CN1227918A - 液压系统泄漏故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种液压系统泄漏故障诊断方法，属于通过检测压力容腔的压力波形诊断其泄漏故障的方法。根据液压流体力学，孔口瞬时流量与压力、等效液导之间存在变形柏努利方程，分别推导出存在外泄漏和内泄漏时，被检测液压元件流出的液压油的瞬时流量公式，再通过积分确定被检测液压元件容腔的累积流量，并利用额定流量等液压系统自身参数，诊断出泄漏故障。该方法无须对原有液压设备进行任何改动，即可对液压系统进行在线检测，检测成本低，精度高，提高了液压系统的工作可靠性。

Description

液压系统泄漏故障诊断方法

本发明涉及一种液压系统泄漏故障诊断方法，属于通过检测压力容腔的压力波形诊断其泄漏故障的方法。

液压系统中液压油泄漏故障是一种非常常见的故障，但目前许多液压系统是在没有任何工况监测手段的情况下进行的，所谓故障诊断只是由人工定时对预留工况测压点测压和定期拆卸维修。对系统的故障隐患不能及时发现，也就无法防止突发性故障的发生。特别是对于广泛应用于飞机、轮船、重型机械、以及其它大型生产线上的液压系统，一旦发生泄漏故障造成的后果将不堪设想。因此，液压系统能否正常工作，将影响整套设备和整个生产过程的可靠性。中国专利ZL96110683.2公开了一种《压力泄漏的测定方法》，有压力泄漏的被测工件从时刻t0到t1的压差曲线是在无泄漏时的曲线ΔP0上加上因压力泄漏引起的压差ΔP而得到的，压差ΔP的每单位时间变化量是一定的。从压力泄漏引起的压差曲线减去无泄漏时的压差曲线，则可求出因压力泄漏引起的压差ΔP的时效变化，该压差ΔP在从时刻t0到t1之间是线性变化的，所以，在时刻t0到t1之间能从压差ΔP的每单位时间变化量计算出压力泄漏的大小。该方法首先必须给被检测工件充入一定的气体，然后测量压力变化速度，因此，需要增加气体的注入与导出专用设备，检测成本高；由于加入的气体会严重影响液压系统的正常工作，根本无法实现在线检测。

本发明的目的是提供一种无须对原有液压设备进行任何改动，即可对液压系统进行在线检测的液压系统泄漏故障诊断方法，以降低检测成本，提高液压系统的工作可靠性。

本发明的目的是通过以下技术解决方案实现的。

一种液压系统泄漏故障诊断方法，根据液压流体力学，孔口瞬时流量与压力、等效液导之间存在小孔出油条件下变形的柏努利方程： $Q=G\sqrt{\mathrm{\ΔP}}---\left(1\right)$ 式中：Q为液体流过孔口的瞬时流量，G为孔口的等效液导，ΔP为孔口两端的瞬时压力差，其诊断步骤如下：

1)根据式(1)，推导出液压系统正常工作时，被检测液压元件流出的液压油的瞬时流量公式， $Q_1=G_{T1}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}---\left(2\right)$ 并由此得到累积流量公式， $Q_{\mathrm{ALL}}={\∫Q}_1\mathrm{dt}=G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$ 式(2)(3)中：

G_T1为与被检测液压元件排油管相接的控制阀的等效液导；

ΔP_BO为被检测液压元件排油端压力与回油压力之瞬时压力差；

Q_ALL为被检测液压元件在特定时间排出的液压油的累积流量，对于每一给定元件，在正常工作状态下，特定时间内的累积流量就等于该元件的额定流量Q_ACC。对于具体的液压系统，当被检测元件是油缸时，以其大腔或小腔的容积作为额定流量Q_ACC，当被检测元件是油马达时，以其每转排量与所转圈数的乘积作为额定流量Q_ACC；

