朱江濤

(山西交通職業(yè)技術學院,山西 太原 030031)

液壓挖掘機作為重要的基礎建設的機械,在現(xiàn)代化施工中得到了廣泛的利用。由于工作現(xiàn)場分散、工期緊、工況復雜、操作保養(yǎng)不當?shù)纫蛩貙е峦诰驒C故障頻發(fā),其中70%以上的故障原因與液壓系統(tǒng)有關。因此,建立挖掘機性能在線監(jiān)測系統(tǒng),為挖掘機的預防性保養(yǎng)和維修提供參考依據(jù),是當前挖掘機生產(chǎn)廠商和專家研究的重要課題。

本文結(jié)合當前的移動液壓系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)采集技術,使用移動顆粒污染度檢測儀,對挖掘機液壓油中的固體顆粒進行檢測,分析液壓油的污染度等級,預測液壓元件的實時磨損情況,找出提高液壓系統(tǒng)的維護方法。

1 液壓油污染源、等級及危害

1.1 液壓油污染源

液壓油的污染源主要可分為液壓元件內(nèi)部殘留、內(nèi)部生成及外界污染物等三部分[1]:元件內(nèi)部殘留物是指液壓元件在制造裝配時,殘留在液壓系統(tǒng)中的焊渣、切屑等;內(nèi)部生成是指液壓元件在使用過程中,元件相對運動而產(chǎn)生的磨損物;外界污染物是指液壓元件在運輸、存儲或工作時,浸入到液壓油中的空氣、灰塵、水等。

1.2 液壓油污染物的危害

液壓油的污染物[2]主要以固態(tài)顆粒、水、空氣等形式存在:固態(tài)顆粒能加快元件磨損、堵塞阻尼孔和過濾器,造成液壓系統(tǒng)事故;水和空氣會導致液壓油性能下降,元件腐蝕,產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

1.3 液壓油污染度

液壓油的污染度[3]是指單位體積液壓油中固體顆粒污染物的含量,通常用質(zhì)量污染度和顆粒污染度來表示。顆粒污染度等級可以通過ISO 4406、NAS 1638、SAE 7049D三種國際標準[4]來進行判定。ISO 4406:1987相當于我國的國家標準GB/T 14039-2002,采用三個代碼表示液壓油固體顆粒污染度等級,代碼間用斜線隔開。三個代碼分別代表每毫升液壓,油中顆粒尺寸大于等于4、6、14μm的范圍。ISO 4406污染度[5]等級代碼如表一所示。

表1 ISO 4406油液污染度等級標準(1mL油液中的顆粒數(shù))

2 檢測原理[6-8]

試驗選用的儀器是便攜式遮光法顆粒計數(shù)器。顆粒計數(shù)器采用ISO11171/ISO4402規(guī)定的遮光法原理進行油液污染度檢測,最小檢測粒徑可為1μm或4μm(C)。遮光法具有檢測速度快、抗干擾性強、精度高、重復性好等特點,其測量原理如圖1所示。

圖1 遮光法顆粒計數(shù)器工作原理

激光發(fā)出的光通過透鏡作用變成平行光束,光束穿過監(jiān)測區(qū)后,由光電接收器接收。由于被測液壓油中固體顆粒的擋光作用,光電接收器產(chǎn)生相應的脈沖信號。信號放大后,輸入到處理器中進行計算分析,通過顯示器來顯示液壓油的污染度等級。當污染度等級達到設定值后,報警器進行分級報警。報警器具有單參數(shù)和多參數(shù)閾值報警兩種形式:單參數(shù)閾值報警是指監(jiān)測到某一狀態(tài)參數(shù)大于其對應的設定值時,報警器進行分級報警;多參數(shù)閾值報警是指多個狀態(tài)參數(shù)按設定程序計算后的結(jié)果與標準值比較,報警器進行分級報警。

3 液壓油測試條件

1)連續(xù)對同一臺挖掘機的液壓油污染程度進行檢測,所用的時間較長,而且挖掘機工作場地隨工程任務不斷變換,造成跟蹤困難。因此,筆者采用橫向離散采樣的策略,根據(jù)山西省內(nèi)的現(xiàn)有條件,選擇20噸級,同一品牌型號、工作環(huán)境類似的18臺未更換液壓油的挖掘機進行測試,并按挖掘機使用時間進行編號1-18。18臺挖掘機在使用過程中,嚴格按照操作保養(yǎng)手冊進行。其中,每500小時保養(yǎng)時,更換原裝液壓油箱通氣口濾芯和液壓油濾清器濾芯。

