調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究

劉淵

摘要：隨著我國的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，研究調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，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(shù)作為狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)，基于NIcRIO分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示、記錄和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過提取和分析液壓缸壓力、位移信號(hào)和伺服閥控制電流信號(hào)的綜合特征，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測和故障的快速診斷與定位。測試結(jié)果驗(yàn)證了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的有效性和正確性。

關(guān)鍵詞：調(diào)壓閥;液壓系統(tǒng);狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷

引言

礦井提升設(shè)備是煤礦生產(chǎn)中極為重要的設(shè)備，可以說煤礦的產(chǎn)量、人員安全升降及物質(zhì)安全運(yùn)送等都與該設(shè)備有關(guān)。與礦井提升機(jī)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(diào)壓裝置。因?yàn)闆]有電液調(diào)壓裝置的正確動(dòng)作，提升機(jī)就無法動(dòng)作，煤礦環(huán)境惡劣，電液調(diào)壓裝置使用率特別頻繁，因此對(duì)其可靠性的要求特別高。據(jù)了解，焦作礦務(wù)局使用帶電液調(diào)壓閥的液壓站近百余臺(tái)，在使用中技術(shù)人員和工人積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)液壓站出現(xiàn)的故障特別是電液閥出現(xiàn)的故障，都能較快、較好的排除。近幾年，焦作少數(shù)礦使用了帶比例溢流閥調(diào)壓裝置的液壓站，據(jù)操作司機(jī)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(gè)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(jī)打了30多年的交道，對(duì)廠家所采用的新式閥類和液壓系統(tǒng)的改變都產(chǎn)生了濃厚興趣，并學(xué)習(xí)了有關(guān)液壓方面的資料，向廠家的科技人員學(xué)習(xí)了很多的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)上述2種不同調(diào)壓裝置的使用效果，發(fā)表個(gè)人的淺顯看法，有不當(dāng)之處，歡迎批評(píng)指正。

1工作原理

CDM液壓系統(tǒng)中，RV閥的工作原理是采用直動(dòng)式壓力閥設(shè)計(jì)思想，密封形式采用閥針與閥座配合的硬密封結(jié)構(gòu)。工作時(shí)液壓力直接作用在閥針上，工作壓力由閥針后的彈簧來調(diào)節(jié)。以CDM液壓系統(tǒng)中RV5為例，運(yùn)用力學(xué)平衡原理和液流的連續(xù)性，來建立描述RV閥的動(dòng)、靜態(tài)性能的數(shù)學(xué)方程。如圖1所示運(yùn)動(dòng)方向x為正方向，閥針的動(dòng)力學(xué)平衡方程，即它的運(yùn)動(dòng)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(shí)彈簧的預(yù)壓縮量;Ps為供油壓力;x為閥針位移;K1為彈簧剛度;Ks為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù)Ks=2CdCvωcosθ;m為運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量;B為閥針運(yùn)動(dòng)的阻尼系數(shù);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(shí)取“+”號(hào)，關(guān)閉時(shí)取“-”號(hào)。液流的連續(xù)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(tǒng)負(fù)載的流量;Ql為從閥座底部經(jīng)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(dá)式為 式中：Cd為閥口局部流量阻力系數(shù);ρ為液壓油的密度;ω=πd，d為閥口直徑。

2狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采用基于上、下位機(jī)的分布式結(jié)構(gòu)。下位機(jī)系統(tǒng)位于試驗(yàn)現(xiàn)場，其硬件平臺(tái)采用了NIcRIO系統(tǒng)。cRIO是一款堅(jiān)固耐用、可重配置的嵌入式系統(tǒng)，主要由3個(gè)部分組成———實(shí)時(shí)控制器、可重配置的FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）機(jī)箱和工業(yè)級(jí)I/O模塊。其中：實(shí)時(shí)控制器為一個(gè)NI9022實(shí)時(shí)控制器，主要可靠而準(zhǔn)確地執(zhí)行LabVIEW實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，完成各種控制邏輯、控制信號(hào)的計(jì)算，采集的監(jiān)測信號(hào)的計(jì)算和與上位機(jī)的通信。內(nèi)嵌FPGA的可重配置機(jī)箱，機(jī)箱中的FPGA直接和每個(gè)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(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行隔離、轉(zhuǎn)換以及信號(hào)調(diào)理，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)共需要采集15路信號(hào)，其中14個(gè)模擬量信號(hào)通過2個(gè)NI9203AI模塊來采集，1個(gè)開關(guān)量信號(hào)通過一個(gè)NI9421DI模塊來采集。上位機(jī)位于測控大廳，下位機(jī)采集到的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)通過以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)，在上位機(jī)的軟件中實(shí)時(shí)顯示記錄，完成各對(duì)狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件采用面向?qū)ο蟮奶摂M儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW軟件開發(fā)，分上位機(jī)程序和下位機(jī)程序，其中：下位機(jī)程序在cRIO實(shí)時(shí)控制器和FPGA機(jī)箱中運(yùn)行，主要完成所有狀態(tài)監(jiān)測信號(hào)的采集、計(jì)算以及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸工作。上位機(jī)程序在工控機(jī)中運(yùn)行，與調(diào)壓閥控制系統(tǒng)、調(diào)壓閥自動(dòng)排氣控制系統(tǒng)的控制軟件集成在一起，主要分為顯示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊和報(bào)警模塊：數(shù)據(jù)顯示記錄模塊的功能是對(duì)采集到的各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)記錄;報(bào)警模塊的功能是對(duì)液壓油油溫和油液污染度進(jìn)行超標(biāo)報(bào)警，其中：油溫超過60℃時(shí)油溫信號(hào)報(bào)警，壓油過濾器前后壓差超過0.35MPa時(shí)油液污染度信號(hào)報(bào)警。系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析計(jì)算采用MATLAB軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)。

2.3狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)的選取

液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測需要根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)特征，利用各種傳感器和檢測設(shè)備，對(duì)與液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)緊密相關(guān)的各種狀態(tài)參數(shù)實(shí)施監(jiān)測和記錄。為此，首先需要合理選定監(jiān)測參數(shù)。監(jiān)測參數(shù)既要能表征液壓系統(tǒng)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(bǔ)性、關(guān)聯(lián)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(tài)監(jiān)測參數(shù)。油源壓力是反映液壓設(shè)備工作特性的基本參數(shù)，表征著液壓系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。液壓油需要在20～60℃正常的溫度范圍內(nèi)工作，溫度信號(hào)的異常變化可以反映出許多故障特征，因此，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測油溫變化，并對(duì)超溫運(yùn)行的液壓系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。液壓設(shè)備的故障60%～70%以上是由于油液的污染引起的，油液污染會(huì)引發(fā)液壓元件的多種故障，因此，需要實(shí)時(shí)監(jiān)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(jìn)油、回油情況以及液壓缸活塞桿的運(yùn)行情況，進(jìn)而直接表征調(diào)壓閥閥芯的運(yùn)動(dòng)情況，因此，通過對(duì)液壓缸有桿腔和無桿腔壓力的監(jiān)測，并配合活塞桿的位移信號(hào)，可以共同監(jiān)測和判斷液壓缸、調(diào)壓閥閥芯的運(yùn)行情況以及液壓缸的供油情況。調(diào)壓閥液壓系統(tǒng)利用液壓缸活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)調(diào)壓閥閥芯的上下運(yùn)動(dòng)，從而改變調(diào)壓閥的開度，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥后空氣壓力的控制與調(diào)節(jié)。因此，監(jiān)測液壓缸活塞桿的位移信號(hào)，可以實(shí)時(shí)觀測到活塞桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而監(jiān)測到調(diào)壓閥的動(dòng)作狀態(tài)。此外，通過活塞桿位移信號(hào)還可以感知液壓缸活塞桿爬行、動(dòng)作不平穩(wěn)、活塞桿或調(diào)壓閥閥桿卡滯等故障特征。

結(jié)語

RV5閥的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能分析同樣適用于RV1、RV2、RV3、RV4?，F(xiàn)將理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下：（1）增加閥針和閥座的通油直徑、增加彈簧的預(yù)壓縮量都可以提高RV閥的定壓精度，減小閥的穩(wěn)態(tài)柔度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，閥針直徑過大不利于閥針與閥座密封性能，還會(huì)影響閥針移動(dòng)的靈活性，因此一般情況下，可通過調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量來改善閥的定壓特性。（2）閥針移動(dòng)時(shí)的摩擦力是影響RV機(jī)械死區(qū)的主要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在CDM液壓系統(tǒng)中，選用φ1～φ1.2的閥座通油小孔可有效地減小機(jī)械死區(qū)寬度。（3）由動(dòng)態(tài)性能分析可知，擴(kuò)大閥針底部的受控壓力腔總體積，有助于保持穩(wěn)定的工作壓力，保證CDM液壓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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