2)根据式(1)，推导出存在外泄漏时，被检测液压元件流出的液压油的瞬时流量公式， $Q_1=G_{T1}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}+G_{T2}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}---\left(4\right)$ 并由此得到累积流量公式， $Q_{\mathrm{ALL}}={\∫Q}_1\mathrm{dt}=G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}+G_{T2}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}---\left(5\right)$ 此时被检测液压元件在特定时间排出的液压油总量就等于该元件的额定流量，即Q_ALL＝Q_ACC，则外泄漏油口的等效液导为， $G_{T2}=Q_{\mathrm{ACC}}/\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}-G_{T1}---\left(6\right)$ 式(4)(5)(6)中：

G_T2为被检测液压元件外泄漏油口的等效液导；

其它参数与式(2)(3)相同；

3)根据式(1)，推导出存在内泄漏时，被检测液压元件内泄液压油的瞬时流量公式， $Q_{\mathrm{in}}=G_{T3}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}---\left(7\right)$ 并由此得到内泄液压油的累积流量公式， $Q_{\mathrm{inACC}}={\∫Q}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}=G_{T3}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}---\left(8\right)$ 式(5)(6)中：

G_T3为被检测液压元件内泄漏油口的等效液导；

ΔP_AB为被检测液压元件进油端与排油端瞬时压力差；

Q_inACC为被检测液压元件在特定时间因内泄漏排出的液压油的累积流量；此时被检测液压元件在特定时间排出的液压油总量为，

Q_ALL＝Q_ACC+Q_inACC                   (9)综合公式(3)(8)(9)，得到 $G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}=Q_{\mathrm{ACC}}+G_{T3}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}---\left(10\right)$ 则内泄漏油口的等效液导为， $G_{T3}=\frac{G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}-Q_{\mathrm{ACC}}}{\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}}---\left(11\right)$

4)液压系统正常工作时，测量并记录被检测液压元件排油端压力与回油压力波形，利用公式(3)计算出控制阀的等效液导G_T1，此时内、外泄漏油口的等效液导G_T3、G_T2均为零；

5)检测时，测量并记录被检测液压元件进油端、排油端和回油压力波形，利用公式(6)、(11)分别计算出外泄漏油口的等效液导G_T2和内泄漏油口的等效液导G_T3；当G_T2＞0时，说明被检测液压元件已发生外泄漏；当G_T3＞0时，说明被检测液压元件已发生内泄漏。

所述被检测液压元件进油端、排油端和回油压力波形的测量与记录，是利用以压力传感器作为一次仪表的流体压力波形采集仪进行的。该采集仪采集速度快，精度高，成本低。

下面以动作油缸为执行元件的典型液压系统为例，结合附图对本发明进行详细论述。

附图为本发明液压系统泄漏故障诊断方法的原理图。

图中：P为油泵，为整个系统提供动力；L为动作油缸，是液压系统的执行机构；W为控制方向阀，用于控制油缸L的动作；T1为控制阀，用于调节油缸L的运动速度。

这个液压系统的泄漏故障主要发生在与动作油缸L相关的部位。动作油缸L的内泄漏，即油缸大腔A和小腔B之间的泄漏，相当于二油腔A、B之间连接有一个节流阀，图中用连接二者的节流阀T3来模拟；同理，油缸的外泄漏，如小腔B的外泄漏用图中所示的节流阀T2来模拟。

根据液压流体力学中，孔口瞬时流量与压力、等效液导之间存在柏努利方程为基础： $Q=G\sqrt{\mathrm{\ΔP}}---\left(1\right)$ 式中：Q为液体流过孔口的瞬时流量；G为孔口的等效液导，G＝K×A，K为孔口的流量系数，A为孔口的节流面积；ΔP为孔口两端的瞬时压力差，其诊断步骤如下：

1)根据式(1)，推导出液压系统正常工作时，油缸L小腔B流出的液压油的瞬时流量公式， $Q_1=G_{T1}\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{BO}}}---\left(2\right)$ 并由此得到累积流量公式， $Q_{\mathrm{ALL}}={\∫Q}_1\mathrm{dt}=G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$ 式(2)(3)中：

