CN115200496A - 一种液压油缸缸体变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压油缸缸体变形监测方法，包括：将缸体的圆柱形外壁的侧面均匀划分为若干网格，每个网格处紧贴设有一个用于反射激光的贴片，正对每个贴片的中心固定距离外均设有一个无线激光传感器；利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变；将采集的每个网格的径向应变动态显示在显示屏上。优点：采用本发明液压油缸缸体变形远程监测的方法和思路，实时性好，抗干扰性强，可实现实际生产生活中远距离监测液压油缸的工作状态；基于多层圆周分布式的位移传感器构造，单个传感器损坏不影响整体运行；基于网格化的径向应变可视化图，使得监测更加安全、更加灵活、更加全面。

Description

一种液压油缸缸体变形监测方法

技术领域

本发明涉及一种液压油缸缸体变形监测方法，属于工程测量技术领域。

背景技术

在车辆升降机、超高压力液压系统等液压油工作介质领域中，对液压油缸缸体进行失效检测是在其设计和使用阶段的重要工作。目前，有许多关于液压油缸缸体失效检测的理论和方法，这些方法针对液压油缸缸体的失效检测在低成本、适用性、可靠性等方面均存在着一定的不足。

实际工作中，液压油缸缸体发生的应变也是其失效检测的一个重要指标。当因为压力过高、温度过高等工况引起液压油缸的变形、将引起液压油缸活塞的卡顿甚至卡壳。作为控制元件，液压油缸的失效将导致无法正确控制执行元件，这会给实际生产工作带来不可预知的危险，诸如无法结束回油工作、升降机机械臂在半空悬吊无法移动等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种液压油缸缸体变形监测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种液压油缸缸体变形监测方法，包括：

将缸体的圆柱形外壁的侧面均匀划分为若干网格，每个网格处紧贴设有一个用于反射激光的贴片，正对每个贴片的中心固定距离外均设有一个无线激光传感器；

利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变；

将采集的每个网格的径向应变动态显示在显示屏上。

进一步的，每个贴片正对面均有一个与其在同一高度、同一横截面上、同一直径的相对贴片。

进一步的，在利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变之前，还包括：

获取启动信号，通过无线方式将启动信号传输给每个无线激光传感器，以便无线激光传感器进行启动工作；

所述启动信号的发出条件包括：设在液压油缸端部的振动传感器检测到液压缸开始大于预设阈值的振动、或设在液压油缸端部的位移传感器检测到液压油缸的活塞杆产生位移、或现场工作人员按下总开关。

进一步的，无线激光传感器接收到启动信号后进行初始标定，包括：

(1)无线激光传感器接收到启动信号；

(2)比对无线激光传感器0s时刻发射激光后的缸体初始应变，其中，0秒时刻的贴片位置以出厂原始设置的标准为依据，T秒时刻的位置以实际测得位置为依据，根据0秒和T秒时刻的位置，计算出相应时刻的径向应变，T秒为无线激光传感器的激光发射周期；

(3)将每一对的贴片的径向应变进行相加，若每一对的贴片的径向应变进行相加的值位于预设的阈值范围之内，则标定无误，否则进行清洁或维护后再次进行初始标定，直到标定无误；所述每一对的贴片的径向应变指的是位于同一高度、同一缸体横截面上、同一直径相对的两个贴片的径向应变。

进一步的，所述利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变，包括：

在标定无误后，以T秒时刻测得的实际位置开始计起、每T秒时刻测得的实际应变为基础，依次累加得到当前时刻总的径向应变。

进一步的，还包括：

若某个网格处的采集的径向应变缺失，则利用线性插值方法补齐缺失的径向应变。

进一步的，将采集的每个网格的径向应变动态显示在显示屏上，包括：

将采集的每个网格的径向应变实时传输到可视化图形模型，得到可视化图形在显示屏上动态显示。

进一步的，还包括：

对采集的每个网格的径向应变进行分析，得出液压油缸的工作状态，所述工作状态包括：无应变、应变正常、应变较大、应变异常收缩、应变异常拉伸；

所述分析包括：以当前时刻总的径向应变以及预先设定的工作状态阈值范围确定当前的工作状态。

进一步的，通过蓝牙信号将每个网格的径向应变发送给现场控制模块，并通过现场控制模块处理后在现场显示屏进行显示。

进一步的，现场控制模块通过WIFI信号将每个网格的径向应变发送给管理车间中央处理器，经中央处理器处理后在管理车间显示屏上进行显示。

本发明所达到的有益效果：

采用本发明液压油缸缸体变形远程监测的方法和思路，实时性好，抗干扰性强，可实现实际生产生活中远距离监测液压油缸的工作状态；基于多层圆周分布式的位移传感器构造，单个传感器损坏不影响整体运行；基于网格化的径向应变可视化图，使得监测更加安全、更加灵活、更加全面。

