智能检测方案助力液压系统预测性维护

编者按：2017年10月31日～11月2日，“PTC ASIA 2017 高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际展览中心举办。此次报告得到国际同业组织VDMA、国内外知名企业、业内专家和世界同仁的大力支持，我们深表荣幸并衷心感谢。

报告会现场观众踊跃参加、积极互动，让我们倍感欣慰，这一切都激励着我们继续努力，为流体传动与控制技术进步添砖加瓦，为世界流体动力产业发展贡献新的力量！

为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况，我们应大家诉求对专家的精彩报告进行编辑整理，陆续发表在2018年《液压气动与密封》杂志和微信平台上，供学习分享。 敬请关注！

PTC ASIA 2017高新技术展区现场技术报告 之十八

智能检测方案助力液压系统预测性维护

——据雅歌辉托斯液压系统（扬州）有限公司专家叶忠明报告整理

关于雅歌辉托斯

雅歌辉托斯液压是一家总部位于瑞士，欧洲工厂位于德国和捷克，亚洲工厂位于中国和印度，典型的关注于新技术开发以及应用、以客户为目标市场的中小企业。目前全球有1400多人，在德国和全球范围内积极努力工作，使产品更多地应用于工业4.0的场合、以及一些创新型的设计开发中。比如说我们在德国刚刚参加了“德工业4.0推广和典范”的一个企业活动，公司所在地区巴登-符腾堡州也是一个比较重视的创新型设计开发工业地区，前不久雅歌辉托斯成为“AllianzIndustry 4.0 巴登-符腾堡州100个示范点”比赛中的优胜者。同时，雅歌辉托斯液压在移动和工业液压系统的应用领域已经有超过70年的经验。

雅歌辉托斯液压系统（扬州）是雅歌辉托斯全球在中国的分公司。我们的产品组合在全球液压行业应用领域包括以下这几个部分：第一个是阀、阀组以及动力单元这一块；第二部分是过滤器，有相应的低压、中、高压过滤器，还有吸回油过滤器，还包括集成多种过滤器功能的集成油箱系统；第三部分就是我今天所要介绍的油液管理传感器部分。

◆预测性维护的必要性

如图1所见，从一般性的工业系统数据来分析的话，我们可以得到这样一个数据：80%的液压系统或者是设备的故障来源于润滑状态，比如说由于不恰当的润滑状态、或者是油液的污染（包括固体污染、液体污染）等等一些意外的因素导致主机停机、甚至核心零部件的失效，并因此会带来成本的损失。反过来也就可以说80%是可以通过前期预测和前期预见性维护来避免、或减少由于润滑问题而停机造成的损失。因为一套设备停机或者移动液压设备的失效可能会发生一些额外的成本：材料的成本、停机维修的停工时间成本、人工及误期成本等，这些都对设备使用率和项目整体成本影响非常大。所以从这方面出发，在这里跟大家介绍的就是我们如何在前期做一些预测性的维护。

图1 液压系统失效原因

◆液压系统污染来源

图2是液压系统里面的油液常见的污染源。有颗粒性的，比如橡胶老化的固体颗粒物、外界灰尘的进入系统，也包括一些无法避免的机械磨损也会产生固体颗粒，这些颗粒会造成核心零件在运动过程中划伤表面，最终造成失效的逐步放大，使得核心零部件被破坏，甚至造成整个设备停机。另外还有可能在装配、维修时的带入，也可能是时间长了冷却系统破损生锈，都会发生颗粒物的进入。此外，户外作业的设备有雨水混入，在设备的冲洗清洗过程中也会有水分混入到油箱中，形成对油液的一个污染发生。

图2 液压系统里面的油液常见的污染源

◆通过预测性维护降低运行成本

图3是我们应用部门提供的一个经验曲线，红色部分是常规的没有实施预测性维护的设备运行成本趋势，这样的设备会不可避免地出现一些意外停机或过度保养，造成降低使用率、维护成本持续地增加。而黄色部分是通过预测性维护方案的实施，我们看到在前期成本会有些提高，但是随着设备的使用、时间的持续进行，我们会发现，这个设备的维护成本、或者说整体的使用成本会大大降低，然后维持在一定的较低水平上。通过预测性维护，可以：①避免突发性停机时间；②提供设备利用率；③改善设备检修计划；④优化备件计划和库存；⑤延长设备使用寿命；⑥延长液压油更换周期；⑦提高设备和使用者的安全性。