G_T1为与油缸L排油管相接的控制阀T1的等效液导；

ΔP_BO为油缸L排油端压力与回油压力之瞬时压力差；

Q_ALL为油缸活在特定时间内，也即塞杆从A端行走到B端，从小腔B排出的液压油的累积流量，在正常工作状态下，该特定时间内的累积流量就等于该元件的额定流量Q_ACC＝A_S×l，其中：A_S为动作油缸L小腔B的环行截面积，l为活塞杆的行程，则(3)式可表示为： $Q_{\mathrm{ACC}}=G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}---\left(3^{\′}\right)$

2)根据式(1)，推导出存在外泄漏时，油缸L小腔B流出的液压油的瞬时流量公式， $Q_1=G_{T2}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}+G_{T2}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}---\left(4\right)$ 并由此得到累积流量公式， $Q_{\mathrm{ALL}}={\∫Q}_1\mathrm{dt}=G_{T2}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}+G_{T2}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}---\left(5\right)$ 此时被检测液压元件在特定时间，即活塞杆行程l时间内，排出的液压油总量就等于该元件的额定流量，即Q_ALL＝Q_ACC＝A_S×l，则外泄漏油口的等效液导为， $G_{T2}=Q_{\mathrm{ACC}}/\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}-G_{T1}=(A_s\×l)/\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}-G_{T1}---\left(6\right)$ 式(4)(5)(6)中：

G_T2为油缸L小腔B外泄漏油口，也即模拟节流阀T2的等效液导；

其它参数与式(2)(3)相同；

3)根据式(1)，推导出存在内泄漏时，油缸L小腔B流出的液压油的瞬时流量公式， $Q_{\mathrm{in}}=G_{T3}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}---\left(7\right)$ 并由此得到内泄液压油的累积流量公式， $Q_{\mathrm{inACC}}={\∫Q}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}=G_{T3}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}---\left(8\right)$ 式(5)(6)中：

G_T3为油缸L大腔A和小腔B之间内泄漏油口，也即模拟节流阀T3的等效液导；

ΔP_AB为油缸L大腔A和小腔B之间的瞬时压力差；

Q_inACC为油缸L在特定时间，也即活塞行程l时间内，因内泄漏排出的液压油的累积流量；此时动作油缸L在活塞行程l时间特定时间内排出的液压油总量为，

          Q_ALL＝Q_ACC+Q_inACC                     (9)综合公式(3’)(8)(9)及Q_ACC＝A_S×l，得到 $G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}=A_S\×l+G_{T3}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}---\left(10\right)$ 则内泄漏油口的等效液导为， $G_{T3}=\frac{G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}-A_S\×l}{\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}}---\left(11\right)$

4)液压系统正常工作时，测量并记录动作油缸L小腔B压力与回油压力波形，利用公式(3’)计算出控制阀的等效液导G_T1；

5)检测时，测量并记录动作油缸L小腔B和大腔A的压力波形，利用公式(6)、(11)分别计算出外泄漏油口的等效液导G_T2和内泄漏油口的等效液导G_T3；当G_T2＞0时，说明动作油缸L已发生外泄漏；当G_T3＞0时，说明动作油缸L已发生内泄漏。并通过G_T2、G_T3具体数值的大小，对泄漏进行定量分析。

实施检测时，将回油压力也即背压设定为零，以简化诊断过程，因此只需测量油缸L小腔B和大腔A的压力。动作油缸L小腔B和大腔A的压力波形的测量与记录，是利用以压力传感器作为一次仪表的流体压力波形采集仪进行的。

当系统既存在外泄漏又存在内泄漏时，两个影响因素会互相干扰，使G_T2、G_T3互相抵消一部分，影响定量分析。但外泄漏、内泄漏影响相同，完全抵消，使G_T2、G_T3均趋近零的概率极小，因此，本发明液压系统泄漏故障诊断方法的漏检率非常低。即使出现外泄漏、内泄漏影响相同，完全抵消的情况，根据液压系统的非线形特征，只要改变液压系统的系统压力、或负载压力，则内泄漏与外泄漏的影响，就会一个变大，另一个变小，从而将它们分别识别出来。

本发明与现有技术相比所具有的优点在于：无须对原有液压设备进行任何改动，即可对液压系统进行在线检测的液压系统泄漏故障诊断，易于实施，检测成本低，便于大量推广使用。采用积分方法，检测精度高，漏检率低，提高了液压系统的工作可靠性。

