基于特征參數(shù)和功率譜分析的液壓滑閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

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(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院， 湖北武漢 430033)

引言

液壓滑閥屬于液壓系統(tǒng)的核心控制元件，應(yīng)用十分廣泛，主要用于控制油路的通斷和改變油液的流動(dòng)方向[1-2]。液壓滑閥使用率高，開(kāi)啟頻繁，同時(shí)長(zhǎng)期工作在高溫高壓的環(huán)境， 這些因素都對(duì)密封面有著非常大的損傷，閥芯磨損會(huì)增大間隙，進(jìn)而增加滑閥和系統(tǒng)的內(nèi)泄漏量。內(nèi)泄漏的發(fā)生通常較為隱蔽，不僅影響系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)耗費(fèi)大量的生產(chǎn)資源，污染環(huán)境[3-4]。

傳統(tǒng)檢測(cè)滑閥內(nèi)漏的方法有兩種，采集流量和壓力信號(hào)對(duì)比分析，判斷有無(wú)異常下降的情況。兩種方法都屬于介入式檢測(cè)技術(shù)，即通過(guò)拆解液壓油路，將傳感元件直接接入油路進(jìn)行測(cè)量，此方法不僅步驟復(fù)雜，而且效率較低，操作中也存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。聲發(fā)射檢測(cè)屬于非介入式檢測(cè)的一個(gè)分支，在氣體和石油管道泄漏領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，但因涉及到內(nèi)部液體流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性以及固液耦合的信號(hào)衰減問(wèn)題，很少見(jiàn)到此技術(shù)應(yīng)用于液壓滑閥的泄漏檢測(cè)。本研究采用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)液壓滑閥內(nèi)漏，以5組不同間隙尺寸的滑閥為研究對(duì)象搭建內(nèi)漏實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在不拆解油路的情況下采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，從特征參數(shù)和波形分析兩個(gè)角度找出了內(nèi)漏信號(hào)和正常信號(hào)的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)了特征頻率隨滑閥內(nèi)泄漏量的偏移規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了滑閥內(nèi)漏的非介入式檢測(cè)。

1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

在材料變形、斷裂、液體泄漏時(shí)，能量會(huì)在故障點(diǎn)迅速釋放，產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，這個(gè)過(guò)程即叫做聲發(fā)射，通過(guò)專業(yè)儀器采集、分析信號(hào)，評(píng)價(jià)聲發(fā)射源位置、狀態(tài)等特征的技術(shù)即是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)[7-8]。當(dāng)滑閥中液體泄漏時(shí)，間隙中的液體會(huì)在前后壓力差的作用下高速噴射而出形成湍射流，與閥體相互作用形成波動(dòng)的壓力場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)[9-11]，內(nèi)漏模型如圖1所示。

圖1 滑閥內(nèi)漏模型

相比其他檢測(cè)方法，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；信號(hào)來(lái)自被檢測(cè)物本身；而且對(duì)構(gòu)件外形尺寸要求不高，能檢測(cè)形狀復(fù)雜的物體；不用很接近被檢工件，更加安全[12]。

聲發(fā)射信號(hào)分析方法分為特征參數(shù)分析和波形分析。特征參數(shù)分析是根據(jù)采集到的信號(hào)快速計(jì)算得到參數(shù)值，用于信號(hào)的初步歸納、整理、識(shí)別，通過(guò)對(duì)比分析找到能反映信號(hào)特點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)[13]，常用的特征參數(shù)如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)

波形分析可以對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面進(jìn)行特征提取，進(jìn)而找出故障源關(guān)鍵信息[14-15]。目前常用的波形分析方法有譜分析、小波分析以及分形理論等。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有5組液壓滑閥對(duì)基礎(chǔ)搭建聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖3、圖4所示。

圖3 滑閥內(nèi)漏聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1、3.油箱 2.溢流閥 4.液壓泵 5.單向閥 6.蓄能器 7.溫度傳感器 8.壓力傳感器 9.聲發(fā)射傳感器 10.泄漏裝置 11.量筒 12.前置放大器 13.數(shù)據(jù)采集卡 14.計(jì)算機(jī)圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備由湖南鵬翔電子科技有限公司提供，主要分為聲發(fā)射傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)分析軟件四個(gè)部分。傳感器型號(hào)為PXR03RMH，測(cè)量的頻率范圍為20～100 kHz。前置放大器采用PXPA5，放大增益40 dB。數(shù)據(jù)采樣頻率1.25 MHz，24為A/D轉(zhuǎn)換器。

