基于流体噪声和机械噪声特征的高速开关阀故障识别方法

本发明涉及高速开关阀故障识别，尤其是基于流体噪声和机械噪声特征的高速开关阀故障识别方法。

背景技术：

1、高速开关阀因其体积小、成本低、控制灵活等特点，在很多领域都有广泛运用。高速开关阀在无故障工作时只有全开和全关两种状态，通过高频pwm信号驱动，高速开关阀的阀芯快速启闭，以此来实现对流量的控制。高速开关阀在实际使用中通常与阀块相连，布置于液压系统中。在液压系统中，由于油液的存在，导致阀芯的运动状态会发生变化，出现卡死或卡滞现象，使高速开关阀无法正常启闭或无法跟上驱动型号的频率。现有的技术还未实现高速开关阀在液压系统中的故障诊断，因为在高速开关阀体积小，阀芯被油液包围，难以通过直接安装位移传感器等方法对高速开关阀的阀芯位移进行的测量，从而来判断是否出现故障。

2、高速开关阀阀芯快速启闭的过程中不可避免会产生机械噪声和流体噪声，机械噪声主要来源于高速开关阀内部可动部件和固定部件之间的机械碰撞，流体噪声主要来源于阀芯运动造成的阀腔容积变化带来的流体压力冲击。在周期性的pwm波的驱动下，高速开关阀的阀芯会周期性的快速启闭，带来周期性变化的机械噪声和流体噪声。并且因为机械噪声和流体噪声的来源不同，同时流体具有粘性，惯性，可压缩性，这就导致了机械噪声和流体噪声产生的时刻不同，所产生的机械噪声与流体噪声的特性也不同。

3、本发明所述方法充分利用了上述特性进行故障识别，能够对不同类型的故障进行识别。

技术实现思路

1、本发明提出基于流体噪声和机械噪声特征的高速开关阀故障识别方法，根据机械噪声和流体噪声对高速开关阀声压贡献量的不同，以及机械噪声和流体噪声出现的时刻不同，采用声压传感器检测高速开关阀在实际液压系统中的机械噪声和流体噪声的时域声压信号，并根据上述特点，对不同类型的故障进行故障识别。

2、本发明采用以下技术方案。

3、基于流体噪声和机械噪声特征的高速开关阀故障识别方法，其特征在于：所述方法包括流体噪声和机械噪声的时域声压信号采集，还包括故障类型判断，所述方法先根据高速开关阀机械噪声和流体噪声形成的原因，结合高速开关阀的结构特点，分析高速开关阀机械噪声和流体噪声的特性，再基于分析的机械噪声和流体噪声的特性，总结高速开关阀时域声压信号的特点；然后执行以下步骤；

4、步骤s100：将用于测量流体噪声和机械噪声的时域信号的声压传感器放置于高速开关阀的一侧；

5、步骤s200：对所述高速开关阀进行pwm波驱动，使高速开关阀工作；

6、步骤s300：所述声压传感器采集到高速开关阀的时域声压信号，所述时域声压信号包含高速开关阀的流体噪声和机械噪声信息；

7、步骤s400：对所述时域声压信号进行分析、提取，得到该时域声压信号的频率，以及所述时域信号在一个周期内的最大值和极大值，并标记所述最大值和极大值出现的时刻；

8、步骤s500：将所述时域声压信号频率和pwm波的频率进行对比，将时域声压信号最大值、极大值出现的时刻进行评估，进而判断高速开关阀是否发生故障。

9、所述声压传感器放置于高速开关阀的侧边，并且声压传感器轴线方向与高速开关阀轴线方向垂直，所述声压传感器记录高速开关阀的可动部件和固定部件发生碰撞产生的机械噪声，同时记录由于阀腔内部流体压力冲击造成的流体噪声。

10、所述故障类型判断的依据，包含所述声压传感器采集到高速开关阀的时域声压信号与理论时域声压信号的对比。

11、所述机械噪声的生成原因为：高速开关阀在工作时，内部可动部件和固定部件之间发生碰撞，由此产生机械噪声；包括：在阀口关闭瞬间，高速开关阀内部可动部件和固定部件立刻发生机械碰撞，产生机械噪声一；当阀口处于最大开度时，高速开关阀内部可动部件和固定部件发生碰撞，产生机械噪声二；

12、所述流体噪声产生的原因为：高速开关阀阀口在启闭的瞬间引发流体压力冲击，由此产生流体噪声；包括：高速开关阀传输具有惯性、粘性、可压缩性的流体，在阀口关闭的瞬间，流体压力冲击并未达到最大，当流体压力冲击达到最大时，产生流体噪声一；在高速开关阀阀口关闭时，流体噪声一发生的时刻滞后于机械噪声一；在阀口打开瞬间，高压流体即刻流过狭小的阀口，造成流体压力冲击，产生流体噪声二；所述高速开关阀的阀口从打开瞬间到阀口处于最大开度需要一定的时长，其阀口打开时，机械噪声二发生的时刻滞后于流体噪声二；

13、根据机械噪声和流体噪声发生的时刻不同，同时机械噪声和流体噪声对声压级的贡献不同，使高速开关阀的声压级曲线上出现一个最大值点，三个极大值点，最大值点对应的是阀口关闭瞬间产生的机械噪声一，极大值点一对应的是阀口关闭时的流体噪声一，极大值点二对应的是阀口打开瞬间的流体噪声二，极大值点三对应的是阀口完全打开时的机械噪声二；

