基于柱塞振动信号的电磁阀故障诊断方法与流程

本发明涉及电磁阀故障检测领域，具体的说是一种基于柱塞振动信号的电磁阀故障诊断方法。

背景技术：

电磁阀是用来控制或调整工艺流体的方向、流量、速度等参数的自动化基础元件，已被广泛应用于流程工业、汽车、工程机械等各行各业，其基本结构如图1所示。

●电磁阀失效原因分析

在电磁阀的运行过程中，设备会受到来自工艺流体、周围环境和电磁线圈热效应而产生的多重应力的影响。下面简单描述电磁阀的主要失效模式及机理。

电磁阀柱塞主要起到通断工艺流体的作用，通常情况下电磁阀柱塞直接与工艺流体接触。为了实现预期的通断功能，柱塞必须由软铁磁性材料构成，目前最常用的材料是430f不锈钢(即低碳、高铬不锈钢)，它专门为电磁阀应用而设计，适合在腐蚀性环境下工作。由于柱塞与工艺流体直接接触，随着使用时间的增加，柱塞会受到腐蚀。此外，由于柱塞与柱塞管直接接触，因此在柱塞运动过程中会导致摩擦、磨损以及材料损耗等现象的发生。随着摩擦、磨损以及材料耗损的加剧，将显现出粘滑行为或造成阀门关闭时密封不严等问题。与此同时，柱塞长期暴露于电磁线圈产生的磁场之中，这可能会导致柱塞的永久性磁化，进而引起不正确的柱塞动作及工艺流体的不当计量等问题。柱塞对磁场的响应能够有效反映上述柱塞行为的变化。

柱塞管是柱塞与电磁线圈之间的一道屏障。柱塞管的功能是防止电磁线圈受到工艺流体的侵蚀，同时它也将磁通引入柱塞(而非环绕在柱塞周围)。柱塞管主要是铝或顺磁性不锈钢构成(铁磁性柱塞管提供磁场线分流路径，从而降低电磁阀的效率)。侵蚀性的工艺流体以及柱塞运动过程中所产生的摩擦力将导致柱塞管发生磨损，这将产生可能抑制柱塞运动的磨损颗粒物。当柱塞接触到磨损颗粒物时，柱塞在磁场中将显现出异常的响应。通过分析加速度计信号就能够有效检测到上述柱塞对磁场响应的异常变化。

电磁线圈产生磁场，进而驱动柱塞运动。电磁线圈所用的金属丝一般称为磁丝，通常为铜制。在电磁阀领域，通常使用三种类型的匝间绝缘材料：绝缘级别e的温度等级为120℃，绝缘级别f的温度等级为155℃，绝缘级别h的温度等级为180℃。线圈构造通常分为两种：包缠线圈和封装线圈。包缠线圈由绕线轴和线管构成，然后用绝缘胶带保护绕组；封装线圈也有一个在线轴或绕线周围的线圈缠绕，不同的是线圈被封装或通过合适的树脂压模。当电流通过线圈时，热效应会使导线温度升高。如果温度过高，导线之间的介电材料可能会退化失效，两根相邻导线将形成电连接，进而产生匝间短路或层间短路。短路会引起线圈电阻降低，进而使电流增大。在短路的位置，将逐渐形成高温的局部热点，从而导致断路。腐蚀会导致线圈颈缩及导电材料损耗，进而引起线圈失效。由于电磁线圈的退化，磁场强度会发生变化，进而导致柱塞在磁场中的响应发生变化，加速度计同样能够检测到这一响应的变化。

●现存的电磁阀故障检测技术

一些阀门健康监测技术已经被提出，其中某些技术可应用于电磁阀。目前最为广泛采用的阀门健康监测技术是部分行程测试。在该方法中，使用位置传感器来检测阀门柱塞位置的变化，借此实现阀门故障检测[1]-[3]。文献[4]-[6]详细阐明了部分行程测试技术。然而，部分行程测试的缺点在于由于许多电磁阀体积较小，因此没有足够的内部空间来容纳一个位置传感器。此外，从数学上来看，加速度是位置信号的二次微分，因此，基于位置变化的故障检测方法无法检测到那些仅对加速度信号敏感的故障。

美国橡树岭国家实验室完成了一系列针对电磁阀健康监测方法的实验[7]-[9]。所提出的方法包括：在触发电磁阀过程中监测线圈的电感、电磁线圈的等效电路建模以及在增大电压的情况下监测流经电磁线圈的电流。尽管这些方法能够提供电磁线圈的健康信息，但是均无法提供在线健康监测能力。

还有其他技术可以实现电磁阀故障诊断，例如通过测量电磁阀的电流来了解柱塞运动及电磁线圈健康状态[10]，但是这种方法仅对电磁阀的失效模式给出了间接测量，它无法提供柱塞状态的实际行为与退化状态；通过测量声场和电场信号来探明电磁阀柱塞状态的变化[11]，这种方法的缺点在于仅能在电磁阀被成功激活的情况下才能工作；通过监测应用于电磁阀的电压和电流之间的相位差来监测电磁阀柱塞位置[12]，该方法同样无法直接反映电磁阀的实际退化状态。

为此，本发明针对电磁阀组件的各种失效模式，提出了一种直接的电磁阀健康状态监测方法。所提出的技术不仅能够检测到电磁阀能否正常工作，而且能够准确监测电磁阀的实际退化状态，进而为实现基于状态的维护(conditionbasedmaintenance)奠定基础。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于柱塞振动信号的电磁阀故障诊断方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于柱塞振动信号的电磁阀故障诊断方法，包括以下步骤：