Claims (2)

1.一种液压系统泄漏故障诊断方法，根据液压流体力学，孔口瞬时流量与压力、等效液导之间存在小孔出油条件下变形的柏努利方程： $Q=G\sqrt{\mathrm{\ΔP}}---\left(1\right)$ 式中：Q为液体流过孔口的瞬时流量，G为孔口的等效液导，ΔP为孔口两端的瞬时压力差，其特征在于诊断步骤如下：

1)根据式(1)，推导出液压系统正常工作时，被检测液压元件流出的液压油的瞬时流量公式， $Q_1=G_{T1}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}---\left(2\right)$ 并由此得到累积流量公式， $Q_{\mathrm{ALL}}={\∫Q}_1\mathrm{dt}=G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}---\left(3\right)$ 式(2)(3)中：

G_T1为与被检测液压元件排油管相接的控制阀的等效液导；

ΔP_BO为被检测液压元件排油端压力与回油压力之瞬时压力差；

Q_ALL为被检测液压元件在特定时间排出的液压油的累积流量，对于每一给定元件，在正常工作状态下，特定时间内的累积流量就等于该元件的额定流量Q_ACC；

2)根据式(1)，推导出存在外泄漏时，被检测液压元件流出的液压油的瞬时流量公式， $Q_1=G_{T1}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}+G_{T2}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}---\left(4\right)$ 并由此得到累积流量公式， $Q_{\mathrm{ALL}}={\∫Q}_1\mathrm{dt}=G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}+G_{T2}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}---\left(5\right)$ 此时被检测液压元件在特定时间排出的液压油总量就等于该元件的额定流量，即Q_ALL＝Q_ACC，则外泄漏油口的等效液导为， $G_{T2}=Q_{\mathrm{ACC}}/\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}-G_{T1}---\left(6\right)$ 式(4)(5)(6)中：

G_T2为被检测液压元件外泄漏油口的等效液导；

其它参数与式(2)(3)相同；

3)根据式(1)，推导出存在内泄漏时，被检测液压元件内泄液压油的瞬时流量公式， $Q_{\mathrm{in}}=G_{T3}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}---\left(7\right)$ 并由此得到内泄液压油的累积流量公式， $Q_{\mathrm{inACC}}={\∫Q}_{\mathrm{in}}\mathrm{dt}=G_{T3}\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}---\left(8\right)$ 式(5)(6)中：

G_T3为被检测液压元件内泄漏油口的等效液导；

ΔP_AB为被检测液压元件进油端与排油端瞬时压力差；

Q_inACC为被检测液压元件在特定时间因内泄漏排出的液压油的累积流量；此时被检测液压元件在特定时间排出的液压油总量为，

        Q_ALL＝Q_ACC+Q_inACC             (9)综合公式(3)(8)(9)，得到 $G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}=Q_{\mathrm{ACC}}+G_{T3}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}---\left(10\right)$ 则内泄漏油口的等效液导为， $G_{T3}=\frac{G_{T1}\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{BO}}}\mathrm{dt}-Q_{\mathrm{ACC}}}{\∫\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{AB}}}\mathrm{dt}}---\left(11\right)$

4)液压系统正常工作时，测量并记录被检测液压元件排油端压力与回油压力波形，利用公式(3)计算出控制阀的等效液导G_T1，此时内、外泄漏油口的等效液导G_T3、G_T2均为零；

5)检测时，测量并记录被检测液压元件进油端、排油端和回油压力波形，利用公式(6)、(11)分别计算出外泄漏油口的等效液导G_T2和内泄漏油口的等效液导G_T3；当G_T2＞0时，说明被检测液压元件已发生外泄漏；当G_T3＞0时，说明被检测液压元件已发生内泄漏。

2.根据权利要求1所述的液压系统泄漏故障诊断方法，其特征在于：所述被检测液压元件进油端、排油端和回油压力波形的测量与记录，是利用以压力传感器作为一次仪表的流体压力波形采集仪进行的。