調壓閥液壓系統狀態監測與故障診斷技術研究

劉淵

摘要：隨著我國的經濟在快速的發展，社會在不斷的進步，研究調壓閥液壓系統狀態監測與故障診斷技術，選取液壓油油溫、液壓缸壓力、活塞桿位移、伺服閥控制電流、油液污染度等參數作為狀態監測參數，基于NIcRIO分布式實時控制系統對監測參數進行實時采集、顯示、記錄和報警，實現了對整個系統運行狀態的實時監測。通過提取和分析液壓缸壓力、位移信號和伺服閥控制電流信號的綜合特征，初步實現了對液壓系統關鍵參數的狀態監測和故障的快速診斷與定位。測試結果驗證了狀態監測和故障診斷技術的有效性和正確性。

關鍵詞：調壓閥;液壓系統;狀態監測;故障診斷

引言

礦井提升設備是煤礦生產中極為重要的設備，可以說煤礦的產量、人員安全升降及物質安全運送等都與該設備有關。與礦井提升機相配套的液壓站起著重要的作用，而液壓站中的核心部分就是電液調壓裝置。因為沒有電液調壓裝置的正確動作，提升機就無法動作，煤礦環境惡劣，電液調壓裝置使用率特別頻繁，因此對其可靠性的要求特別高。據了解，焦作礦務局使用帶電液調壓閥的液壓站近百余臺，在使用中技術人員和工人積累了較豐富的經驗，對液壓站出現的故障特別是電液閥出現的故障，都能較快、較好的排除。近幾年，焦作少數礦使用了帶比例溢流閥調壓裝置的液壓站，據操作司機反映，手柄向前推一段距離，油壓沒有反映，再向前推一段距離，油壓突然上升較快，整個操作過程有一種油壓上升前慢后快的感覺，操作不夠理想。故障率比電液閥明顯增多，而且出了故障不易排除。筆者和礦井提升機打了30多年的交道，對廠家所采用的新式閥類和液壓系統的改變都產生了濃厚興趣，并學習了有關液壓方面的資料，向廠家的科技人員學習了很多的知識和經驗。針對上述2種不同調壓裝置的使用效果，發表個人的淺顯看法，有不當之處，歡迎批評指正。

1工作原理

CDM液壓系統中，RV閥的工作原理是采用直動式壓力閥設計思想，密封形式采用閥針與閥座配合的硬密封結構。工作時液壓力直接作用在閥針上，工作壓力由閥針后的彈簧來調節。以CDM液壓系統中RV5為例，運用力學平衡原理和液流的連續性，來建立描述RV閥的動、靜態性能的數學方程。如圖1所示運動方向x為正方向，閥針的動力學平衡方程，即它的運動微分方程式可寫為： 式中：A為閥針流通截面積;x0為閥口開度為0時彈簧的預壓縮量;Ps為供油壓力;x為閥針位移;K1為彈簧剛度;Ks為穩態液動力系數Ks=2CdCvωcosθ;m為運動件質量;B為閥針運動的阻尼系數;G為閥針的重力;Ff為閥針與閥座間的摩擦力（N），閥口打開時取“+”號，關閉時取“-”號。液流的連續性方程可寫為： 式中：Qp為CDM液壓泵的供油流量;QL為通往系統負載的流量;Ql為從閥座底部經過閥體與本體間的O形圈到油箱所滲漏的流量;Q為通過RV5閥閥口的流量;Vs為閥針底部的受控壓力腔總體積;Eβ為液壓油的彈性體積模量。閥口的流量表達式為 式中：Cd為閥口局部流量阻力系數;ρ為液壓油的密度;ω=πd，d為閥口直徑。

2狀態監測系統的實現

2.1硬件系統的實現

硬件系統采用基于上、下位機的分布式結構。下位機系統位于試驗現場，其硬件平臺采用了NIcRIO系統。cRIO是一款堅固耐用、可重配置的嵌入式系統，主要由3個部分組成———實時控制器、可重配置的FPGA（現場可編程門陣列）機箱和工業級I/O模塊。其中：實時控制器為一個NI9022實時控制器，主要可靠而準確地執行LabVIEW實時應用程序，完成各種控制邏輯、控制信號的計算，采集的監測信號的計算和與上位機的通信。內嵌FPGA的可重配置機箱，機箱中的FPGA直接和每個I/O模塊相連，用來高速訪問I/O電路。I/O模塊主要用來對傳感器信號進行隔離、轉換以及信號調理，狀態監測系統共需要采集15路信號，其中14個模擬量信號通過2個NI9203AI模塊來采集，1個開關量信號通過一個NI9421DI模塊來采集。上位機位于測控大廳，下位機采集到的狀態監測參數通過以太網傳輸至上位機，在上位機的軟件中實時顯示記錄，完成各對狀態參數的實時監測。

