挖掘机液压油污染状态监测方法研究

朱江涛

(山西交通职业技术学院,山西 太原 030031)

液压挖掘机作为重要的基础建设的机械,在现代化施工中得到了广泛的利用。由于工作现场分散、工期紧、工况复杂、操作保养不当等因素导致挖掘机故障频发,其中70%以上的故障原因与液压系统有关。因此,建立挖掘机性能在线监测系统,为挖掘机的预防性保养和维修提供参考依据,是当前挖掘机生产厂商和专家研究的重要课题。

本文结合当前的移动液压系统动态数据采集技术,使用移动颗粒污染度检测仪,对挖掘机液压油中的固体颗粒进行检测,分析液压油的污染度等级,预测液压元件的实时磨损情况,找出提高液压系统的维护方法。

1 液压油污染源、等级及危害

1.1 液压油污染源

液压油的污染源主要可分为液压元件内部残留、内部生成及外界污染物等三部分[1]:元件内部残留物是指液压元件在制造装配时,残留在液压系统中的焊渣、切屑等;内部生成是指液压元件在使用过程中,元件相对运动而产生的磨损物;外界污染物是指液压元件在运输、存储或工作时,浸入到液压油中的空气、灰尘、水等。

1.2 液压油污染物的危害

液压油的污染物[2]主要以固态颗粒、水、空气等形式存在:固态颗粒能加快元件磨损、堵塞阻尼孔和过滤器,造成液压系统事故;水和空气会导致液压油性能下降,元件腐蚀,产生气蚀现象。

1.3 液压油污染度

液压油的污染度[3]是指单位体积液压油中固体颗粒污染物的含量,通常用质量污染度和颗粒污染度来表示。颗粒污染度等级可以通过ISO 4406、NAS 1638、SAE 7049D三种国际标准[4]来进行判定。ISO 4406:1987相当于我国的国家标准GB/T 14039-2002,采用三个代码表示液压油固体颗粒污染度等级,代码间用斜线隔开。三个代码分别代表每毫升液压,油中颗粒尺寸大于等于4、6、14μm的范围。ISO 4406污染度[5]等级代码如表一所示。

表1 ISO 4406油液污染度等级标准(1mL油液中的颗粒数)

2 检测原理[6-8]

试验选用的仪器是便携式遮光法颗粒计数器。颗粒计数器采用ISO11171/ISO4402规定的遮光法原理进行油液污染度检测,最小检测粒径可为1μm或4μm(C)。遮光法具有检测速度快、抗干扰性强、精度高、重复性好等特点,其测量原理如图1所示。

图1 遮光法颗粒计数器工作原理

激光发出的光通过透镜作用变成平行光束,光束穿过监测区后,由光电接收器接收。由于被测液压油中固体颗粒的挡光作用,光电接收器产生相应的脉冲信号。信号放大后,输入到处理器中进行计算分析,通过显示器来显示液压油的污染度等级。当污染度等级达到设定值后,报警器进行分级报警。报警器具有单参数和多参数阈值报警两种形式:单参数阈值报警是指监测到某一状态参数大于其对应的设定值时,报警器进行分级报警;多参数阈值报警是指多个状态参数按设定程序计算后的结果与标准值比较,报警器进行分级报警。

3 液压油测试条件

1)连续对同一台挖掘机的液压油污染程度进行检测,所用的时间较长,而且挖掘机工作场地随工程任务不断变换,造成跟踪困难。因此,笔者采用横向离散采样的策略,根据山西省内的现有条件,选择20吨级,同一品牌型号、工作环境类似的18台未更换液压油的挖掘机进行测试,并按挖掘机使用时间进行编号1-18。18台挖掘机在使用过程中,严格按照操作保养手册进行。其中,每500小时保养时,更换原装液压油箱通气口滤芯和液压油滤清器滤芯。

