基于聲壓測量的閥門故障檢測方法研究

張少博，王乃世，陳海峰，張俊峰

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西 西安710100）

0 引言

液體火箭發(fā)動機(jī)試車臺使用的閥門種類較多，按其功能可分為截止閥、安全閥、泄壓閥和壓調(diào)閥等。參加試驗的閥門中有相當(dāng)數(shù)量的閥門因長期使用、磨損、腐蝕或其他原因會出現(xiàn)內(nèi)外滲漏或泄漏故障，若不及時發(fā)現(xiàn)和處理，將導(dǎo)致介質(zhì)泄漏、環(huán)境污染甚至造成起火爆炸、試驗失敗等嚴(yán)重的事故發(fā)生。因此，研究閥門檢測方法，及時發(fā)現(xiàn)閥門故障并采取有效防范措施非常重要。閥門泄漏故障的常用檢測方法是氣密性檢查，對于高壓、大容量管路安裝的閥門泄漏檢測費時、費力，有時對泄漏程度的判斷比較困難。試驗系統(tǒng)需要一種實用、簡便、高效的閥門泄漏故障檢測方法。聲學(xué)檢測具有在線、動態(tài)及快速、經(jīng)濟(jì)的特點，既可保證閥門的安全使用，又可為維修決策提供依據(jù)，降低更換費用。

1 閥門故障聲學(xué)試驗

1.1 測量原理

聲壓測量原理如圖1所示：當(dāng)振源對鄰近空氣介質(zhì)有擾動時，產(chǎn)生壓強波動，即聲壓信號，通過傳聲器轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過放大成為具有一定功率的電信號。電信號記錄后，用分析儀進(jìn)行分析，也可以通過具有一定頻率響應(yīng)的計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過檢波獲得以分貝定標(biāo)的聲壓級。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳聲器、前置放大器高度集成，使得噪聲傳感器的體積小型化，性能越來越好，可靠性得到大幅度提高。

圖1 聲壓測量系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of acoustic pressure measurement system

1.2 聲學(xué)檢測系統(tǒng)

聲學(xué)檢測系統(tǒng)主要由傳感器和聲學(xué)檢測儀等組成，見圖2。檢測臺的構(gòu)建與裝備可接受不同型號的閥門。本文選取試車臺常用的AA9-683截止閥、AS793-3氣體減壓器和電磁閥作為研究對象。此類閥門最常見的破壞形式為閥體泄漏。調(diào)節(jié)閥門的開度可模擬泄漏過程的聲源，通過監(jiān)測該聲源研究閥門在壓差恒定、背壓隨著泄漏變化時的全過程聲學(xué)特性,分析聲源特征參量振幅的特征，為閥門故障檢測提供依據(jù)。

圖2 聲學(xué)檢測系統(tǒng)Fig.2 Acoustic detecting system

1.3 信號異常檢測算法

通過聲學(xué)檢測系統(tǒng)得到的采集數(shù)據(jù)在實際進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析時有2種簡便算法可以檢測信號的異常，并以此判斷被測對象的故障模式。

1.3.1 閥值檢驗法

在正常情況下，傳感器測量值在一定范圍內(nèi)變動：

式中：xtmin(k)為采樣時間段內(nèi)的最小值；xtmax(k)為采樣時間段內(nèi)的最大值。

如果連續(xù)3或4次超過這個范圍，則表明該傳感器發(fā)生故障或?qū)⒁l(fā)生故障。這種故障檢測方法稱為閥值檢驗法。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)偏差檢驗法

當(dāng)測量系統(tǒng)的傳感器處于空載狀態(tài)時（也就是零位狀態(tài)），每隔一定時間段記錄測量系統(tǒng)的輸出值，重復(fù)若干次，利用零位標(biāo)準(zhǔn)誤差公式計算出每個通道的零位標(biāo)準(zhǔn)偏差值，然后判斷該偏差值是否小于給定的值，從而判斷出該采集通道是否具有良好的穩(wěn)定性。計算公式見式（2）：

采用該方法可以有效地檢測出測量系統(tǒng)測量精度是否降低的情況。

通過對比閥門在正常情況和異常情況下時域、頻譜以及1/3倍頻程的波形幅值變化，并結(jié)合閥值檢驗法和標(biāo)準(zhǔn)偏差檢驗法給出異常數(shù)據(jù)特征。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

分別取2個不同類型正常和有故障的閥門安裝在檢測臺上模擬工作環(huán)境。試驗中將傳感器定位于多個部位，例如在閥體上、前后安裝法蘭上。通過試驗發(fā)現(xiàn)最敏感的定位位置在上流閥法蘭頂部。在檢測中安裝了2個傳感器，1個置于閥的上流或下流排除背景噪聲，另1個安裝在閥體上或接在管路上，監(jiān)控相關(guān)的夾雜背景噪聲的泄漏聲音。

2.1 AA9.683 型閥門試驗

AA9-683型閥門為杠桿式氣動截止閥，其結(jié)構(gòu)見圖3。該閥門為進(jìn)出口雙通路結(jié)構(gòu)，由氮氣作為控制氣源，通過氮氣實現(xiàn)控制腔活塞上下運動，并通過連桿和上部杠桿機(jī)構(gòu)帶動閥桿與閥頭運動，實現(xiàn)閥門的打開與關(guān)閉。該閥門具有動作響應(yīng)快、耐高壓、耐腐蝕等特點，在試驗系統(tǒng)主要用于試驗時發(fā)動機(jī)腔內(nèi)介質(zhì)吹除氣供應(yīng)及介質(zhì)排放隔離。

