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(海軍工程大學動力工程學院， 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，應用十分廣泛，主要用于控制油路的通斷和改變油液的流動方向[1-2]。液壓滑閥使用率高，開啟頻繁，同時長期工作在高溫高壓的環(huán)境， 這些因素都對密封面有著非常大的損傷，閥芯磨損會增大間隙，進而增加滑閥和系統(tǒng)的內泄漏量。內泄漏的發(fā)生通常較為隱蔽，不僅影響系統(tǒng)的工作效率，同時耗費大量的生產資源，污染環(huán)境[3-4]。

傳統(tǒng)檢測滑閥內漏的方法有兩種，采集流量和壓力信號對比分析，判斷有無異常下降的情況。兩種方法都屬于介入式檢測技術，即通過拆解液壓油路，將傳感元件直接接入油路進行測量，此方法不僅步驟復雜，而且效率較低，操作中也存在泄漏風險[5-6]。聲發(fā)射檢測屬于非介入式檢測的一個分支，在氣體和石油管道泄漏領域應用較為廣泛，但因涉及到內部液體流動狀態(tài)的復雜性以及固液耦合的信號衰減問題，很少見到此技術應用于液壓滑閥的泄漏檢測。本研究采用聲發(fā)射技術檢測液壓滑閥內漏，以5組不同間隙尺寸的滑閥為研究對象搭建內漏實驗臺，在不拆解油路的情況下采集聲發(fā)射數(shù)據，從特征參數(shù)和波形分析兩個角度找出了內漏信號和正常信號的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)了特征頻率隨滑閥內泄漏量的偏移規(guī)律，實現(xiàn)了滑閥內漏的非介入式檢測。

1 聲發(fā)射檢測原理

在材料變形、斷裂、液體泄漏時，能量會在故障點迅速釋放，產生瞬態(tài)彈性波，這個過程即叫做聲發(fā)射，通過專業(yè)儀器采集、分析信號，評價聲發(fā)射源位置、狀態(tài)等特征的技術即是聲發(fā)射檢測技術[7-8]。當滑閥中液體泄漏時，間隙中的液體會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的壓力場，進而產生聲發(fā)射信號[9-11]，內漏模型如圖1所示。

圖1 滑閥內漏模型

相比其他檢測方法，聲發(fā)射檢測技術的優(yōu)點在于能進行實時動態(tài)監(jiān)測；信號來自被檢測物本身；而且對構件外形尺寸要求不高，能檢測形狀復雜的物體；不用很接近被檢工件，更加安全[12]。

聲發(fā)射信號分析方法分為特征參數(shù)分析和波形分析。特征參數(shù)分析是根據采集到的信號快速計算得到參數(shù)值，用于信號的初步歸納、整理、識別，通過對比分析找到能反映信號特點的關鍵參數(shù)[13]，常用的特征參數(shù)如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射信號特征參數(shù)

波形分析可以對采集到的聲發(fā)射信號從時域和頻域兩個方面進行特征提取，進而找出故障源關鍵信息[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 實驗系統(tǒng)搭建

以實驗室現(xiàn)有5組液壓滑閥對基礎搭建聲發(fā)射檢測實驗臺，如圖3、圖4所示。

圖3 滑閥內漏聲發(fā)射檢測實驗臺

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)據采集卡 14.計算機圖4 實驗系統(tǒng)示意圖

聲發(fā)射檢測設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)據采集卡以及數(shù)據分析軟件四個部分。傳感器型號為PXR03RMH，測量的頻率范圍為20～100 kHz。前置放大器采用PXPA5，放大增益40 dB。數(shù)據采樣頻率1.25 MHz，24為A/D轉換器。

泄漏實驗測得的滑閥間隙和公稱壓力下的泄漏量如表1所示。

表1 滑閥泄漏實驗結果

實驗所用的液壓滑閥在出廠時規(guī)定了標準間隙，間隙在0.005～0.007 mm屬于正常，根據實驗結果，1～3號閥由于使用過程中的磨損間隙已經超出了規(guī)定值，且泄漏量明顯大于4號、5號閥。

將5組滑閥泄漏量的實驗值、AMESim仿真值、層流公式計算結果匯總如圖5～圖9所示。

圖5 1號閥泄漏量-壓力曲線

圖6 2號閥泄漏量-壓力曲線

對比分析發(fā)現(xiàn)，相同壓力下，對于1～3號滑閥，層流計算得到的泄漏量與AMESim仿真得到的泄漏量大小基本相同，而通過實驗得到的泄漏量明顯小于前兩者。前人研究表明，圓環(huán)縫隙內液體發(fā)生湍射流時，實驗泄漏量要明顯小于仿真和層流模型計算的泄漏量[16]。結合5組滑閥的間隙尺寸，可認定1～3號閥屬于內漏滑閥。

圖7 3號閥泄漏量-壓力曲線

圖8 4號閥泄漏量-壓力曲線

圖9 5號閥泄漏量-壓力曲線

在聲發(fā)射檢測實驗中，通過溢流閥調節(jié)閥前端壓力至1 MPa，采集此狀態(tài)下的背景噪聲信號，隨后提高聲發(fā)射信號門檻，確定耦合狀況良好后開始采集信號。通過溢流閥調節(jié)閥前端壓力，從1 MPa起逐步增加1 MPa，一直測量至12 MPa，存儲并記錄相應壓力下的信號，1號閥測量完畢后對2號閥重復相同步驟，直至5組閥全部測量完畢。

3 特征參數(shù)分析

本研究實驗數(shù)據是滑閥處于中位狀態(tài)下得到的，滑閥內漏的聲發(fā)射信號屬于非平穩(wěn)連續(xù)型隨機信號，確保了信號采集的連續(xù)性。實驗所用的PXR03RMH傳感器對噪聲信號不敏感，同時通過低噪音信號線(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的干擾，確保了聲發(fā)射信號的真實性。