2.2軟件系統的實現

液壓系統狀態監測系統的軟件采用面向對象的虛擬儀器開發平臺LabVIEW軟件開發，分上位機程序和下位機程序，其中：下位機程序在cRIO實時控制器和FPGA機箱中運行，主要完成所有狀態監測信號的采集、計算以及與上位機的數據傳輸工作。上位機程序在工控機中運行，與調壓閥控制系統、調壓閥自動排氣控制系統的控制軟件集成在一起，主要分為顯示模塊、數據記錄模塊和報警模塊：數據顯示記錄模塊的功能是對采集到的各狀態參數進行實時數據顯示和數據記錄;報警模塊的功能是對液壓油油溫和油液污染度進行超標報警，其中：油溫超過60℃時油溫信號報警，壓油過濾器前后壓差超過0.35MPa時油液污染度信號報警。系統軟件界面如圖3所示。狀態監測數據的分析計算采用MATLAB軟件編寫程序實現。

2.3狀態監測參數的選取

液壓系統的狀態監測需要根據系統的狀態特征，利用各種傳感器和檢測設備，對與液壓系統工作狀態緊密相關的各種狀態參數實施監測和記錄。為此，首先需要合理選定監測參數。監測參數既要能表征液壓系統的工作狀況，又要盡可能地多而全，為故障診斷提供冗余性、互補性、關聯性的診斷信息。選定液壓油油源壓力、液壓油油溫、油液污染度、液壓缸油壓、液壓缸活塞桿位移、液壓伺服閥的控制電流作為狀態監測參數。油源壓力是反映液壓設備工作特性的基本參數，表征著液壓系統帶負載的能力。液壓油需要在20～60℃正常的溫度范圍內工作，溫度信號的異常變化可以反映出許多故障特征，因此，系統需要實時監測油溫變化，并對超溫運行的液壓系統進行報警。液壓設備的故障60%～70%以上是由于油液的污染引起的，油液污染會引發液壓元件的多種故障，因此，需要實時監測油液污染度。液壓缸有桿腔和無桿腔的壓力變化可以表征出液壓缸進油、回油情況以及液壓缸活塞桿的運行情況，進而直接表征調壓閥閥芯的運動情況，因此，通過對液壓缸有桿腔和無桿腔壓力的監測，并配合活塞桿的位移信號，可以共同監測和判斷液壓缸、調壓閥閥芯的運行情況以及液壓缸的供油情況。調壓閥液壓系統利用液壓缸活塞桿的直線運動帶動調壓閥閥芯的上下運動，從而改變調壓閥的開度，實現對閥后空氣壓力的控制與調節。因此，監測液壓缸活塞桿的位移信號，可以實時觀測到活塞桿的運動狀態，進而監測到調壓閥的動作狀態。此外，通過活塞桿位移信號還可以感知液壓缸活塞桿爬行、動作不平穩、活塞桿或調壓閥閥桿卡滯等故障特征。

結語

RV5閥的動態和靜態性能分析同樣適用于RV1、RV2、RV3、RV4?，F將理論分析和實驗結果總結如下：（1）增加閥針和閥座的通油直徑、增加彈簧的預壓縮量都可以提高RV閥的定壓精度，減小閥的穩態柔度。實驗結果表明，閥針直徑過大不利于閥針與閥座密封性能，還會影響閥針移動的靈活性，因此一般情況下，可通過調節彈簧的預壓縮量來改善閥的定壓特性。（2）閥針移動時的摩擦力是影響RV機械死區的主要因素。實驗結果表明，在CDM液壓系統中，選用φ1～φ1.2的閥座通油小孔可有效地減小機械死區寬度。（3）由動態性能分析可知，擴大閥針底部的受控壓力腔總體積，有助于保持穩定的工作壓力，保證CDM液壓系統運行的穩定性和可靠性。

參考文獻

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[2]王少萍.液壓系統故障診斷與健康管理技術[M].北京：機械工業出版社，2013.