附图说明

图1是液压油缸及测量装置本体示意图；

图2是贴片3×8分布情况示意图；

图3是激光式位移传感器原理示意图；

图4是无线通讯装置示意图；

图5是0s时液压油缸径向应变；

图6是0.2s时液压油缸径向应变。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种液压油缸缸体变形监测方法，包括：

将缸体的圆柱形外壁的侧面均匀划分为若干网格，每个网格处紧贴设有一个用于反射激光的贴片，正对每个贴片的中心固定距离外均设有一个无线激光传感器；

利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变；

将采集的每个网格的径向应变动态显示在显示屏上。

装置本体构造：

以某外径300mm、壁厚20mm、总高500mm的液压缸为参照，设计其固定装置及传感器圆周分布装置，如图1所示。

液压油缸由缸筒、缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成，因液压缸组成不是本设计重点，图1中仅画出了液压油缸缸体，未画液压油缸端面等，不影响对本设计的理解。作AB轴线与液压油缸外壁、靠近A点的交点A1点，以A1点作垂直于液压油缸断面直线，并以此直线为基准，展开液压油缸外壁，得到贴片分布如图2所示。贴片焊接于液压油缸外壁，用于反射激光传感器激光信号或与电感式传感器接头连接等。

基于每一个10×10mm的贴片，垂直于贴片表面且过正方形贴片中心点作轴线，以此轴线为基准，可在固定装置的相应位置上安装激光传感器，共需24个无线位移传感器。

为保证装置长期稳定运行，需要定期对液压油缸、固定装置及其连接件进行维修保养，同时应更换液压油缸密封件。

激光式传感器工作原理：

当按下启动开关或振动传感器感受到液压油缸振动后，24个无线激光传感器同时开始工作，每0.2s发射一次激光，并测得所发射激光发射至贴片并返回传感器接收器的时间。一个激光传感器0.2s间隔发射激光的示意图如图3所示。

图3中，点划线上方带箭头直线表示第一次发射路径，点划线下方带箭头直线代表第二次发射路径，两次路径的起始发射间隔为Δt，Δt＝0.2s。则应变

ε表示径向应变，△x表示差值，c表示光速，t₁和t₂表示相邻两个周期的时刻。

该时刻缸体外壁变形平均速度v为:

无线通讯装置搭建：

每个无线式位移传感器单独配置各自电源，并采用蓝牙通讯，与启停装置(包括振动传感器、总开关等)和控制芯片相连接。当位于液压油缸端部的振动传感器检测到液压缸开始大于阈值的振动、或当位移传感器检测到活塞杆产生位移、或当现场工作人员按下总开关时，传感器或总开关发射蓝牙信号至无线式位移传感器，无线式位移传感器接收蓝牙信号，闪烁灯光进行初始标定。初始标定正常，24个无线式位移传感器同时开始工作；初始标定异常，向装置控制芯片发送“初始标定异常”信号，蜂鸣器响，结束工作。以24个无线式位移传感器每个对应时刻传输的24个数据为一个数组，并通过蓝牙信号将该数组近距离传输至装置控制芯片，由装置控制芯片统一处理包含24个数据的数组，并将可视化的液压油缸缸体外壁应变结果通过LCD显示屏，展示给现场工作人员；同时，装置控制芯片通过WIFI信号，将数组远距离实时送至工厂管理车间的中央处理器，实现液压油缸使用人员与管理人员，同时对液压油缸径向应变的实时监测。进一步指出，因为蓝牙和WIFI都是双向传输，现场工作人员和管理人员可以通过按键控制装置，人工反馈是否做出相应调节；振动传感器和总开关也可以控制位移式传感器停止工作。

(4)数据可视化分析与处理：

以24个位移传感器某连续时刻反馈的数据为例，如表1所示。传感器编号为1至24，依次对应图2中的24个贴片，其中，1-8为第一行传感器，9-16为第二行传感器，17-24为第三行传感器。在第一行传感器中，传感器1与传感器5在液压缸内径的一条直线上，且位置相对。

