一种非侵入式的轴向柱塞泵缸体动态特性测量方法

技术领域

本发明属于状态监测以及故障诊断领域，尤其是旋转类缸体的动态特性测量、工况健康监测以及故障诊断。具体涉及一种非侵入式的轴向柱塞泵缸体动态特性测量方法。

背景技术

为了满足智能化液压系统和元件的需求，轴向柱塞泵要求具有自我信息感知能力，以监测运行中的健康状况。另一方面，故障诊断也是轴向柱塞泵的一个重要研究领域。以往对轴向柱塞泵状态监测和故障检测的研究主要依靠壳体的振动信号，辅以压力信号和泄漏流量信号。然而，壳体的振动信号也会受到其他因素的影响。另外，故障信号只有通过不同的传输路径传输到壳体上才能被测量到，这就削弱了故障信号。因此，由故障引起的振动信号的微弱变化淹没在背景噪声中，给轴向柱塞泵的状态监测和故障检测带来了很大的挑战。由于故障信号传输路径短，且旋转组件相对于壳体的运动几乎不受外界环境的影响，所以旋转组件的运动行为能够更直接地反映泵的健康状况。因此，在实际系统中，对旋转组件的动态特性进行测量，是进行状态监测和故障检测的必要条件。

在前人研究中，在实际工作条件下，对缸体的动态特性进行了测量，对轴向柱塞泵的壳体甚至旋转部件进行了修改，以获得足够的信息。旋转部件的修改对缸体的动态特性有一定的影响。此外，利用测量点的平均油膜厚度研究了缸体的倾斜行为，但对其瞬态特性的研究还不够重视。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，发明一种新的非接触的测量监控方法，这种方法对泵的改动较少，通过信号提取方法，能够准确获得真实工况下测试泵的缸体平移以及倾斜运动信号。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种非侵入式的轴向柱塞泵缸体动态特性测量方法，具体包括如下步骤：

(1)采集轴向柱塞泵缸体的径向位移信号；轴向柱塞泵作为测试泵，将测试泵连接第一电机，由第一电机通过联轴器驱动，压力由测试泵出口管路中的节流阀控制，使用转速传感器同步测量测试泵的转速脉冲，采用两组涡流传感器分别采集测试泵缸体表面两个截面上沿X轴和Y轴的径向位移信号，具体为：依据转速脉冲信号换算为主轴的转角信号，依据主轴转角将转角信号以及位移信号按旋转周期拆分为若干个片段，然后每个片段的信号进行插值保证具有相同的数据长度。各个数据片段的位移数据按数据点进行平均，然后依据转角信号得到位移随旋转角度的变化关系，即可得到缸体旋转一周的径向位移信号。

(2)采集轴向柱塞泵缸体的轮廓信号；将测试泵连接第二电机，由第二电机通过减速器驱动，所述减速器为双出轴减速器，分别连接测试泵和编码器，避免测量测试泵转角时安装传感器产生的额外加工，编码器测量测试泵的转速脉冲，用于精确测试泵缸体的旋转周期，编码器具有零位信号，可以标记缸体测量轮廓的起始位置，通过两组涡流传感器采集缸体位移信号，减速后的柱塞泵缸体不会产生明显的倾覆，此时径向位移信号可视为缸体的轮廓信号。根据编码器测量脉冲，对涡流传感器采集得到的轮廓信号在每个旋转周期内重采样，使轮廓信号的数据长度与步骤(1)采集的径向位移信号的数据长度在每个周期内保持一致。

(3)通过基于特征极值的互相关方法计算得到径向位移信号与轮廓信号之间的延迟量，并通过移动轮廓信号实现径向位移信号与轮廓信号之间对齐。通过对齐后的径向位移信号与轮廓信号之间的差值得到缸体两个测量截面中心的位移。依据缸体两个测量截面中心的位移计算得到缸体的径向振动与倾覆特征。

