50)＝kt             ……………(13)

(12)式中，当系统条件满足蓄能器气体作绝热状态变化时，n取1.4III式可简化为：

$0.588\×V_0{P_0}^{0.714}({P_2}^{-1.214}-{P_1}^{-1.214})=\mathrm{kt}...............\left(14\right)$

(12)式中，当系统条件满足蓄能器气体按多变过程变化时，n取1.25可简化为：

$0.615\×V_0{P_0}^{0.714}({P_2}^{-1.30}-{P_1}^{-1.30})=\mathrm{kt}..............\left(15\right)$

将 $q=k\sqrt{P}$ 带入以上各方程式中，求得直接计算内泄漏量大小的计算公式：

$q=\frac{{2V}_0{P_0}^{1/n}[p_2^{-(2+n)/2n}-P_1^{-(2+n)/2n}]}{(2+n)(t_2-t_1)}\sqrt{P}$ (通用计算公式)…………I

$q=\frac{0.667V_0{P}_0[{P_2}^{-1.50}-{P_1}^{-1.50}]}{t}\sqrt{P}$ (等温状态)    …………III

$q=\frac{0.588V_0{P_0}^{0.714}[{P_2}^{-1.214}-{P_1}^{-1.214}]}{t}\sqrt{P}$ (绝热状态)    …………IV

$q=\frac{0.615V_0{P_0}^{0.8}[{P_2}^{-1.30}-{P_1}^{-1.30}]}{t}\sqrt{P}$ (多变过程)    …………V

证毕.

四、测定液压系统内泄的方法和步骤举例：

例，如图1为某液压系统原理图，其液压站自带2台皮囊式蓄能器，气体充氮容积为160L×2，半年前初始充氮压力为88kg/cm²，系统最大工作压力为140kg/cm²，系统外泄漏为0，系统中共有n支液压回路。

测量工具：气压表、油压表，秒表或手机(选择手机中的秒表功能)，笔和笔记本。

测量前的准备工作：

利用气压表测得现蓄能器实际氮气压力为60kg/cm²。

测量内容：1、系统在某状态下总泄漏量；2、第n支回路的内泄漏大小。

 1、系统某状态下总泄漏量

注意，该液压系统中有多支液压回路，每件液压执行机构所处状态不同，其实际内泄漏大小可能相差很大，我们测试该系统内泄漏大小可以测试系统最大可能值：让全部液压缸回路均处于带压静止状态且回路自然畅通；或测量最具有代表性工况下的内泄量。为了测量数据具有可比性，每次测试内泄漏均需在相同工况相同条件下测定。

当系统压力达到额定工作压力P₁下，停止液压执行机构对外做功，关闭工作泵(此时蓄能器向系统提供压力源)，同时按下秒表，现测得因内泄使系统压力从140kg/cm²降到120kg/cm²的时间间隔为ΔT＝45.0秒，因内泄漏较大，取n＝1.4。

算法一：应用小孔节流公式计算在压力为140kg/cm²下系统内泄漏量的大小：

$q=K\sqrt{P}=\frac{{2V}_0{P_0}^{1/n}[p_2^{-(2+n)/2n}-p_1^{-(2+n)/2n}]}{(2+n)(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

$=0.0397\×\sqrt{140}$

$=0.469$ (升/秒)

即0.469×60＝28.14(升/分钟)

算法二：平均流量计算法

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{V_0[{(P_0/P_1)}^{1/n}-{(P_0/P_2)}^{1/n}]}{t_2-t_1}$

$=\frac{320\×[{(60/120)}^{0.714}-{(60/140)}^{0.714}]}{45}$

$=\frac{20.32}{45}=0.452$ (升/秒)

即：0.452×60＝27.12(升/分钟)

从以上过程可以看出，应用小孔节流公式可以求解在任何压力下的内泄大小，而平均值算法存在一定误差，

值越大误差就越大，

越接近1越准确。一般地，

为计算准确，我们取P1-P2＝20～30kg/cm²状态下测得系统内泄相当准确，只要内泄不是特别大，应用该方法很实用。

2、单独测量某一液压回路(或某液压执行机构)

如上所示，我们已经测量并计算了包括某支路n在内的总内泄为：Q₁＝28.14L/MIN.。(测量时n支路油缸一腔始终处于供油状态，且油缸处于相对静止状态。)现，在相同条件下关断n支路进油截止阀门，保持其它条件不变，应用小孔节流公式重新测量并计算出该系统内泄大小为：Q₂＝10.2L/MIN.，则n支路内泄为：ΔQ＝Q₁-Q₂＝17.94L/MIN.这说明该支路内泄已经相当大，必须尽快得到处理。