本实施例中通过程序外嵌Origin软件进行绘图，输入矩阵数据，即可输出三维图片。以0s为例，绘图如图5所示；以0.2s为例，绘图如图6所示，颜色越深，说明应变的绝对值越大。图5和图6中，轴线方向对应图2的竖直方向，圆周展开方向对应图2的水平方向，三轴交点对应图2的A1点。现场工作人员和管理人员，根据应变颜色可以直观地感受到缸体各部分径向应变情况，可视化图形可以将颜色投影至垂直Z轴的水平面上；可以将图5或图6所示的底面转换为圆柱面，在圆柱面上通过标注颜色反映应变情况等，具有多种变体。进一步指出，传感器传输的液压油缸径向应变值总是相对于上一时刻的，各个传感器的应变值应是显示累加的结果。进一步指出，LCD显示板将根据各时刻径向应变累加值最大值否超过相应阈值、最小值是否低于相应阈值确定液压油缸的工作状态，包括“无应变”、“应变正常”、“应变较大”、“应变异常(收缩)”、“应变异常(拉伸)”等情形，可以及时避免活塞卡壳、密封失效导致漏油等现象。

表1位移式传感器某工况下传输的径向应变值(μm)

注：“-”表示径向压缩；“+”表示径向膨胀，可省略。

本发明具体工作实例：

基于图4所示的无线通讯装置，以户外某升降机正在使用液压油缸工作为例。当位于液压油缸端部的振动传感器检测到液压缸开始大于阈值的振动，或当位移传感器检测到活塞杆产生位移、或当现场工作人员按下总开关，传感器或总开关发射蓝牙信号至无线式位移传感器，无线式位移传感器接收蓝牙信号，闪烁灯光进行初始标定，同时开始工作。

以激光式传感器为例，无线式位移传感器每隔0.2s发射一次激光，并根据连续两次收到的激光信号，计算得到该次发射时刻后的Δx，即作为该时刻的应变。该时刻的24个应变统一通过蓝牙近距离传输至驾驶室的装置控制芯片，由装置控制芯片进行可视化处理与数据分析，得出液压油缸的工作状态。

当每个传感器总的径向应变值与0s时刻相同时，LCD显示板显示结果为“无应变”；当每个传感器总的径向应变值都在-450～400之间时，LCD显示板显示结果为“应变正常”；当任何一个传感器总的径向应变值在-850～-450或400～800时，LCD显示板显示结果为“应变较大”，此时液压缸仍可以正常工作，但应加强监测；当任何一个传感器总的径向应变值低于-850时，LCD显示板显示结果为“应变异常(收缩)”；当任何一个传感器总的径向应变值高于800时，LCD显示板显示结果为“应变异常(拉伸)”。表1中，LCD显示板从0.2s开始，显示相应结果均为“应变正常”，显示结果每0.2s更新一次。具体实例中，技术人员可以根据液压缸性能调整相应阈值范围，以当前时刻总的径向应变以及预先设定的工作状态阈值范围确定当前的工作状态。现场工作人员根据LCD显示板显示的工作状态进行相关按键操作，以达到控制液压油缸工作状态的目的，这会使液压油缸工作效率更高、寿命更长。当单个无线式位移传感器发生故障无法正常工作时，即装置控制芯片无法接收到位移传感器信号时，该点信号缺失，仍按线性插值方法补齐缺失数据，以构造网格化可视化缸体变形结果。

同时，装置控制芯片通过WIFI信号，将缸体径向应变结果实时传输至工厂管理车间，并进行存储，这些数据可用于管理人员实时监测工作场地现场状况并进行决策、故障分析、科学研究等。

初始标定的具体步骤：

初始标定也是本装置的重要步骤，将对检测装置的安全、稳定运行起到重要作用。初始标定的具体步骤如下：

(1)无线式位移传感器接收到启动信号，闪烁准备工作。

(2)装置控制器比对无线式位移传感器0s时刻发射激光后的油缸初始应变，其中，0s的位置以出厂原始设置的标准为依据，0.2s的位置以实际测得位置为依据，据此得到24组应变数据。出厂原始设置的位置标准，即无污染、无使用、无液压油缸缸体外壁轴线偏移等情况测得的标准位置。根据0s和0.2s时刻的位置，计算出相应时刻的径向应变。