进一步地，在测试泵壳体上加工四个螺纹孔用于安装涡流传感器，每两个涡流传感器作为一组，涡流传感器采用双螺母固定，防止在运行过程中松动。

本发明的有益结果是：

1、非接触的测量方法，减少试验设备对缸体运动的影响，保证真实的运动工况，可以用于实际工况的测量与监测。

2、通过信号提取方法，缸体真实位移信号精确剥离保证瞬态分析结果的准确性，测试准确性得到提高。

3、少量加工，直接在工作机上测试，使得测试简单，测试成本低。

4、利用该测量装置，可以进一步研究缸体在不同故障模式下的运动测量，并基于缸体运动信号进行在线故障检测。

附图说明

图1为测试泵缸体动态特性示意图；

图2为本发明方法测试原理示意图；

图3为缸体运动示意图；

图4为测量信号与轮廓信号示意图；

图5为测试结果示意图；

图6为缸体运动轨迹示意图；

图7为缸体的倾覆运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

测试泵如图1所示，采用的液压测试回路的示意图如图2所示，图2中，电机1、扭矩计2、联轴器3、测试泵4依次连接，所述测试泵4分别通过第二流量计9和过滤器10与油箱12连接，同时，测试泵4还通过控制阀6、第一流量计8、第二过滤器11与油箱12连接，压力传感器5采集测试泵4信号。温度调节器7与油箱12构成回路，控制系统采集扭矩计2、压力传感器5、第一流量计8、第二流量计9的信号对电机1、控制阀6和温度调节器7进行控制。信号采集系统采集测试泵4上的传感器信号。试验台主要由电机、测试泵、转速传感器、节流阀、电机连接双出轴减速器组成，减速器分别连接接测试泵和编码器。

具体测试步骤如下：

如图1所示，采用全局笛卡尔坐标系X-Y-Z，其原点位于花键副中心。Z轴与轴中心线重合，指向后端盖，Y轴从配流盘下止点指向上止点。轴绕Z轴逆时针旋转。本发明方法采用两组涡流传感器(S1和S2、S3和S4)测量缸体表面两个截面上沿X轴和Y轴的径向位移。四个涡流传感器安装在外壳上，制造了四个螺纹孔，并使用了双螺母固定，以防止涡流传感器在运行过程中松动。

采集轴向柱塞泵高速时缸体的径向位移信号。测试泵由电机通过联轴器驱动，压力由测试泵出口管路的节流阀控制，油液温度通过散热器进行控制，使用转速传感器测量转速脉冲，采用两组涡流传感器采集缸体表面两个截面上四组径向位移信号。对四组位移信号进行信号处理，以一组为例，首先依据转速脉冲信号换算为主轴的转角信号，依据主轴转角将转角信号以及位移信号按旋转周期拆分为若干个片段，然后每个片段的信号进行插值保证具有相同的数据长度。各个数据片段的位移数据按数据点进行平均，然后依据转角信号得到位移随旋转角度的变化关系，即可得到一组缸体旋转一周的径向位移信号。同理对其余三组数据进行处理，共得到四组缸体径向位移信号如图4所示，实线为一组缸体径向位移信号。

采集轴向柱塞泵低速低压时缸体的轮廓信号。通过轮廓信号标定方法得到精确的轮廓信号。测试泵由电机通过减速器驱动，所述减速器为双出轴减速器，分别连接测试泵和编码器，编码器测量测试泵的转速脉冲信号，通过两组涡流传感器采集缸体表面两个截面上四组径向位移信号。由于低速低压时，柱塞泵缸体承受的负载很小，不会产生明显的倾覆，此时径向位移信号可视为缸体的轮廓信号。同采集径向位移信号数据处理过程，共得到四组缸体轮廓信号。如图4所示，虚线为一组缸体轮廓信号。

由于编码器带有零位信号而转速传感器无零位信号，因此要对径向位移信号与轮廓信号进行对齐，通过基于特征极值的互相关方法计算得到径向位移信号与轮廓信号之间的延迟量，并通过移动径向位移信号实现径向位移信号与轮廓信号之间对齐。通过对齐后的径向位移信号与轮廓信号之间的差值得到缸体两个测量截面中心的位移。从测量的径向位移信号中去除轮廓信号得到缸体的测试截面中心o1、o2的实际运动特性，图5显示了缸体的测试截面中心的实际运动特性。

由于缸体与轴之间通过花键连接，缸体的运动分为围绕花键联轴器中心的平移运动和倾斜运动。如图3所示，缸体的运动由两个截面中心来描述。o10和o20分别代表o1、o2的初始位置。则花键副中心的平移位移可表示为

式中，x

缸体的倾斜方位角代表了配流副最小油膜厚度的位置。倾斜角和倾斜方位角可以表示为

式中，γ-倾斜角α-倾斜方位角。

根据得到的测量截面中心的位移，同时根据公式(1)(2)和(3)(4)，可以换算出花键副中心的径向振动与倾覆特征。花键副中心运动轨迹示意图如图6所示，倾覆特性倾斜角和倾斜方位角示意图如图7所示。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。