液压系统非接触式压力检测研究

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工程机械是涉及机械、电子、液压等多种设备和结构的复杂装备，故障检测比较困难。液压系统作为工程机械的重要系统之-，其状态直接关系到工程机械能否正常工作。工程机械液压系统故障超过系统故障总数的1/3，在工程机械故障中占的比例最大，液压系统故障检测是工程机械故障检测中的重点。液压系统的故障定位需要很多的压力参数，从而能够综合分析出故障元件。传统液体压力检测方法需要感压元件和液体介质相接触才能实施检测，然而在液压系统故障诊断中临时安装压力表或压力器是十分困难的。非插入式液体压力检测技术有助于快速故障诊断的实现。

的重点均放在感压元件、传递元件和显示元件上。归纳起来 ，感应压力的元件有波登管、波纹管、膜片 、膜盒等，传递(转换)元件 的变换效应 已达数十种，如应变效应、压阻效应、电容变换、电感变换、涡流效应、霍尔效应、谐振原理、力平衡原理、压电效应、激光干涉原理、光纤变换等，而显示环节则经历 了机械式、数字化 和智能化三个发展阶段。

油液1 传统液压系统检测相关研究情况 图 传统的接触式液压测量方法原理图通常的压力测量方法是在被测点安装压力传感器。感应压力的元件直接与被测介质相接触，把压力值转换成电信号并与现场相适应的方式向外传输信号，包括有线和无线等传输方式。这种方法的优点是直接简单，传感器直接感受到压力的变化，测量的数据较为精确。

传统的压力检测的方法按敏感元件和转换原理的特性不同-般可以分为3类：液柱式压力检测方法、电气式压力检测方法和活塞式压力检测方法。压力检测方法属于接触式测压方法，其测量原理均可用图 1来表示。

无论是机械压力检测，还是电量电气式压力检测，研究上述测量方法在液压系统故障诊断中遇到严重挑战。

这是因为在液压系统的故障定位过程中临时需检测压力的部位较多，并且现在工程机械中的液压系统比较复杂，在这些部位安装压力表或压力传感器受到空间和系统布局的影响。在液压系统的液压油导管上开孔会使导管的强度大大降低，使系统的安全系数降低，在复杂的液压系统中安装测量装置是十分困难或不允许的，这就导致了液压系统接触式压力检测在使用中的困境。为了使压力检测的应用更加方便，范围更广，液压系统非接触式压力检测得到了快速发展。

作者简介：曹兴伟(1987-)，男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向为工程机械故障诊断。

· 6· htp：/ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.en《机械制造与自动化》· 机械制造 · 曹兴伟，等 ·液压系统非接触式压力检测研究2 非接触式检测研究现状2.1 传统非接触式液压系统压力检测目前，对非接触式测量方法的研究进行了许多艰辛的探索，也推出了不少产品。非接触式液压检测方法，是指突破传统接触式测压方法的思维模式，无需在管道上加工测量孔，安装压力检测仪器，就能在管外检测出管内液体压力的测量方法 。 。这种方法无论是用位移传感器还是用电容式传感器都必须配有专用夹具来固定。这种非接触式测量思路是液体压力作用于液压元件使其产生应变、位移等，这是整个测压序列的第-步。由材料力学会联想到在液压作用下钢管也会产生弹性变形，这样就可以利用已有的变换元件和知识元件，以实现液压压力检测的目的。这种思路是传统测压方法的衍生，根据液体压力作用下金属管道径向产生弹性变形，通过检测外部微小变形量即可计算出管道内部工作压力。

在工程机械液压系统通常工作压力范围0-25 MPa内，管道外径的变形量十分微校如对于外径为32 mm壁厚为5 mm的钢管，当内部油液压力达25 MPa时其外径变形量只有十几微米 。对于管道 的微小变形量 ，可采用各种成熟的传感器配专有夹具来检测。例如，可以采用线性可调差动变压器进行检测，也可以采用便携式电容传感器进行检测。弹性元件之所以发生变形是压力作用的结果。这种压力检测最常用的是弹簧管压力表。此类仪表对信号的响应速度是不高的，因此它只能用于静态测量和指示性测量。如由电阻式应变片组成的非接触式液压系统压力检测基本原理公式为：ZI/gx(1 )望 K (1)/，ze 。 p8式中： 为电阻的应变灵敏系数； 为材料的泊松比；p为电阻率。