2)測試前,挖掘機在重載操作模式下,各工作裝置做3個空動作,保證液壓系統(tǒng)油液完全循環(huán)。

3)測試前,預熱主機,將液壓油溫度維持在50±50C。

4)測試時,所有測試條件均在發(fā)動機最高額定轉(zhuǎn)速下進行。

5)測試時,將顆粒計數(shù)器定位在一個安全且穩(wěn)定的區(qū)域,盡可能接近系統(tǒng)的監(jiān)測點。將減壓閥的出液口與顆粒計數(shù)器的進液口與系統(tǒng)的監(jiān)測點連接,將出液管接入回收器皿內(nèi)。

6)根據(jù)挖掘機液壓油傳動路徑,選擇在泵的出油口為在線監(jiān)測。所選挖掘機的主泵為前后兩個變量柱塞泵串聯(lián)而成,通過花鍵軸與發(fā)動機飛輪輸出端的減震器相連,兩個泵的結(jié)構(gòu)相同。本次測試選擇靠近發(fā)動機側(cè)的泵油口進行監(jiān)測。

4 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1 測試結(jié)果

測試時,設置計數(shù)器檢測間隔時間為30s,待計數(shù)器穩(wěn)定后,記錄顆粒值。每個部位測試三次,取平均值,并取整。表2為泵油口的顆粒物監(jiān)測結(jié)果。

表2 泵油口的顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)(ISO4406)

4.2 數(shù)據(jù)分析

利用EXCEl工具,將表2中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為圖形格式如圖2所示。

圖2 泵油口的顆粒物數(shù)量

由圖2可知,三條線段的變化趨勢相同,表明此次試驗數(shù)據(jù)可靠。按照曲線變化趨勢,可按時間分為四個階段:

1)第一階段(0-500小時),顆粒物數(shù)量顯著增加,表明液壓油污染物增加,挖掘機正處于快速磨合期。4 μm與6 μm的顆粒數(shù)量多,表明液壓油中污染物主要以小顆粒污染物居多。液壓油的污染,主要來源于液壓元件、管路、液壓油自身和外界污染物。

2)第二階段(500小時-1 000小時),顆粒物數(shù)量增加的趨勢減緩,表明液壓元件的摩擦副間隙逐漸趨于均勻,挖掘機進入磨合后期。

3)第三階段(1 000小時-1 500小時),顆粒物數(shù)量基本不變,相對運動部件的間隙均勻,挖掘機進入平穩(wěn)運行期。大顆粒物數(shù)量遠小于小顆粒物數(shù)量,表明更換液壓油箱通氣口濾芯和液壓油濾清器濾芯后,濾芯保持在高水平過濾效率。此時產(chǎn)生的大顆粒物,被分解或破裂成小顆粒物。

4)第四階段(1 500小時以上),顆粒物數(shù)量大幅增加,挖掘機進入磨損期。此階段液壓油呈現(xiàn)老化趨勢,運動部件的油膜被破壞,導致大量顆粒物產(chǎn)生,應經(jīng)常監(jiān)測液壓油中顆粒物的含量,做好液壓油更換的準備。顆粒物數(shù)量遵循近似線性的規(guī)律,利用EXCEl表對該階段的三條曲線分別進行擬合,得出擬合曲線和相關度如圖3所示。

(a)實測粒徑≥4μm的顆粒數(shù)及變化趨勢

(b)實測粒徑≥6μm的顆粒數(shù)及變化趨勢

(c)實測粒徑≥14μm的顆粒數(shù)及變化趨勢圖3 液壓油污染物中顆粒數(shù)及變化趨勢

圖中可看出,三條曲線的試驗數(shù)據(jù)與擬合函數(shù)之間的吻合程度均在0.9924以上。通過擬合曲線得出顆粒數(shù)的計算公式:

(1)

式中

x-工作時間,單位為小時,x≥1 500;

y1-粒徑大于等于4 μm的顆粒數(shù);

y2-粒徑大于等于6 μm的顆粒數(shù);

y3-粒徑大于等于14 μm的顆粒數(shù);

y——液壓油中顆粒物總數(shù)。

4.3 公式應用

查找該型號挖掘機的操作保養(yǎng)手冊資料顯示,主泵清潔度等級最低要求為ISO4406 19/18/15,或液壓油總污染度達到20級時,應進行液壓油的更換。則將主泵清潔度等級對應的顆粒數(shù)量y1≤5000;y2≤2500;y3≤320;y≤10000分別帶入公式(1),計算得

X≤5048。

因此可得,挖掘機液壓油的更換時間為5000h,與挖掘機的操作保養(yǎng)手冊顯示的液壓油更換時間一致。

5 結(jié)論

通過移動液壓系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)采集技術,使用移動顆粒污染檢測儀,可檢測出液壓油中顆粒物的數(shù)量,判斷挖掘機的運行狀況。通過檢測液壓系統(tǒng)主要工作部件,可以得出元件的磨損狀況,為挖掘機液壓元件的設計、操作維修人員進行維修保養(yǎng)提供理論依據(jù)。