图3 经验曲线

◆如何搭建预测性维护系统

雅歌辉托斯有三大类元器件来搭建预测性维护系统，见图4。第一类是OPCom系列-油液清洁度和磨损度检测，用来监测油液中固体颗粒物等级、油液清洁度；第二类是LubCos系列- 油品监测传感，比如说油液的老化，油液含水比率。比如在刚才提到的户外作业时下雨，或者是冲洗过程混入水分，水分混入以后甚至会造成油液的乳化，整个油液的润滑功能就完全失去了。第三类是LubMon系列–它是对传感监测到的数据进行显示和处理。

清洁度和磨损度检测油品监测传感数据显示和处理

图4 三个方面搭建预测性维护方案

前端的这两类传感器，我们称它们为智能化传感器，它会进行数据的处理，并把相应的数据通过存储与传输模块，传送到云端或者是设备的显示端，来实现数据或者状态的实时监控。

图5是关于一个在工业上的预测性维护方案的案例介绍，在设备前端安装有相关的传感器，实时监控液压系统里面的粘度、压力、清洁度等油品工作状况，通过PLC显示在设备显示器上；也可以通过网关把相应的数据传输到远程的联网计算机、智能手机，方便后面的服务团队、特别是液压系统专家在获取这些的信息后，根据他们对设备和系统经验、历史数据的统计分析，获得当前设备的使用状态，同时也设定一些报警点，一旦达到或者超过报警点，会发出一些状态指示。

图5 预测性维护方案的结构

另外，我们在移动液压设备上也可以实现同样的系统建立，比如在拖拉机、收割机或者挖机上面也可以建立一套这样的系统。现在中国的挖机有那么大一个市场，如果获取挖机的所有信息，形成大数据，进行大数据的分析，我们就可以了解挖机在区域性上的工作习性，设备的使用规律等等，甚至于对我们主机厂实现全国范围内的设备维修保养策略有非常重大的意义。

前面介绍了，在前端我们可以使用这些最底层的传感器，而且这些传感器被称为自动智能化传感器，是因为它们可以自己去学习，去进行数据的处理，比如说干扰项、干扰因素、干扰的外界工况，比如漂移的信号，它会自己去做相应的屏蔽、处理，然后把筛选的数据发到中层去管理，进行分散型的计算，最后形成一些有用的数据，这个数据最终被发给液压专家去分析系统行为以及设备状态，充分地保证提供信息的准确性、有效性和目标性。液压专家们将通过这些信息最终来规划或者来制定设备的维护策略。这时候，就是一个完整的预测性维护策略建立起来了。

◆主动式预测性维护

在以前设备的维护是被动式的。什么叫被动式的，有两个表现：第一，某个设备一直在使用，直到停机了，死掉了，才发现原来有个阀被卡住了，油液太脏太多颗粒物；或者可能有一台主泵由于水分过多造成油液乳化不能润滑而磨损甚至卡死了，在这样的情况发生停机，需要维修人员来现场，拆卸后发现哪些零部件需要更换，然后再去采购原备品备件，最后进行维修，这是一个较长的周期，往往这样的故障会让用户很头疼。

后来有部分用户形成一个周期性的维护，比如三个月就换一次备品备件，一个月就换一次油，这个是固定式的。不管它坏还是没坏，都要去做这个事情。这是预防性的措施，是可以来预防设备发生意外的失效，但是同时它也带来了成本的浪费，因为好多情况下是没达到使用寿命之前就过度地进行了维护保养。经济上不是最优选择。

现在我们提倡的预测性维护是主动式的，在设备的使用过程中，它实时地反映了设备的状态，油液是个什么状态？油液清洁度是一个什么状态？我们实时地去获取它的信息，然后在该保养的时候去保养，而不是提前过度保养，或者是直到停机、发生损坏失效了，我们再去保养，并在正确的时间提前发出报警通知信息。这将会大大地降低零件的意外破坏的可能，提高设备的使用率，延长设备的使用寿命，而且对备品备件的库存策略会有一个更好的优化依据。