计算电阻式应变片的电阻的变化通过转化即可求得液压系统管道内液体的压力。

2.2 超声波液压系统压力检测超声波检测在近几十年中得到了较大的进展 ，它已成为材料或结构的无损检测最常用的手段。超声波无损检测与其他常规技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确，检测灵敏度高、成本低，使用方便、速度快、对人体无害及便于现踌测等优点。几十年来，超声无损检测已得到了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。如作为基础工业 的钢铁工业，机器制造工业、锅炉压力容器有关工业部门、石油化工工业、铁路运输工业、造船工业、航空航天工业、高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业等重要工业部门 。尤其对裂缝自身高度的测量和高温条件下的非接触超声波检测等方面都有很大进展。利用超声波测量流速、流量的技术在医疗、供水、捧水、废水处理、电力、石油、化工、冶金、矿山、环保、河流、海洋等计量检测中有着广泛的应用，不仅可用于流体，液固两相流的测量，还可用于气体流量测量，Machine Building Automation，Jun 2013，41(J)：6～8，JD其研究已有数十年历史 。国内华中理工大学于 1993年研制成功了超声波多普勒智能流量计；本溪无线电-厂生产的多普勒超声波流量计是20世纪80年代定型的产品，用于供水和油田等诚；开封仪表厂能源部南京自动化研究所、长沙电子仪器二厂等生产厂家和研究单位均有相应的产品。

随着工业的发展，人们要求可以有更多的非接触式压力测量方法来满足实际应用中的需要，在这种情况下，近年来采用超声技术来检测压力的研究也有少量报道。随着超声波测量技术越来越成熟，这使得把超声波应用至液压的测量上将成为可能。

2.2.1 超声波测量原理超声波是-种频率接近或超过 20 000 Hz的机械振动。超声波液压系统压力检测是通过超声波仪探头产生和发射高频超声波到待检测液压系统中，利用超声波在同- 均匀介质中按恒速直线传播，而从-种介质传播到另-介质时，它会产生反射和折射的原理，再用探头接收这些反射、折射的超声波到超声仪，由超声仪放大显示在超声显示屏上 ，然后根据显示 的波形来判断系统 中油液的属性。超声波检测有高灵敏度、操作简便、探测速度快、成本低的优点 ，因此得到广泛应用 J。

超声波在流动的流体中传播时，可以载上流体压力的信息，而流体的压力可以通过接收到的超声波频率反映出来 J。因此，通过接收穿过流体的超声波频率就可以检测出流体的运动特性信息，从而换算成压力。

超声波测压仪的超声波收发器起着发射器和接收器的双重作用，收发转换器用来转换超声波的传播方向，-定时间间隔内使超声波按顺流方向发射，再经相同的时间间隔沿逆流方向发射。它采用-个声循环回路按时交替转换的分时方式，即超声波的发射∮收和电信号的发射、放大回路只有-组，在-定周期内交替转换超声波的发射∮收过程，使超声波的传播方向交替逆转，分别把对应的声循环频率用计数器技术，从而获得频率差。

2.2.2 超声波衰减测量法超声波在不同压力的流体中传播时，由于液体的内应力不同，会导致超声波有不同程度的衰减，可用相对声衰减法测得超声波幅值的衰减量，进而求得对应的压力。这种方法影响因素较多，还有待进-步研究。

2.2.3 消除管壁影响的测量方法超声波在气体和液体这样的流体介质中是以纵波的形式传播的，其传播速度与油液的压力成正比，其方程式为 ：v (2)式中： 为超声波在介质中的传播速度；K为介质的弹性模量；p为液压系统中液体的密度。

· 7 ·· 机械制造 · 曹兴伟，等 ·液压系统非接触式压力检测研究可知，超声波在介质中的传播速度与介质的密度和弹性模量有关。当流体介质受到的压力增高时，其密度增加，同时弹性模量也增加。这样当压力变化时会引起介质的两个物理特性发生变化，它们都会对通过其中的超声波速度产生影响 ]。同时产生影响的还有外界温度。据 比卡尔的研究成果及《声学手册》提供的实验数据，有以下几个结论：式(1)在-定温度下，声速随着压力的增高而线性地增加。其方程式为：三 p× (3)CO式中：C为液体中声速；C。为-个大气压下液体中超声波的传播速度；P为液体压力； 为比例系数。

超声波发射接收器 a超声波接收器b图2 超声波检测油液压力原理在图2中，探头a工作方式是发射脉冲，产生工作所需要的超声波，探头 b用于接收穿透管壁和液体介质后到达的超声波。设油管内径为 D、外径为 d。超声波从探头a发射到探头 b接收到穿透波的时间间隔为 t ，在声程为D的油液中传播的声时为 t，在声程为(d-D )/2的管壁中传播的声时为t，，系统延时为 t 。则有以下关系式：t1t2t3 (4)式中：t ，t 是与超声波在流体中的传播无关的时间量。