将用于测量柱塞振动信号的加速度计固定在电磁阀上；

向电磁阀注入的电子激励信号以产生磁场，并使柱塞产生振动；

加速度计采集到的活塞振动信号；

对活塞振动信号进行分析、提取，得到该信号的固有频率处的幅值；

将获得的固有频率处的幅值与健康状态下固有频率处的幅值进行对比，进而评估电磁阀的健康状况。

所述加速度计放置在电磁阀柱塞管顶部，并且能够输出柱塞对于磁场的振动信号。

所述加速度计放置在电磁阀柱塞管内部，并固定于柱塞顶部或底部，且不影响柱塞的运动，该加速度计输出柱塞对于磁场的振动信号。

所述健康状态的固有频率处的幅值通过以下步骤获得：

将加速度计固定在健康电磁阀外部的活塞管上；

通过恒流源向电磁阀注入稳定的电子激励信号以产生磁场，通过波形发生器向电磁阀注入不同频率的电信号；

加速度计采集到的健康活塞振动信号；

对健康活塞振动信号进行分析、提取，将得到的该信号的固有频率处的幅值作为健康状态的固有频率处的幅值。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明不仅能够检测到电磁阀能否正常工作，而且能够准确监测电磁阀的实际退化状态，进而为实现基于状态的维护(conditionbasedmaintenance)奠定基础。

2.通过在电磁阀顶部加入传感器测量振动信号，获取固有频率和振幅信息，能够检测到电磁阀组件的各种失效模式。

3.在本发明中，在阀体某一位置放置加速度计，当电磁线圈通电时，此装置捕获柱塞的运动状态信息。通过加速度计获得的信息能够检测到诸如电磁阀的柱塞或柱塞管污染及腐蚀、电磁线圈退化等各种故障。

附图说明

图1为双向常开电磁阀结构图；

其中，1、电磁线圈；2、柱塞；3、线圈外壳；4、复位弹簧；5、柱塞管；6、阀体；7、密封件；8、阀口；

图2为加速度计置于电磁阀柱塞管顶部示意图；

图3为加速度计置于电磁阀柱塞管内部柱塞顶部示意图；

图4为柱塞对于不同rms电压等级的电磁激励信号的振动响应示意图；

图5为实验系统的硬件组成示意图；

图6为实验的数据处理示意图；

图7为实验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明方法是在阀体上部放置加速度计(accelerometer)，对电磁阀施加具有一定幅值的电压激励信号，通过检测柱塞振动信号的幅值以及固有频率变化来检测电磁阀故障。图1显示了电磁阀的主要组成部分。

根据电磁学的物理定律，磁场力与磁场强度的平方成比例。电磁阀的工作原理为：使用电磁线圈1来构造磁场，柱塞2在磁场的作用下由静止位置运动到其工作位置；柱塞2失去电磁作用后，将在复位弹簧4的作用下回到初始位置。因此，测量柱塞2对于磁场的响应信号(即柱塞2振动的加速度信号)可以直接反映电磁阀的健康状况。对于一个崭新的阀门来说，柱塞2将在磁场的作用下毫无障碍的从初始位置移动到工作位置。由于工艺流体的腐蚀以及由于环境以及电磁线圈1的热效应而引起的阀体老化，在电磁阀使能过程中柱塞振动的加速度信号将发生变化，这一变化可以用于监测电磁阀的健康状态。

加速度计置于能够感知到柱塞运动的电磁阀柱塞管的上部，如图2所示。如图3所示，加速度计也可以放置在能够直接捕获柱塞运动的柱塞管内部柱塞上的某一位置。随后，分析加速度计输出的振动信号来完成电磁阀故障诊断。通过分析振动信号的频域、时域或者时频域特征，可以检测到故障的发生。例如，随着电磁阀的退化，整个电磁阀系统固有频率处的振幅将逐渐减小。尽管这种方法并不要求完全触发柱塞动作，但是，电磁激励信号的级别必须足够大以使柱塞移动。图4给出了已完成的初步实验结果，当rms电压为5v时，有效触发了电磁阀柱塞动作(并识别出了固有频率)。

加速度计必须使用诸如超级胶水等固定物质附着在电磁阀外部。但是，如果需要在检测过程中完全触发电磁阀，则需要具有更强吸附能力的物质，否则在触发过程中可能导致加速度计与电磁阀分类。如果将加速度计放置在电磁阀柱塞管内部，需要将加速度计固定在柱塞上。此外，由于柱塞通常直接与工艺流体相接触，因此同时还必须考虑加速度计及其固定物质的抗腐蚀问题。

在实验室内，搭建了如图5所示的实验系统来验证所提出的方法。该系统由波形发生器、电源、电磁阀、加速度计以及计算机等几部分组成。数据采集及处理流程如图6所示。使用波形发生器，向电磁阀注入具有不同频率(20hz-2mhz)的电子激励信号(vrms＝5v)。针对每个特定频率，分别采集来自加速度计的振动信号，借此识别电磁阀系统的固有频率值。

随后，通过在电磁阀柱塞管内注入不同性质的材料来模拟故障：

(1)未填充任何材料：健康(柱塞可自由移动)

(2)填充软质材料：退化状态(柱塞部分移动)

(3)填充硬质材料：失效状态(柱塞完全阻塞)

实验结果如图7所示，可以发现随着电磁阀健康状态的改变，系统的固有频率处的振动信号幅值减小，验证了方法的有效性。

因此在实际使用过程中，通过在电磁阀上安装加速度计，通过对振动信号的处理，即可实现对电磁阀健康状态的诊断。