2)测试前,挖掘机在重载操作模式下,各工作装置做3个空动作,保证液压系统油液完全循环。

3)测试前,预热主机,将液压油温度维持在50±50C。

4)测试时,所有测试条件均在发动机最高额定转速下进行。

5)测试时,将颗粒计数器定位在一个安全且稳定的区域,尽可能接近系统的监测点。将减压阀的出液口与颗粒计数器的进液口与系统的监测点连接,将出液管接入回收器皿内。

6)根据挖掘机液压油传动路径,选择在泵的出油口为在线监测。所选挖掘机的主泵为前后两个变量柱塞泵串联而成,通过花键轴与发动机飞轮输出端的减震器相连,两个泵的结构相同。本次测试选择靠近发动机侧的泵油口进行监测。

4 测试结果及数据分析

4.1 测试结果

测试时,设置计数器检测间隔时间为30s,待计数器稳定后,记录颗粒值。每个部位测试三次,取平均值,并取整。表2为泵油口的颗粒物监测结果。

表2 泵油口的颗粒物监测数据(ISO4406)

4.2 数据分析

利用EXCEl工具,将表2中的数据转为图形格式如图2所示。

图2 泵油口的颗粒物数量

由图2可知,三条线段的变化趋势相同,表明此次试验数据可靠。按照曲线变化趋势,可按时间分为四个阶段:

1)第一阶段(0-500小时),颗粒物数量显著增加,表明液压油污染物增加,挖掘机正处于快速磨合期。4 μm与6 μm的颗粒数量多,表明液压油中污染物主要以小颗粒污染物居多。液压油的污染,主要来源于液压元件、管路、液压油自身和外界污染物。

2)第二阶段(500小时-1 000小时),颗粒物数量增加的趋势减缓,表明液压元件的摩擦副间隙逐渐趋于均匀,挖掘机进入磨合后期。

3)第三阶段(1 000小时-1 500小时),颗粒物数量基本不变,相对运动部件的间隙均匀,挖掘机进入平稳运行期。大颗粒物数量远小于小颗粒物数量,表明更换液压油箱通气口滤芯和液压油滤清器滤芯后,滤芯保持在高水平过滤效率。此时产生的大颗粒物,被分解或破裂成小颗粒物。

4)第四阶段(1 500小时以上),颗粒物数量大幅增加,挖掘机进入磨损期。此阶段液压油呈现老化趋势,运动部件的油膜被破坏,导致大量颗粒物产生,应经常监测液压油中颗粒物的含量,做好液压油更换的准备。颗粒物数量遵循近似线性的规律,利用EXCEl表对该阶段的三条曲线分别进行拟合,得出拟合曲线和相关度如图3所示。

(a)实测粒径≥4μm的颗粒数及变化趋势

(b)实测粒径≥6μm的颗粒数及变化趋势

(c)实测粒径≥14μm的颗粒数及变化趋势图3 液压油污染物中颗粒数及变化趋势

图中可看出,三条曲线的试验数据与拟合函数之间的吻合程度均在0.9924以上。通过拟合曲线得出颗粒数的计算公式:

(1)

式中

x-工作时间,单位为小时,x≥1 500;

y1-粒径大于等于4 μm的颗粒数;

y2-粒径大于等于6 μm的颗粒数;

y3-粒径大于等于14 μm的颗粒数;

y——液压油中颗粒物总数。

4.3 公式应用

查找该型号挖掘机的操作保养手册资料显示,主泵清洁度等级最低要求为ISO4406 19/18/15,或液压油总污染度达到20级时,应进行液压油的更换。则将主泵清洁度等级对应的颗粒数量y1≤5000;y2≤2500;y3≤320;y≤10000分别带入公式(1),计算得

X≤5048。

因此可得,挖掘机液压油的更换时间为5000h,与挖掘机的操作保养手册显示的液压油更换时间一致。

5 结论

通过移动液压系统动态数据采集技术,使用移动颗粒污染检测仪,可检测出液压油中颗粒物的数量,判断挖掘机的运行状况。通过检测液压系统主要工作部件,可以得出元件的磨损状况,为挖掘机液压元件的设计、操作维修人员进行维修保养提供理论依据。