一种全电控挖机液压泵健康状态评价方法

【摘 要】挖掘机在日常作业过程中，由于机手操作不当使整机长期处于溢流、超温等不良工况，导致泵的剩余使用寿命受到影响，缩短了液压泵的使用周期。针对此类问题，文章提出一种全电控挖机液压泵健康状态评价方法。通过筛选各种可以影响泵使用寿命的性能指标，对液压泵剩余使用寿命进行综合评估，并最终以打分的形式展示，根据液压泵的打分情况来对泵的剩余寿命进行评估。当健康得分较低时，及时提醒用户进行液压泵故障检查或维修更换。

【关键词】全电控挖掘机;泵健康状态评价方法;性能指标

中图分类号：U415.511 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0042-03

The Utility Model Relates to a Health State Evaluation Method for Hydraulic Pump of

a Fully Electronic Control Excavator

【Abstract】In the daily operation process of excavator，due to the improper operation of the machine，the whole machine is in bad working conditions such as overflow and overtemperature for a long time，which affects the remaining service life of the pump and shortens the service life of the hydraulic pump. In order to solve these problems，this paper presents a method of health evaluation of hydraulic pump of full electronic control excavator. By screening various performance indicators that can affect the service life of the pump，the remaining service life of the hydraulic pump is comprehensively evaluated，and finally displayed in the form of scoring，and the remaining life of the pump is evaluated according to the scoring situation of the hydraulic pump. When the health score is low，timely remind the user to check the hydraulic pump fault or repair and replace.

【Key words】fully electronically controlled excavator;pump health state evaluation method;performance index

液压泵是液压系统的核心动力元件，它将发动机产生的动力转化为液压能驱动挖掘机各个执行部件，而液压泵的损坏会导致泵本身动力传递效率的降低，影响挖掘机的正常作业，因此开展液压泵健康状态检测的研究对其劣化判断并实现预测性维护意义重大。对于泵健康状态诊断的研究，有学者利用统计方法来分析故障数据中的隐含特征信息，实现对液压泵的剩余寿命预测，而随着人工智能技术的不断发展，也有很多学者通过人工智能相关技术实现基于数据驱动的液压泵剩余寿命预测，但是基于液压泵物理损坏机理的泵剩余寿命预测研究较少。本文基于液压泵故障损坏机理，筛选出与液压泵损坏具有强相关性的性能指标。同时，对超出规定阈值的指标进行实时检测，并进行损坏程度累积计算，以此量化液压泵的健康状态，实现液压泵故障提醒，以便进行维修保养。本文主要针对轴向柱塞泵进行分析讨论。

1 液压泵故障损坏机理分析

对泵的健康状态进行量化评估，首先需基于液压泵损坏机理进行分析，以最终确定能够表征液压泵受损程度的参数。影响液压泵的参数主要有泵运行时间、泵压、转速、油温。各参数对液压泵损坏的影响分析如下。

1）泵运行时间。泵运行时间越长，各部件的可靠性越低。部件间隙的增大和密封件损坏等因素会增大泵的泄漏量，从而造成容积效率降低。

2）泵压超过最大允许压力。当泵压超过正常的工作压力条件时，泵会处于超负荷工况。这将导致泵轴承、密封等部件磨损，进而使泵的泄漏量加大，增加泵的故障风险，同时也会使系统效率下降。

3）泵压低于最小允许压力。泵压低于最小允许工作压力条件，一般是因为泵在工作时无法获得足够的油液，导致较多空气混入油液中。这些空气在低于空气分离压时，容易从油液中析出，造成气蚀现象。