泄漏實(shí)驗(yàn)測(cè)得的滑閥間隙和公稱壓力下的泄漏量如表1所示。

表1 滑閥泄漏實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用的液壓滑閥在出廠時(shí)規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)間隙，間隙在0.005～0.007 mm屬于正常，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，1～3號(hào)閥由于使用過(guò)程中的磨損間隙已經(jīng)超出了規(guī)定值，且泄漏量明顯大于4號(hào)、5號(hào)閥。

將5組滑閥泄漏量的實(shí)驗(yàn)值、AMESim仿真值、層流公式計(jì)算結(jié)果匯總?cè)鐖D5～圖9所示。

圖5 1號(hào)閥泄漏量-壓力曲線

圖6 2號(hào)閥泄漏量-壓力曲線

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相同壓力下，對(duì)于1～3號(hào)滑閥，層流計(jì)算得到的泄漏量與AMESim仿真得到的泄漏量大小基本相同，而通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的泄漏量明顯小于前兩者。前人研究表明，圓環(huán)縫隙內(nèi)液體發(fā)生湍射流時(shí)，實(shí)驗(yàn)泄漏量要明顯小于仿真和層流模型計(jì)算的泄漏量[16]。結(jié)合5組滑閥的間隙尺寸，可認(rèn)定1～3號(hào)閥屬于內(nèi)漏滑閥。

圖7 3號(hào)閥泄漏量-壓力曲線

圖8 4號(hào)閥泄漏量-壓力曲線

圖9 5號(hào)閥泄漏量-壓力曲線

在聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)溢流閥調(diào)節(jié)閥前端壓力至1 MPa，采集此狀態(tài)下的背景噪聲信號(hào)，隨后提高聲發(fā)射信號(hào)門(mén)檻，確定耦合狀況良好后開(kāi)始采集信號(hào)。通過(guò)溢流閥調(diào)節(jié)閥前端壓力，從1 MPa起逐步增加1 MPa，一直測(cè)量至12 MPa，存儲(chǔ)并記錄相應(yīng)壓力下的信號(hào)，1號(hào)閥測(cè)量完畢后對(duì)2號(hào)閥重復(fù)相同步驟，直至5組閥全部測(cè)量完畢。

3 特征參數(shù)分析

本研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是滑閥處于中位狀態(tài)下得到的，滑閥內(nèi)漏的聲發(fā)射信號(hào)屬于非平穩(wěn)連續(xù)型隨機(jī)信號(hào)，確保了信號(hào)采集的連續(xù)性。實(shí)驗(yàn)所用的PXR03RMH傳感器對(duì)噪聲信號(hào)不敏感，同時(shí)通過(guò)低噪音信號(hào)線(屏蔽線)和采集器連接，模擬濾波器低截止頻率20 kHz，高截止頻率100 kHz，這些措施均有效屏蔽了噪聲信號(hào)的干擾，確保了聲發(fā)射信號(hào)的真實(shí)性。

3.1 確定最佳測(cè)量點(diǎn)

在閥體表面選定了10個(gè)待測(cè)點(diǎn)，如圖10所示，在1 MPa壓力下采集信號(hào)，對(duì)比幅值域參數(shù)的大小，選定最佳的測(cè)量點(diǎn)。

圖10 判定最佳測(cè)量點(diǎn)

各點(diǎn)的幅值域參數(shù)如圖11所示，圖中：A為幅值(dB)，E為能量，N為振鈴計(jì)數(shù)，RMS為有效值電壓(V)，ASL為平均信號(hào)電平(dB)，t為上升時(shí)間(μs)，f為平均頻率(kHz)。

圖11 待測(cè)點(diǎn)幅值域參數(shù)

對(duì)于2號(hào)待測(cè)點(diǎn)，上升時(shí)間較短，說(shuō)明響應(yīng)速度最快，而其他各項(xiàng)幅值域參數(shù)均大于其他待測(cè)點(diǎn)，應(yīng)將傳感器設(shè)在此處采集信號(hào)，實(shí)驗(yàn)所用的滑閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 滑閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

在最后拆卸滑閥時(shí)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)點(diǎn)正是滑閥回油口(T)所在的位置，得到回油口處的聲發(fā)射特征信號(hào)強(qiáng)度最大，響應(yīng)速度最快。