可以消除管壁影响的采用优化的方法是：改进发射探头同时作为接收探头接受由对侧管壁反射回来的超声波。

则时间公式如下：t22t2t3 (5)综合式(4)和(5)则可得出：t t2-t由式(1)和式(5)可得：(6) ： (7)t tl-t2因此，式(7)即为所要得到的超声波管外压力检测数学模型公式，利用这-公式，可以通过测量超声波在管道内传播时间的变化来推导出超声波在管道内的速度变化，从而确定石油管道内部压力的变化情况。在实际工作中，首先需确定超声波探头的特性参数。选用脉冲直探头，用夹具对称安装在管道的两侧。根据不同的介质和使用环境，需确定超声波的频率。频率高时，声束窄、能量集中，分辨率高；但衰减显著，特别是当检测表面粗糙时，由于散射大而不易射人。根据《声学手册》提供的资料，根据不同的环境以及工程机械液压系统工作条件而学则不同的· 8·超声波频率。

3 超声波液压系统压力检测方法的改进在超声波液压系统压力检测过程中，影响因素可以分为2种 ，1)是可以控制的因素包括检测系统的选用、检测过程中仪器的调整等；2)是不可以控制的因素包括由于现在的技术水平引起的测量误差。下面从可以控制的超声波因素进行研究。

超声波受到干扰的因素比较多。例如：环境噪声、温度、振动等。其中温度的影响又是-个比较重要的因素。

本文提出在超声波进行液压系统压力检测的过程中消除温度的影响。能够更加精确的测量液压系统压力具体的过程如下。温度变化时压力测量原理：设定压力为P，温度为某-特定温度 时的状态为初始状态，当进行测量的过程中由于系统的工作环境和工作状态发生了变化 ，温度和压力都发生了变化。当进行测量的过程中假设温度为 ，可以求出温度的变化量为：ZITT-To (8)在本文中提出传播时间修正量 f，时间修正的表达式为：，AtapflAT (9)式中 ， 为常数，同时提出测量多组数据 ，△f ，，△t ，然后求其平均值这样可以消除-次测量所带来的测量误差，使得到的修正误差更加准确。如式(10)所示：n∑Ati平均 (10)n在最终求出了平均修正时间以后就可以结合(3)和(7)求出最终的超声波传播速度，如式(11)所示：p- - - - (11)k co(tl-t2-At ) kco(t1-2± - )当被测液压系统温度升高时取-号，当温度降低时取十号。这样就可以更加精确的测量系统的压力。

4 展望由于影响被测压力和频率之间关系的因素很多，有系统压力、管道直径、壁厚和材料、液体种类、液压系统的震动和噪声等。这些影响因素都将会影响到超声波检测系统的精度〖虑到神经网络具有极强的非线性逼近能力，而且输入维数(中间量的个数)对基于人工神经网络的系统建模过程的复杂程度影响不大，因此可以选用神经网络来构建系统模型。随着科技的进步超声波检测技术也将会有更大的发展空间。液压系统非接触式压力检测朝以下几个方面发展。

1)随着计算机技术的发展 ，检测技术方法，检测仪器逐步向高、精、尖方向进步，超声仪器智能化、超声成像技术、雷达技术、红外线技术等应用更好更完善成熟。

(下转第 l5页)htp：∥ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.cn《机械制造与自动化》· 机械制造 · 李琳，等 ·新型三平动并联机床的运动分析理论值为47.124 mm，/s，最大线加速度为 74.021 mm/s ，理论值为74.022 mm/s 。该机床驱动杆的伸缩速度曲线连续并且非常光滑，说明该机床运动时的平稳性较好。

4 结束语奇异性是并联机床结构参数设计所需考虑的重要因素，而平稳性是衡量并联机床机构性能的重要指标。本文推导出该并联机床的雅可比矩阵，分析了新型三自由度并联机床的奇异性。运用 MATLAB软件求出该机床雅可比矩阵行列式的绝对值表达式，经分析得出I det(.，)l>0且I det(.，)I≠∞，即该机床不存在奇异形位，具有较好的可操作性；同时研究了该机床的平稳性，仿真出机床驱动杆的伸缩速度变化曲线，仿真结果表明该机床运动时的平稳性较好。