4）泵转速超限。转速低于最小转速会导致流体动力润滑失效;而泵转速过高则会增加部件间的剪切应力和离心力，且更容易产生气蚀现象，从而降低泵的使用寿命。

5）油温超限。油温过高会使油液粘度下降，导致油液润滑效果变差，加速泵内部元件的磨损。同时，高温会加速液压油氧化分解，导致油品质下降，影响泵的正常工作。

2 液压泵健康状态评价策略方案设计

2.1 性能指标选取

基于上文对液压泵的损坏机理分析，选取表1指标作为泵健康状态检测的性能指标。

2.2 泵健康状态评价

根据上述指标对液压泵损坏影响程度，赋予每种指标不同的影响权重因子，此时泵健康状态分数计算公式如下：

式中：N——泵健康分数，分数区间为[0，100]，分数越高说明液压泵的损坏程度越小;xi——不同性能指标的累计值;Ki——不同性能指标的影响权重因子。

本文综合考虑高负荷工况下各指标的超限累计时间以及累计积分量，并根据各个指标对液压泵健康状态的影响程度赋予不同的权重，综合量化液压泵的损坏程度。

如果挖掘机在液压泵出口处安装有流量计，则可以基于实际输出流量、泵排量和转速计算泵的实际容积效率。泵实际容积效率的计算公式如下：

式中：Qout——液压泵实际输出流量;Qideal——液压泵理论流量;q——液压泵排量;n——液压泵转速。

根据JB/T 7043—2006的规定，对于定量斜盘式柱塞泵，要求泵在额定工况下容积效率和总效率需要满足要求，具体要求见表2。变量泵可比相同排量的定量泵指标低1%。经过耐久性试验后，容积效率和总效率应不低于表2中规定数值的3%。

由于泵的容积效率是表征液压泵泄漏量大小的核心指标，因此本文选择容积效率作为液压泵失效的主要判断标准。如果液压泵处于额定工况下且泵压、转速趋于稳定达到2s，则计算这段时间内泵实际效率的均值。若该均值小于法规规定的数值，则判定泵大概率处于损坏阶段并进行预警。

此外，考虑到在正常作业过程中，额定工况所占时间较少，不一定能满足失效判定条件来进行数据采集。此时，泵健康状态评价性能指标可替换为容积效率低于参考数值的平均误差，其计算公式如下：

式中：ηhi——健康状态下液压泵的参考容积效率，泵健康状态下参考容积效率的计算基于该型号泵的台架测试试验数据，需要基于泵压、转速、排量百分比3个参数进行计算;ηai——当前计算得到的泵实际容积效率。

液压泵每工作30min会采集10s的泵压、转速、排量百分比数据，以此来计算健康状态下的容积效率。系统会计算这10s内泵实际效率低于健康状态下液压泵参考容积效率的所有采样点的容积效率平均误差。每次计算出的若大于3，则进行一次超限计数，当超限计数超出规定阈值，则同样判断泵处于损坏状态。

泵健康状态评价的整体实现方案如图1、图2所示。

3 策略结果验证

为了验证上述方案的可靠性，选取某20t级挖掘机进行挖掘测试，该挖掘机使用的是某最大排量为135mL/r的斜盘式轴向柱塞泵，参考使用寿命为10000h，选取其中450s的作业路谱数据作为测试数据。将该测试数据作为泵健康状态检测模型的输入，输入的参数为泵压、泵转速、液压油温，并判断当液压泵健康度低于90则进行预警。测试数据如图3所示。

由于整车未安装流量计，因此采用的是不搭载流量计的检测方案，泵健康状态检测模型基于MATLAB/Simulink进行搭建。搭建模型及最终测试结果分别如图4、图5所示。

由图5可知，挖掘机初始健康度为100，挖掘机整机作业46AACR5+aHF8ZxX9phLLmUg==50s后液压泵的健康度下降了0.000145，以此类推，液压泵作业10000h后健康度下降11.6，此时健康度低于90，需要提醒用户注意泵的维修检查和定期更换，具有一定的可靠性。

4 结论

本方案基于泵压、转速、油温、泵运行时间进行性能指标的提取，并进行累积存储。根据不同性能参数对液压泵损坏程度的不同影响，赋予不同的权重影响因子，通过打分评估液压泵的损坏程度，从而量化了液压泵的生命周期。同时，如果整机搭载了流量计，那么在稳定额定工况和非稳定额定工况下，可根据容积效率分别对液压泵进行健康状态评估，综合判断当前液压泵的健康状态。这对液压泵的健康状态评估以及更换维修提醒具有一定的参考意义。

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