3.1 確定最佳測量點

在閥體表面選定了10個待測點，如圖10所示，在1 MPa壓力下采集信號，對比幅值域參數(shù)的大小，選定最佳的測量點。

圖10 判定最佳測量點

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

圖11 待測點幅值域參數(shù)

對于2號待測點，上升時間較短，說明響應速度最快，而其他各項幅值域參數(shù)均大于其他待測點，應將傳感器設在此處采集信號，實驗所用的滑閥內部結構如圖12所示。

圖12 滑閥內部結構示意圖

在最后拆卸滑閥時，發(fā)現(xiàn)2號點正是滑閥回油口(T)所在的位置，得到回油口處的聲發(fā)射特征信號強度最大，響應速度最快。

3.2 壓力對特征參數(shù)的影響

實驗中針對5組通徑16 mm的滑閥分別從1 MPa加壓至12 MPa，測量了聲發(fā)射特征參數(shù)，可以以壓力為變量，研究壓力對滑閥內漏特征參數(shù)的影響規(guī)律，將5組滑閥的幅值域參數(shù)匯總如圖13～圖16所示。

圖13 壓力對幅值的影響規(guī)律

圖14 壓力對振鈴計數(shù)的影響規(guī)律

圖15 壓力對有效值電壓的影響規(guī)律

圖16 壓力對平均信號電平的影響規(guī)律

根據特征參數(shù)參數(shù)變化趨勢，1～3號內漏滑閥的各項參數(shù)值基本維持在同一區(qū)間內，且變化趨勢基本一致，而4號、5號正?；y各參數(shù)值隨壓力的改變變化趨勢相同。幅度值、有效值電壓、平均信號電平這3個特征參數(shù)隨著壓力的增加都會在一定區(qū)間內上下浮動，但總體變化趨勢不明顯，不能反映壓力對特征參數(shù)的影響，而內漏滑閥的振鈴計數(shù)隨壓力的增加有明顯的上升趨勢，2類滑閥的變化趨勢有明顯的差異，因此可以作為幅值域的特征參數(shù)來表征壓力對于聲發(fā)射信號的影響，如果振鈴計數(shù)隨壓力的增加變化較大，則可初步判斷滑閥內漏。

3.3 間隙高度對特征參數(shù)的影響

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

圖17 間隙對幅度值的影響規(guī)律

圖18 間隙對振鈴計數(shù)的影響規(guī)律

圖19 間隙對有效值電壓的影響規(guī)律

圖20 間隙對平均信號電平的影響規(guī)律

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

隨滑閥間隙高度的變化，幅度值、振鈴計數(shù)、平均信號電平都有一定的波動，不能很好的反映間隙的變化規(guī)律，內漏滑閥(1～3號)和正?；y(4號、5號)參數(shù)與壓力的對應關系不一致。而內漏滑閥的有效值電壓隨間隙的增加而增加，變化趨勢較為穩(wěn)定，有較強的對應關系，且這種關系對于正?；y也適用，故有效值電壓可以作為幅值域的特征參數(shù)來表征滑閥間隙高度對聲發(fā)射信號的影響。

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

實驗采集的信號通過轉化都是在時域上的電壓-時間信號，由于泄漏的聲發(fā)射信號屬于這種非平穩(wěn)連續(xù)型的隨機信號，很難從中找到有規(guī)律的特征信息，更不能達到辨別滑閥內漏的目的，因此需要將時域信號變換到頻域上尋找特征。

根據各類分析方法的優(yōu)缺點，選擇周期圖法、相關法、Welch法和AR(自回歸)模型法研究1號閥在公稱壓力10 MPa時的功率譜，效果如圖21所示。

對比分析可以發(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；自相關法曲線光滑，說明方差處理的結果要比周期圖法處理的結果小，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，說明使用該模型對窗口外的數(shù)據假設合理，而且保留了所有特征頻率的波動情況，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 各類分析方法對比圖

4.2 AR功率譜分析結果

實驗數(shù)據是針對5組滑閥分別從1～12 MPa加壓所測得的，數(shù)據量較大，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，特征頻率并沒有改變，說明特征頻率始終穩(wěn)定存在，與壓力無關。壓力增大滑閥內漏功率譜的幅值并沒有增大，因此幅值不能作為判斷內漏的因素。

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

圖22 4 MPa壓力下5組滑閥內漏功率譜

圖23 8 MPa壓力下5組滑閥內漏功率譜

圖24 12 MPa壓力下5組滑閥內漏功率譜

滑閥序號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均有小幅度的響應信號，而正常的滑閥功率譜曲線較為光滑，除了兩個特征頻率外，沒有明顯的響應信號。

使用AR模型求得滑閥內漏的功率譜曲線，通過比較特征頻率的大小和曲線的變化趨勢，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 結論

(1) 首次將聲發(fā)射技術應用在液壓滑閥的內漏檢測上，利用聲發(fā)射技術能有效檢測液壓滑閥的內漏狀態(tài)，為構建滑閥內漏診斷數(shù)據庫提供了數(shù)據支撐；

(2) 振鈴計數(shù)可以表征壓力對于聲發(fā)射信號的影響，同時可以根據其與壓力的對應關系初步判斷滑閥是否內漏；有效值電壓可以表征滑閥間隙高度對聲發(fā)射信號的影響；

(3) 通過AR功率譜分析發(fā)現(xiàn)：滑閥內漏的聲發(fā)射信號基頻為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)倍頻的關系，有內漏的滑閥功率譜曲線有小幅波動，正常滑閥功率譜曲線光滑。