劉佳敏，魯 濤，任雪嬌

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

0 引言

液壓系統(tǒng)具有功率密度大、調(diào)速范圍寬、對復(fù)雜工況適應(yīng)能力強的優(yōu)點。因此在大多數(shù)重型工業(yè)設(shè)備及農(nóng)業(yè)機械中，動力傳遞主要由液壓系統(tǒng)完成。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力元件，它的工作條件最為惡劣。對液壓泵進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是保證液壓系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵[1]。斜盤式軸向柱塞泵由于傳遞功率大，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械設(shè)備中。在柱塞泵所有故障類型中，配流盤磨損所占比例最高。因此，本文針對液壓設(shè)備中軸向柱塞泵配流盤磨損故障的診斷進行了研究。

監(jiān)測信號是故障信息的載體，其可靠程度直接影響信號處理流程，進而影響故障診斷及決策結(jié)果。目前，液壓系統(tǒng)常用的狀態(tài)監(jiān)測信號源主要有壓力、流量、溫度、殼體振動、聲音、電機電流以及油液清潔度等。從諸多信號中尋找并開發(fā)出適合液壓設(shè)備故障診斷需要的創(chuàng)新方法變得越來越重要。近年來，基于瞬時轉(zhuǎn)速信號的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方法在故障診斷領(lǐng)域取得了重大的進展。2018 年江蘇大學(xué)的李仲興等[2-3]人以轉(zhuǎn)速信號為監(jiān)測對象，運用階次自分離方法對蘊含在非正常波動成分中的故障信息進行分析，提取出了表征輪轂電機漏電故障狀態(tài)的特征。除此之外，西安交通大學(xué)的李兵等[4-5]、趙明等[6-7]將提取出的瞬時轉(zhuǎn)速信號分別應(yīng)用于多級齒輪箱、行星齒輪箱的故障診斷中。

瞬時轉(zhuǎn)速波動分析方法已廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷中。液壓設(shè)備信號在采集中往往會受到背景環(huán)境強噪聲影響，采集到的信號含有窄帶脈沖和隨機噪聲，這對有用信息的特征提取帶來了較大影響[8]。如何實現(xiàn)瞬時轉(zhuǎn)速波動信號中各分量即時振幅、頻率和相位的無偏定量提取是亟待解決的問題。本文提出采用無為原理的轉(zhuǎn)速信號處理方法，實現(xiàn)柱塞泵配流盤磨損故障的診斷。

1 故障機理分析

當(dāng)柱塞泵工作時，電動機通過傳動軸帶動缸體旋轉(zhuǎn)。配流盤和斜盤固定不動。由于斜盤傾斜一定的角度，當(dāng)傳動軸轉(zhuǎn)動時，柱塞一方面隨缸體繞主軸的軸線作旋轉(zhuǎn)運動，一方面沿著自身軸線在缸體內(nèi)作往復(fù)運動。柱塞腔內(nèi)的容積不斷變化，從而完成吸、排油過程。柱塞每往復(fù)運動1 次，即缸體旋轉(zhuǎn)1 周，泵完成吸、排油1 次。柱塞腔內(nèi)容積的變化會導(dǎo)致流體內(nèi)部復(fù)雜的壓力變化，增大了泵內(nèi)氣體產(chǎn)生的可能性[9]。

配流盤在油液的配流過程中起著關(guān)鍵作用。長期高壓狀態(tài)使得配流盤的磨損故障通常發(fā)生在其內(nèi)外密封帶上。磨損導(dǎo)致配流盤與缸體的間隙變大，內(nèi)部泄漏量增多。當(dāng)泄漏達到一定程度時，就會引起排油區(qū)的油液向吸油區(qū)淹沒射流。當(dāng)柱塞每進行1次往復(fù)運動，即實現(xiàn)1 次吸排油過程時，就會引起1次射流沖擊。所以，其導(dǎo)致的沖擊頻率為[10]

式中：

fp——沖擊頻率，Hz；

ω——轉(zhuǎn)速，r/min；

z——柱塞泵的柱塞個數(shù)，個。

本文所用試驗平臺采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器配合使用測速齒盤，完成等角度的瞬時轉(zhuǎn)速測量。方形齒的測速齒盤在此實現(xiàn)鍵相時標(biāo)的作用，如圖1 所示。