五、测定液压系统内泄漏的意义及应用前景

1、提高设备的可靠性。在很多重要场合，液压系统的可靠性直接关系到生产者和设备的生命财产安全。准确掌握了液压设备的内泄漏情况，在很大程度上就把握住了设备的可靠性。

2、节约电能。在液压系统中，内泄漏损耗的能量全部转化为热能，其耗能可由公式： $P=\frac{\mathrm{pq}}{600}$ 计算(压力P的单位为kg/cm²，流量单位为L/min.)计算，得出的内泄漏压力损失功率为KW。如某液压系统的工作压力为137kg/cm²，测得内泄漏为：50L/min.，最后算出的内泄漏耗损功率为：11.4KW，设机械能转化为液压能的效率为70％，则实际内泄漏消耗的电功率为：16.3KW。这样，该机组每年将多耗能142663kwh，每年的直接经济损失将高达7万元以上。另一方面，大量的电能转变为热能，加重液压系统热交换器的负担，为系统冷却又要额外消耗一部分电能，如果油液温度升高较多，也会加速油液的氧化变质。

3、降低设备故障。对于连续化大生产线，设备停机就意味着重大损失。在液压系统中，因液压缸、液压马达和液压控制元件引起的故障还是相当高，准确测量液压系统内泄漏在很大程度上可帮助我们提前发现故障隐患。

4、便于进行状态维修。液压系统的内泄漏的测定，为液压设备特别是对液压执行元件进行状态维修提供了最有力的依据，便于人们正确维护设备，最大限度地延长设备使用寿命，引导维修人员适时地更换零部件，防止欠维修和过维修，降低设备维修成本，起着重要的作用。

5、便于对设备进行精细化、数据化管理。液压系统的内泄漏信息中，包含着液压缸、液压马达内部密封件磨损、异常等信息，对于各类控制阀也包含着压力参数变化或控制阀体内部磨损异常等情况。坚持定期精密测定液压系统内泄漏参数，以此描绘出系统各支路制元件的劣化倾向性曲线，从整体上、从局部上综合把握液压系统的状态信息，并建立起一套全新的液压系统数据化管理平台非常有意义。

如图2所示为长期、连续测得某液压系统内泄漏曲线图，该系统在第十七次测得内泄发生跃变，说明该系统某支路内泄异常，需及时进行维修。

Claims (5)

1、 一种液压系统内泄漏的测量方法，其特征在于步骤依次为：

(1)利用液压系统中液压站或主压力管线上原有的液压蓄能器，或在系统中接入专用的测量用液压蓄能器；

(2)先测量蓄能器实际预充气体压力p₀，而有效气体容积V₀值可以根据蓄能器的说明书得到或实际测得；

(3)后让液压系统达到正常工作压力后，停止系统对外作功，关闭液压站工作泵，让蓄能器单独向系统供油，记下开始时间t₁，初始压力p₁，以及中间某一时刻t₂及压力值p₂；

(4)通过公式计算液压系统内泄漏量；

公式可以选用小孔节流公式计算法进行计算

$q=\frac{{2V}_0{P_0}^{1/n}[p_2^{-(2+n)/2n}-p_1^{-(2+n)/2n}]}{(2+n)(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

其中，q为液压系统的内泄露量；

n为理想气体状态方程常数；

P为系统压力；

公式还可以选用平均值计算法进行计算

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{V_0[{(P_0/P_1)}^{1/n}-{(P_0/P_2)}^{1/n}]}{t_2-t_1}$

其中，Q为液压系统的内泄露量；

n为理想气体状态方程常数。

(5)上述各方法计算出的液压系统内泄漏是在系统外泄漏为0的情况下测定并计算得出的，当系统外泄漏不为0时，需从计算结果中减去外泄漏量的大小。

2、 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述的小孔节流公式可以简化为：

等温状态下：

$q=0.667\frac{V_0{P}_0[p_2^{-1.50}-p_1^{-1.50}]}{(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

3、 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述的小孔节流公式可以简化为：

绝热状态下：

$q=0.5882\frac{V_0{P_0}^{0.7143}[p_2^{-1.214}-p_1^{-1.214}]}{(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

4、 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述的小孔节流公式可以简化为：

多变过程状态：

$q=0.615\frac{V_0{P_0}^{0.8}[p_2^{-1.30}-p_1^{-1.30}]}{(t_2-t_1)}\sqrt{P}$

5、 一种权利要求1的测量方法的应用，其特征在于：在液压系统方面进行数据化管理上应用。

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