三大类元件应用案例

◆磨损度传感器

磨损度检测原理。对于细小颗粒：检测出颗粒信号持续升高，达到最高极限时自动断磁，然后释放颗粒，见图6。正常工况下，这条曲线的周期是固定不变的，当升高至极限的频率增加，就说明了颗粒物浓度在增加。传感器自己去探测这个颗粒的浓度增加以后，会把相应的信号发到后台那边去，那就是在设备的终端、或者是在云端获取数据以后，就知道设备的机械磨损在增加，通知到系统专家去分析发生的原因，并预防这个事态的进一步严重化。

图6 磨损度传感器

还有一种现象，如果出现一些大颗粒，如图6右侧这样的一个曲线的话，这是因为在油液里面发现一些大型的颗粒，就不属于正常磨损的细微颗粒。出现这种曲线是因为发生了一些不正常的磨损，那我们就要及时去检测设备是不是发生了一些什么意外的故障，这样可以避免磨损或者意外逐步地在扩大，可以降低设备受到损害的严重度。

目前在一些矿卡、大型的卡车设备，都已经用磨损度传感器，用来监测变速箱、齿轮箱里面的磨损。另外，由于风力发电设备地处偏远，又是高空作业，进行周期性、经常性的维护保养需要非常高的成本运行，如果发生一些意外，处理起来就更近的麻烦。那就非常有必要去做远程监控，安装一些磨损度、清洁度的传感器，和油液状态的监控传感器，实时地去监测设备和油液的使用状况，从而避免意外事故的发生。

◆清洁度检测仪

磨损度传感器是监测磨损下来的金属颗粒，而清洁度传感器是监测全颗粒的，可以监测所有颗粒，包括液压系统金属颗粒和非金属颗粒，因为这些颗粒都会是系统失效的潜在因子。图7是安装在移动液压设备上监控清洁度等级的一个应用案例。我们监测到它的颗粒度突然飙高，这种意外的数据升高，往往都是系统或者零件内部发生了不正常的现象，后来客户现场去检修分析看这台设备，发现了是其中一个主泵出现了一些过度磨损。

图7 移动液压上监控清洁度

同时，油液清洁度可以在后台实时看到。在锻压机等大型设备上做一些实时的清洁度等级监控，是非常有效，且较高经济可行性的方案。或者，在使用过滤小车给液压系统的油液进行一些清洁的服务处理的过程中，我们也可以实时地看到系统的油液清洁度等级优化结果。

对于移动液压等户外作业的场合，我们有离线的、便携式的清洁度检测设备，同时我们也有实验室级别的颗粒度检测仪OPCount系列，这个系列产品为8通道检测仪，它精度相对来说要高得多。

◆油品管理传感器

LubCos系列是开发用于监测油品的状态传感器产品。可以实时检测到油液的温度、压力、粘度、相对湿度和介电常数等一些参数，通过这些参数综合地反映了油液的状况。

图8的参数曲线就是一个实用案例验证了预测性维护策略的优势。原先这个客户为防止出现设备意外停机的发生，采用的是定期性维护策略，在设备工作2000小时，必须进行整体的换油，这是一个必定发生且定期的成本开支。那么2000小时是不是真的到了油液老化的状态呢？后来我们在这套设备上安装了油液检测系统，在运行过程中持续监测，发现换油时间实际上是可以从2000小时延迟到5000小时。对于这种大型的液压系统，对油液的节省会明显超过在前期投入的成本。这个就是预测性维护系统的建立给我们设备维护保养带来的一个明显的、直接的好处。

图8 LubCos Vis+刹车系统油液老化监测

图9是在上述提到设备上同时安装的一个水分检测仪，因为在户外作业担心水分的进入。图中曲线在运行到3375小时后，突然发生突起拐点，说明了此时发生了油液中混入一定量的水分。系统此时会根据设置点，发出报警信号，需要立刻对油液进行除水处理。后面在对油液完成除水作业之后，油液中相对含水率又回到了合理的一个状态。这样就提前避免由于混入水分让油液失去应有的润滑等特性，最后造成意外的损坏或者是意外停机故障。

图9 LubCos H2O+II 刹车系统油液水分监测

总结

●通过使用智能传感器的预测性维护，可有效的降低总体成本

●设备状况变化的早期发现

●远程监控与数据处理，可直接进行设备运行状况分析

●自动化数据处理和信息通讯

●设备维护策略的优化

该文刊登于我刊2018年第9期

本刊编辑 张婷婷整理

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