3.2 壓力對(duì)特征參數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)中針對(duì)5組通徑16 mm的滑閥分別從1 MPa加壓至12 MPa，測(cè)量了聲發(fā)射特征參數(shù)，可以以壓力為變量，研究壓力對(duì)滑閥內(nèi)漏特征參數(shù)的影響規(guī)律，將5組滑閥的幅值域參數(shù)匯總?cè)鐖D13～圖16所示。

圖13 壓力對(duì)幅值的影響規(guī)律

圖14 壓力對(duì)振鈴計(jì)數(shù)的影響規(guī)律

圖15 壓力對(duì)有效值電壓的影響規(guī)律

圖16 壓力對(duì)平均信號(hào)電平的影響規(guī)律

根據(jù)特征參數(shù)參數(shù)變化趨勢(shì)，1～3號(hào)內(nèi)漏滑閥的各項(xiàng)參數(shù)值基本維持在同一區(qū)間內(nèi)，且變化趨勢(shì)基本一致，而4號(hào)、5號(hào)正?；y各參數(shù)值隨壓力的改變變化趨勢(shì)相同。幅度值、有效值電壓、平均信號(hào)電平這3個(gè)特征參數(shù)隨著壓力的增加都會(huì)在一定區(qū)間內(nèi)上下浮動(dòng)，但總體變化趨勢(shì)不明顯，不能反映壓力對(duì)特征參數(shù)的影響，而內(nèi)漏滑閥的振鈴計(jì)數(shù)隨壓力的增加有明顯的上升趨勢(shì)，2類滑閥的變化趨勢(shì)有明顯的差異，因此可以作為幅值域的特征參數(shù)來(lái)表征壓力對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)的影響，如果振鈴計(jì)數(shù)隨壓力的增加變化較大，則可初步判斷滑閥內(nèi)漏。

3.3 間隙高度對(duì)特征參數(shù)的影響

為得到滑閥間隙高度對(duì)特征參數(shù)的影響規(guī)律，整理測(cè)量的數(shù)據(jù)，滑閥在1～12 MPa壓力下的特征參數(shù)如圖17～圖20所示。

圖17 間隙對(duì)幅度值的影響規(guī)律

圖18 間隙對(duì)振鈴計(jì)數(shù)的影響規(guī)律

圖19 間隙對(duì)有效值電壓的影響規(guī)律

圖20 間隙對(duì)平均信號(hào)電平的影響規(guī)律

上述4幅圖中橫坐標(biāo)按照滑閥間隙高度的大小排序得到，其中2號(hào)間隙最大，4號(hào)間隙最小，橫坐標(biāo)由小到大呈遞增的規(guī)律。

隨滑閥間隙高度的變化，幅度值、振鈴計(jì)數(shù)、平均信號(hào)電平都有一定的波動(dòng)，不能很好的反映間隙的變化規(guī)律，內(nèi)漏滑閥(1～3號(hào))和正?；y(4號(hào)、5號(hào))參數(shù)與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系不一致。而內(nèi)漏滑閥的有效值電壓隨間隙的增加而增加，變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且這種關(guān)系對(duì)于正?；y也適用，故有效值電壓可以作為幅值域的特征參數(shù)來(lái)表征滑閥間隙高度對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響。

4 AR功率譜分析

4.1 功率譜模型的選擇

聲發(fā)射特征參數(shù)可以表征滑閥的內(nèi)漏狀態(tài)，并能初步判斷滑閥是否內(nèi)漏，但是特征參數(shù)方法數(shù)據(jù)分析量較大，結(jié)果不夠直觀。本節(jié)擬從功率譜分析的角度提取聲發(fā)射信號(hào)的特征頻率，找出內(nèi)漏信號(hào)和正常信號(hào)的區(qū)別。

實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)化都是在時(shí)域上的電壓-時(shí)間信號(hào)，由于泄漏的聲發(fā)射信號(hào)屬于這種非平穩(wěn)連續(xù)型的隨機(jī)信號(hào)，很難從中找到有規(guī)律的特征信息，更不能達(dá)到辨別滑閥內(nèi)漏的目的，因此需要將時(shí)域信號(hào)變換到頻域上尋找特征。