圖3 杠桿式氣動截止閥Fig.3 Lever-type pneumatic shutoff valve

試驗用啟動截止閥的故障模式為：作為氣路用閥門時，氣體泄露過程中由于填料與閥桿之間間隙較小，高壓氣流通過時由于節(jié)流效應(yīng)產(chǎn)生尖銳噪聲，閥門出現(xiàn)故障。圖4為氣動截止閥時域數(shù)據(jù)圖。

圖4 氣動截止閥時域數(shù)據(jù)Fig.4 Time-domain data of pneumatic shutoff valve

根據(jù)式(2)和圖4中的時域數(shù)據(jù)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)偏差檢驗法，計算出每個通道的零位標(biāo)準(zhǔn)偏差值，根據(jù)測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性判斷數(shù)據(jù)的有效性。根據(jù)式(1)閥值檢驗法，正常波形在0.04 Pa，故障波形連續(xù)11次超過這個范圍，量值最大達(dá)1 Pa，出現(xiàn)明顯突變，數(shù)據(jù)表明該被測閥門發(fā)生了泄漏故障。

深入分析得出：由于閥門為杠桿式，采用尾端固定支點，杠桿運動過程中，控制連桿和閥桿均受到側(cè)向力作用發(fā)生彎曲形變，導(dǎo)致閥桿與填料間受力不均勻，兩者之間單側(cè)間隙變大，引起泄漏，導(dǎo)致閥門無法正常工作。

2.2 電磁閥試驗

試車用電磁閥結(jié)構(gòu)如圖5所示，該電磁閥為先導(dǎo)式常閉電磁閥。

閥門工作原理為：不通電狀態(tài)下，電磁鐵不工作，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)；電磁閥通電時，電磁鐵線圈產(chǎn)生磁力，推動頂桿向下運動，進(jìn)而推動減荷活門封堵先導(dǎo)孔3。主活門控制腔氣體通過減荷活門周圍空隙和排氣孔排出，主活門控制腔壓力迅速下降，閥門入口腔內(nèi)壓力克服彈簧力推動主活門向后運動，閥門打開完成。當(dāng)關(guān)閉電動氣閥門時，電磁鐵磁力消失，減荷活門復(fù)位，減荷活門與頂桿所在腔道形成密封。此時，氣體通過先導(dǎo)孔進(jìn)入主活門控制腔，主活門控制腔氣體壓力與彈簧力聯(lián)合推動主活門關(guān)閉。

圖5 電磁閥結(jié)構(gòu)組成Fig.5 Structure of solenoid valve

試驗用電磁閥的故障模式為：電磁鐵通電時，上銜鐵向下運動，排氣不通暢，產(chǎn)生憋氣，在電磁閥工作時產(chǎn)生間歇式的尖銳噪聲。電磁閥聲學(xué)時域數(shù)據(jù)圖如圖6所示。

圖6 電磁閥聲學(xué)時域數(shù)據(jù)Fig.6 Acoustic time-domain data of solenoid valve

時域圖上故障閥門數(shù)據(jù)波形出現(xiàn)不連續(xù)畸變。結(jié)合式 (1)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其故障模式為：當(dāng)電磁閥工作時間較長或經(jīng)常處于振動環(huán)境工作時，電磁鐵頂桿上方調(diào)節(jié)螺絲可能會產(chǎn)生松動，此時當(dāng)電磁鐵通電時，上銜鐵向下運動，但由于調(diào)節(jié)螺絲與減荷活門間距較大，銜鐵無法將減荷活門壓到位、未完全密封，因此在排氣過程中，減荷活門在排氣、彈簧和頂桿共同作用下，不斷啟閉以達(dá)到新的平衡，此時排氣不通暢，產(chǎn)生斷續(xù)憋氣聲。

2.3 試驗小結(jié)

通過上述2個試驗，結(jié)合聲學(xué)檢測系統(tǒng)和閥門故障模式，發(fā)現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)在時域上都出現(xiàn)了畸變，分析過程中依據(jù)公式 (1)和 (2)等信號異常檢測方法，將試驗數(shù)據(jù)和故障模式進(jìn)行了對應(yīng)研究。后續(xù)也可展開此類故障研究，對各類故障的聲學(xué)表現(xiàn)模式進(jìn)行歸納總結(jié)，以此建立閥門聲學(xué)故障樹和數(shù)據(jù)庫，為閥門的故障判讀和維修提供判斷依據(jù)。

3 結(jié)論

通過建立閥門聲學(xué)檢測系統(tǒng)，對試車臺常用的2種閥門進(jìn)行了測試，并對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了時域和故障特征判別算法分析。閥門在正常情況下，其時域數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)為幅值穩(wěn)定，無異常數(shù)據(jù)波動；閥門在異常情況下，其時域數(shù)據(jù)特征表現(xiàn)為波形變化出現(xiàn)抖動，且出現(xiàn)沖擊幅值。試驗數(shù)據(jù)表明，采用聲壓檢測方法對閥門的泄漏故障進(jìn)行分析判斷是一種可行有效的方法。

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