圖1 鍵相時標(biāo)獲取示意圖

對于旋轉(zhuǎn)部件，在受到旋轉(zhuǎn)激勵時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)頻）同頻或者倍頻的響應(yīng)，而這些響應(yīng)與頻率和轉(zhuǎn)速結(jié)合起來，就形成了階次。階次是從激勵（轉(zhuǎn)速）角度來描述的，但又獨立于參考軸的激勵轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)速保持不變。因此，在進行瞬時轉(zhuǎn)速波動信號分析時，將頻率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的階次來進行說明。旋轉(zhuǎn)軸的時間位移曲線如圖2 所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸的時間位移曲線

2 瞬時轉(zhuǎn)速信號的處理

2.1 無為原理

式中：

“-”——共軛；

τ——時間因子；

——頻率因子；

ψ（τ，）——標(biāo)準(zhǔn)時頻變換的核函數(shù)。

如果時頻變換核函數(shù)的傅里葉變換：

滿足式（4），則把這種線性時頻變換定義為標(biāo)準(zhǔn)時頻變換（NTFT）[11]。式中，i表示虛數(shù)。

式中：

“ ^ ”——傅里葉變換算子；

“||”——取模。

NTFT 的典型核函數(shù)表達式為式中，是NTFT的時頻分辨率調(diào)節(jié)器，是一個實函數(shù)，也可以是不為0的任意數(shù)值或表達式；當(dāng)時，時頻變換方式就是標(biāo)準(zhǔn)Gabor變換；w（t）為窗函數(shù)，在NTFT的表達式中起著核心的作用。通常采用標(biāo)準(zhǔn)Gauss窗作為窗函數(shù)[12]，即

式中，σ＞0，表示窗寬參數(shù)。從而，標(biāo)準(zhǔn)Gabor變換對應(yīng)的NTFT核函數(shù)表達式為

根據(jù)信號的時頻分析結(jié)果，往往需要將有用的成分信息提取出來，完成頻域再到時域的變換，即傳統(tǒng)時頻變換的逆變換。柳林濤對標(biāo)準(zhǔn)時頻變換的逆變換進行研究時，發(fā)現(xiàn)了無為原理的存在。一個調(diào)和信號如下：

對該調(diào)和信號作NTFT，則滿足下式的2 個性質(zhì)：

對于實信號，首先通過歐拉變換將其轉(zhuǎn)化為復(fù)信號，然后再進行標(biāo)準(zhǔn)Gabor 變換。這種信號提取方法，稱為無為方法。

2.2 瞬時轉(zhuǎn)速信號的處理流程

1）瞬時轉(zhuǎn)速信號的獲取。傳統(tǒng)瞬時轉(zhuǎn)速計算方法，是以測速齒盤一個齒頂和齒根對應(yīng)于高電平和低電平的時間為一個方波周期，如圖3 所示。用M表示測速齒盤齒數(shù)，fs為高頻數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率，N表示電壓方波信號的一個高電平和低電平之間的采樣點個數(shù)，則傳統(tǒng)的瞬時轉(zhuǎn)速直接計算為

圖3 瞬時轉(zhuǎn)速計算示意圖

為了提高估計兩個相鄰脈沖之間時間間隔的精度，提出了一種簡單的過零插值算法來處理A/D 采樣的方波電壓信號。通過插值計算每個齒的時間，找到零點。

修正后的k齒時間間隔可計算為

式中：

y——電壓信號的幅值；

j——第k個方波周期的總采樣點數(shù)；

j和j+1——最接近過零處相鄰采樣點的序列。

因此，修正后的瞬時轉(zhuǎn)速可表示為

2）瞬時轉(zhuǎn)速波動信號的獲取。柱塞泵瞬時轉(zhuǎn)速信號包含2 大部分：趨勢項和波動項，趨勢項反映系統(tǒng)的運行工況由動力源電機轉(zhuǎn)速決定，波動項是本論文研究的重點蘊含著泵內(nèi)部狀態(tài)信息。瞬時轉(zhuǎn)速波動信號的獲取流程如圖4 所示，具體步驟如下：

圖4 瞬時轉(zhuǎn)速波動信號的獲取流程

①利用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器采集柱塞泵輸入軸的瞬時轉(zhuǎn)速信息，得到原始電壓方波信號；②通過公式（12）得到瞬時轉(zhuǎn)速信號；③利用小波分解重構(gòu)去除瞬時轉(zhuǎn)速信號中的趨勢項，留下的即為瞬時轉(zhuǎn)速波動信號；④利用無為原理對瞬時轉(zhuǎn)速波動信號進行濾波處理；⑤分別對正常和故障工況的信號進行階次分析，得出故障診斷結(jié)果。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗平臺