根據(jù)各類分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇周期圖法、相關(guān)法、Welch法和AR(自回歸)模型法研究1號(hào)閥在公稱壓力10 MPa時(shí)的功率譜，效果如圖21所示。

對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，周期圖法得到的功率譜具有鋸齒形狀，曲線粗糙，色散大；自相關(guān)法曲線光滑，說(shuō)明方差處理的結(jié)果要比周期圖法處理的結(jié)果小，但是功率譜幅值有所降低，而且丟失了一些低幅值的特征頻率；Welch法雖然曲線更加光滑，但是邊瓣較大，不能直觀的看出特征頻率值， 分辨率不高；AR模型法和前三種方法相比，曲線光滑度有一定程度的提升，說(shuō)明使用該模型對(duì)窗口外的數(shù)據(jù)假設(shè)合理，而且保留了所有特征頻率的波動(dòng)情況，更能反映曲線最原始的狀態(tài)，功率譜幅值差值大，特征頻率明顯。

圖21 各類分析方法對(duì)比圖

4.2 AR功率譜分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是針對(duì)5組滑閥分別從1～12 MPa加壓所測(cè)得的，數(shù)據(jù)量較大，為節(jié)省篇幅，只列出了4， 8， 12 MPa壓力下5組滑閥的AR模型功率譜。

從圖22～圖24，壓力從4 MPa增加到12 MPa，就每一組滑閥而言，特征頻率并沒(méi)有改變，說(shuō)明特征頻率始終穩(wěn)定存在，與壓力無(wú)關(guān)。壓力增大滑閥內(nèi)漏功率譜的幅值并沒(méi)有增大，因此幅值不能作為判斷內(nèi)漏的因素。

當(dāng)壓力相同時(shí)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)滑閥特征頻率都小于40 kHz，4號(hào)、5號(hào)滑閥特征頻率都大于40 kHz，而1～3號(hào)閥屬于泄漏閥，4號(hào)、5號(hào)閥屬于正常閥，其中2號(hào)泄漏量最大，4號(hào)泄漏量最小，因此在功率譜上40 kHz 可作為判斷泄漏的臨界點(diǎn)。將5組滑閥的特征頻率列于表2中。

圖22 4 MPa壓力下5組滑閥內(nèi)漏功率譜

圖23 8 MPa壓力下5組滑閥內(nèi)漏功率譜

圖24 12 MPa壓力下5組滑閥內(nèi)漏功率譜

滑閥序號(hào)12345特征頻率/kHZ39.8,79.834.3,68.739.3,78.645.7,91.641.8,83.5

分析發(fā)現(xiàn)：泄漏量越大，特征頻率越向低頻方向偏移，且特征頻率呈現(xiàn)倍頻的關(guān)系。泄漏滑閥的功率譜曲線比較粗糙，除了在40 kHz附近和80 kHz附近處幅值最大外，在20～30 kHz和50～60 kHz均有小幅度的響應(yīng)信號(hào)，而正常的滑閥功率譜曲線較為光滑，除了兩個(gè)特征頻率外，沒(méi)有明顯的響應(yīng)信號(hào)。

使用AR模型求得滑閥內(nèi)漏的功率譜曲線，通過(guò)比較特征頻率的大小和曲線的變化趨勢(shì)，能夠很好地判斷滑閥是否泄漏，并能判斷不同滑閥泄漏量的大小順序。

5 結(jié)論

(1) 首次將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在液壓滑閥的內(nèi)漏檢測(cè)上，利用聲發(fā)射技術(shù)能有效檢測(cè)液壓滑閥的內(nèi)漏狀態(tài)，為構(gòu)建滑閥內(nèi)漏診斷數(shù)據(jù)庫(kù)提供了數(shù)據(jù)支撐；

(2) 振鈴計(jì)數(shù)可以表征壓力對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)的影響，同時(shí)可以根據(jù)其與壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系初步判斷滑閥是否內(nèi)漏；有效值電壓可以表征滑閥間隙高度對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響；

(3) 通過(guò)AR功率譜分析發(fā)現(xiàn)：滑閥內(nèi)漏的聲發(fā)射信號(hào)基頻為40 kHz，泄漏量越大，特征頻率越向低頻方向偏移；特征頻率呈現(xiàn)倍頻的關(guān)系，有內(nèi)漏的滑閥功率譜曲線有小幅波動(dòng)，正?；y功率譜曲線光滑。