(3)考虑到液压油缸受振动整体径向偏移、外壁表面污渍等情形，采用同一高度、同一截面上同一直径相对的两个传感器应变值相加的方式进行校核。无线式位移传感器1与无线式位移传感器5所测得的应变相加，无线式位移传感器2与无线式位移传感器6所测得的应变相加，无线式位移传感器3与无线式位移传感器7所测得的应变相加，无线式位移传感器4与无线式位移传感器8所测得的应变相加，无线式位移传感器9与无线式位移传感器13所测得的应变相加……依次类推，若相加值处于±100μm，则认为标定无误，应变计算从0.2s测得实际位置开始计起、0.4s测得实际应变为基础，依次累加获得。若相加值不在±100μm的范围内，则说明表面有较大污渍或凹坑、或偏移过大等现象发生，需要进行清洁或维护后正常即可继续使用。

本发明采用多层圆周分布式结构的位移传感器构造，以获得液压油缸外壁网格化的径向应变，所述分布式不仅局限于3×8式；径向应变数据处理将圆柱侧面转换为平面，结果网格化动态展现；通过焊接于液压油缸外壁上的贴片装置获取液压油缸外壁数据(贴片相对于油缸静止，可定期更换)，而非直接将激光发射至外壁表面或直接将电感式位移传感器线圈接触外壁表面；无线式位移传感器同时由各自电源、振动传感器和总开关等不同部件控制启停，实现多元控制，安全高效；工作后，单个无线式位移传感器损坏，不会影响整体液压油缸应变监测装置的运行；采用同一横截面上、同一直径上相对的两个传感器协同进行初始校核，并据此判断液压油缸缸体初始状态是否正常。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，包括：

将缸体的圆柱形外壁的侧面均匀划分为若干网格，每个网格处紧贴设有一个用于反射激光的贴片，正对每个贴片的中心固定距离外均设有一个无线激光传感器；

利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变；

将采集的每个网格的径向应变动态显示在显示屏上。

2.根据权利要求1所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，每个贴片正对面均有一个与其在同一高度、同一横截面上、同一直径的相对贴片。

3.根据权利要求1所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，在利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变之前，还包括：

获取启动信号，通过无线方式将启动信号传输给每个无线激光传感器，以便无线激光传感器进行启动工作；

所述启动信号的发出条件包括：设在液压油缸端部的振动传感器检测到液压缸开始大于预设阈值的振动、或设在液压油缸端部的位移传感器检测到液压油缸的活塞杆产生位移、或现场工作人员按下总开关。

4.根据权利要求3所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，无线激光传感器接收到启动信号后进行初始标定，包括：

（1）无线激光传感器接收到启动信号；

（2）比对无线激光传感器0s时刻发射激光后的缸体初始应变，其中，0秒时刻的贴片位置以出厂原始设置的标准为依据，T秒时刻的位置以实际测得位置为依据，根据0秒和T秒时刻的位置，计算出相应时刻的径向应变，T秒为无线激光传感器的激光发射周期；

（3）将每一对的贴片的径向应变进行相加，若每一对的贴片的径向应变进行相加的值位于预设的阈值范围之内，则标定无误，否则进行清洁或维护后再次进行初始标定，直到标定无误；所述每一对的贴片的径向应变指的是位于同一高度、同一缸体横截面上、同一直径相对的两个贴片的径向应变。

5.根据权利要求4所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，所述利用无线激光传感器和贴片采集每个网格的径向应变，包括：

在标定无误后，以T秒时刻测得的实际位置开始计起、每T秒时刻测得的实际应变为基础，依次累加得到当前时刻总的径向应变。

6.根据权利要求5所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，还包括：

若某个网格处的采集的径向应变缺失，则利用线性插值方法补齐缺失的径向应变。

7.根据权利要求1所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，将采集的每个网格的径向应变动态显示在显示屏上，包括：

将采集的每个网格的径向应变实时传输到可视化图形模型，得到可视化图形在显示屏上动态显示。

8.根据权利要求5所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，还包括：

对采集的每个网格的径向应变进行分析，得出液压油缸的工作状态，所述工作状态包括：无应变、应变正常、应变较大、应变异常收缩、应变异常拉伸；

所述分析包括：以当前时刻总的径向应变以及预先设定的工作状态阈值范围确定当前的工作状态。

9.根据权利要求1所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，通过蓝牙信号将每个网格的径向应变发送给现场控制模块，并通过现场控制模块处理后在现场显示屏进行显示。

10.根据权利要求9所述的液压油缸缸体变形监测方法，其特征在于，现场控制模块通过WIFI信号将每个网格的径向应变发送给管理车间中央处理器，经中央处理器处理后在管理车间显示屏上进行显示。

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