如圖5 所示為試驗所用設(shè)備實物圖，可見磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的安裝位置。試驗臺是以變頻三相異步電機作為驅(qū)動源。傳動系統(tǒng)由軸向柱塞泵、液壓馬達和其他控制閥組成。主要元件的參數(shù)如表1所示。

表1 主要元件參數(shù)表

圖5 試驗設(shè)備實物圖

試驗臺液壓驅(qū)動部分為變量泵4、變量馬達11構(gòu)成的典型閉式液壓回路。其中，與變量泵同軸的補油泵5 是一個定量泵，當(dāng)閉式傳動系統(tǒng)壓力低于補油壓力時，補油泵會自動工作，通過補油單向閥7向低壓側(cè)補油，以保證傳動系統(tǒng)油路穩(wěn)定，同時補油泵為變量泵及變量馬達提供控制油，補油泵的作用非常重要，在實物中，補油泵通常與變量泵整合在一起。冷卻沖洗閥10 使回路中的部分油液流回油箱，起散熱的作用。電磁比例溢流閥8 的作用為設(shè)定閉式液壓回路的系統(tǒng)最高壓力，當(dāng)過載、系統(tǒng)壓力超過設(shè)定壓力時，高壓腔油液通過比例溢流閥溢流，起到安全保護作用。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器3 的作用為實時測定變量泵和變量馬達端所傳遞的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。組合傳感器9 可實時監(jiān)測系統(tǒng)壓力、流量、溫度等信號[13]。

試驗臺液壓加載部分為齒輪泵12、電磁比例溢流閥8 背壓模擬加載構(gòu)成的開式液壓回路。加載齒輪泵12 與閉式回路中的變量馬達11 通過可變慣量盤組以及制動器裝置剛性連接。通過控制比例溢流閥8 的輸入加載信號，使得齒輪泵12 出油口管路產(chǎn)生壓力，從而在馬達軸上產(chǎn)生加載力矩。電磁溢流閥13 在開式加載回路中起安全保護和設(shè)定系統(tǒng)最高壓力的作用[14]。

3.2 試驗結(jié)果分析

試驗用柱塞泵的柱塞數(shù)為7，測速齒盤的齒數(shù)為60。設(shè)定配流盤正常狀態(tài)下柱塞泵的工作壓力為10 Mpa，控制油液溫度為35±0.5℃，工作轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，對柱塞泵輸入軸瞬時轉(zhuǎn)速波動情況進行試驗測試。然后把正常元件換下，換上配流盤磨損的故障元件，進行相同工況實驗。

健康狀態(tài)的斜盤式軸向柱塞泵缸體、配流盤表面形位公差、表面粗糙度及其它零件均正常。柱塞泵配流盤磨損如圖7 所示。磨損的配流盤高、低壓腔間密封區(qū)之間的磨損量為15 μm，其他零部件正常。

圖7 柱塞泵配流盤磨損圖

如圖8 所示為正常工況柱塞泵轉(zhuǎn)速階次譜圖，可見正常工況下，階次譜圖的主要成分為瞬時轉(zhuǎn)速信號的1 倍頻，與理論分析相吻合。當(dāng)柱塞泵的配流盤發(fā)生磨損之后，故障工況柱塞泵轉(zhuǎn)速階次譜圖如圖9 所示，故障成分21 階次突出，該成分為柱塞泵柱塞數(shù)的3 倍，可用于配流盤磨損的故障識別與診斷。

圖8 正常工況柱塞泵轉(zhuǎn)速階次譜圖

圖9 故障工況柱塞泵轉(zhuǎn)速階次譜圖

4 結(jié)論

本文的目的是解決液壓系統(tǒng)中元件在變工況強噪聲背景下，故障診斷異常困難的問題。針對傳統(tǒng)振動信號對噪聲敏感、測點布置影響大以及傳遞路徑復(fù)雜等缺點，提出采用瞬時轉(zhuǎn)速波動信號 作為監(jiān)測量，獲取元件的狀態(tài)信息，提供了一種更合適的進行液壓設(shè)備變速情況故障分析診斷的方法。

為了對液壓柱塞泵的故障進行有效的診斷，論文提出了利用瞬時轉(zhuǎn)速信號作為信息源的診斷方法，通過階次域中的分析，驗證了無為原理作為預(yù)處理方式的有效性。結(jié)果表明，配流盤磨損故障對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)速波動的階次為柱塞個數(shù)的3 倍頻。