14、高速开关阀中，影响所述理论时域声压信号的因素包括机械噪声特性和流体噪声特性；

15、所述理论时域声压信号包含机械噪声和流体噪声出现的时刻，机械噪声和流体噪声对总噪声的贡献度；

16、所述机械噪声和流体噪声对总噪声的贡献度存在差异，并使理论时域声压信号出现最大值和极大值；

17、所述机械噪声和流体噪声出现的时刻存在差异，并使理论时域声压信号出现最大值和极大值的时刻不同。

18、基于机械噪声和流体噪声对理论时域声压信号的贡献度差异，以及机械噪声和流体噪声产生的时刻差异，高速开关阀的理论时域声压信号在一个周期内出现四次大的声压幅值，最大的声压幅值为理论时域声压信号的最大值，其余的三个声压幅值为理论时域声压信号的极大值，分别为时域声压信号极大值一，时域声压信号极大值二，时域声压信号极大值三；

19、将理论时域声压信号与高速开关阀的时域声压信号进行对比，若理论时域声压信号与高速开关阀的时域声压信号一致，则说明高速开关阀无故障，若不一致，则说明高速开关阀故障。

20、与时域声压信号最大值产生时间对应的高速开关阀事件是：高速开关阀阀口关闭瞬间，高速开关阀内部可动部件与固定部件之间的机械碰撞；

21、所述时域声压极大值一对应的高速开关阀事件是因为高速开关阀阀口关闭的流体压力冲击；该事件中，在阀口关闭瞬间，因流体惯性、粘性、可压缩性的存在，所述阀口关闭时的流体压力冲击发生的时刻滞后于机械碰撞；

22、所述时域声压极大值二对应的高速开关阀事件是因为高速开关阀阀口打开瞬间的流体压力冲击；该事件中，在阀口打开瞬间，油液流过狭小的阀口，会造成流体压力冲击，而从阀口打开瞬间到阀口完全打开需要一定的时间，导致所述的阀口打开时的机械碰撞发生的时刻滞后于流体压力冲击；

23、所述时域声压极大值三对应的高速开关阀事件是因为高速开关阀阀口完全打开，处于最大开度时高速开关阀内部可动部件与固定部件之间的机械碰撞。

24、所述高速开关阀故障类型包括阀口无法开启、阀口无法关闭、阀芯启闭的频率与驱动的pwm波频率不一致；

25、所述阀口无法开启的故障判断特征为时域声压信号平直，无最大值；

26、所述阀口无法关闭的故障判断特征为时域声压信号只有一个最大值；

27、所述阀芯启闭的频率与驱动的pwm波频率不一致的故障判断特征，为时域声压信号有一个最大值，三个极大值，但时域声压信号的频率和pwm波的频率不一致。

28、所述高速开关阀为常开式高速开关阀。

29、所述常开式高速开关阀包含外壳（1）、垫片（2）、电磁线圈（3）、衔铁（4）、推杆（5）、阀芯（6）、阀座（7）、复位弹簧（8）、进油口腔（9）、进油口p、工作口a；

30、所述高速开关阀工作时，电磁线圈在pwm波的驱动下，产生电磁力，推动衔铁运动，衔铁推动推杆运动，推杆推动阀芯运动，阀芯撞击到阀座时，阀口关闭；在流体力和弹簧力的作用下，阀口打开，衔铁撞击到垫片时，阀口完全打开；

31、所述复位弹簧使得衔铁、推杆、阀芯始终处于接触状态；

32、所述高速开关阀的机械噪声产生部位包括衔铁和垫片、衔铁与推杆、推杆与阀芯、阀芯与阀座的接触部位；在阀口关闭时，由于碰撞发生在一瞬间，故而衔铁与推杆接触部位发生碰撞a1，推杆与阀芯接触部位发生碰撞a2，阀芯与阀座接触部位发生碰撞a3，三处的碰撞同时发生并产生机械噪声，同时在阀口关闭时，进油口腔容腔发生剧烈变化，阀腔内产生流体压力冲击a4，产生流体噪声一；在阀口完全打开时的瞬间发生碰撞，具体为，阀芯与推杆接触部位发生碰撞b3，推杆与衔铁接触部位发生碰撞b2，衔铁与垫片接触部位发生碰撞b1，三处的碰撞同时发生并产生机械噪声，同时在阀口打开时，高压油液流过阀口的狭小间隙，产生流体压力冲击b4，产生流体噪声二。

33、本发明根据机械噪声和流体噪声对高速开关阀声压贡献量的不同，以及机械噪声和流体噪声出现的时刻不同，采用声压传感器检测高速开关阀在实际液压系统中的机械噪声和流体噪声的时域声压信号，本发明能充分根据上述信号特点，对不同类型的故障进行故障识别，有助于实现实现高速开关阀在液压系统中的故障诊断。

34、本发明可根据高速开关阀在液压系统中工作时内部部件运动产生的机械噪声和流体噪声的时域声压特征来进行故障识别，并可分析故障的原因，提高故障识别效率。