（流体机械及工程专业论文）基于小波变换的电液比例阀的故障诊断分析.pdf

摘要 摘要 在液压传动系统，各种故障的存在总是避免不了的，再加上电液比例阀的加 入，使得系统集机、电、液于一体，高度的集成性使阀构成一种体积小、重量轻、 响应速度快的大功率控制单元，但是这也使其故障诊断变的异常复杂起来。在故 障测试中，信号的时变性，非线性，还有液固藕合结构的特点，使得故障特征的 提取与故障诊断更加困难，因此，有待开发一种有效的识别这种故障信号的工具。 众所周知，由于小波分析具有良好的时频特性，即在低频部分具有较高的频 率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率 分辨率，而被誉为“数学显微镜”，并且还可以进行多分辨率分析，因而被广泛应用 于信号处理和故障诊断。对于时域分析和频域分析都很重要的电液比例控制系统， 小波分析无疑是最理想的信号分析工具。 在分析电液比例阀的组成结构和工作原理的基础上，构建了非破坏模拟检测 系统，利用此系统使得对阀的故障诊断变得方便快捷。其次运用小波变换原理， 首次提出了小波模型构造法，来实现电液比例阀的故障诊断。最后通过大量的实 验和反复论证，运用m a r l a b 数学软件对所采集的信号进行逐个分析，得到了中 肯的结果，且符合实际，证实了实验方法与系统的可行性和可靠性。 关键词：电液比例阀小波变换故障诊断 河南理工大学硕士学位论文 t h ef a u l td i a g n o s e sa n da a i y s i so ft h ee l e c t r o _ h y d i a u l i c p r o p o r t i o n a lv a l v e b a s e do nt h e h v e l e t1 y a n s f o r m s nc a n ta v o i d 出a ta 1 1k i n d so f f a 谢te x i s ti nt h eh y ( h u 王i c 捌v es y s t e m ，a t l dt l e e l e c t r o h y d r a u 】j cp r o p o n i o n a l 、嘲v ei sj o i n e dt o 幽es y s t e 】n ，w h i c hi n t c g r a t e se l c c t r j c a l 、 n u i da 1 1 dm e c h a n i c a l 血oa t i n yp a c k a g e i i 曲硫e g r a t i o nm a k ev a l v eb e c o m eak i n d o f l i t n e c a p a c i t y 、l i 曲t w e 蟾h t 、q u i c k l yr c s p o n s es p e e d 、b i gp o w e rc o n 仃0 1u 血w i mm e r e s u l tt h a t 廿1 ef h u l td i a g n o s e sb e c o m em o r ec o m p l e xi nt h ef h u l tm e a s 嘶n g b e c a u s eo f t 1 1 ef c a n 】r e so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o n i o i l a lc o n 订o ls y s t e ms u c ha st i i n ev a r y m g ， n o n l i n e a ra n dc o u p l i n go fn u i da n ds 0 1 i d 1 tb e c o m e sm o r ed i f f i c u l ti n 廿l ea b s 廿a c t i o n o ft h cf a u l tf e a t u r e s 甜1 dt 1 1 ef a u l td i a g n o s e s a sar e s u l t ，at o o l ，w h j c hc a ne m c a c i o u s l y d i s t i n g u i s hf o lt 1 1 ef a u l ts i g n “，m u s tb ed e v e l o p e d a sw e l lk n o w n ，w a v e l c ta n a l y s i si sr e f b r r c dt oa sam a m e m a t i c a lm i c r o s c 叩e n t a k e sa d v a n t a g et of o 血e r 仃a n s f o n na n dg a b o rt r 锄s f o mi i li t sm u l t i - r e s o l u t i o n a f l 甜y s i sb o c hi n 血1 ed o m 瓤na n di n q u e n c yd o m a i n ni st h er e a s o nw h y ，a v e l e t a 1 1 a l y s i sf i n d ss ow i d ea p p l i c a t i o ni n 吐1 ea r e ao fs i g i l a lp r o c e s s i n ga n df a u l td i a g n o s i s i t i sa l s on l er e a s o nw h yi ti s 印p l i e di nf a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i so fe l e c 订o _ h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t m ls y s t e m ，b e c a u s et h et i m er e s p o n s ea n dt h e 丘e q u e n c yp e d b 衄a i l c e a r eo f m es 踟ei m p o r t a n c ei n 血i st y p eo f s y s t e m i n 廿l ep a p e r ，m em e a s u r i n gs y s t e mo fn o n d e s 订o ys i m l l l a t i o nf a u l ti se s t a b l i s h e dm m eb a s eo f r e s e a r c h i n gm ec o m p o n e ma 1 1 dp 工i n c i p l e o f 1 e e l e c 订o _ h y d r a u l i c p r o p o n i o n a lv a l v e ni st h es y s t e mw h i c hh a dt h ef 砌td i a g n 。s e sb e c o m ec o n v e n i e n t s e c o n d l y ，廿l ec o n s 仇l c t i o no ft h ew a v e l e tm o d e l i ss e t - u pf i r s t l ymn l eb a s eo f 印p l y i n g 也em e o r yo f 廿1 ew a v e l e tt r a n s f o 皿s a saf o l l o w ，t 【1 r o u 曲l o t so fe x p e r i l n e ma n d r e l e a t e dd i s c u s s i o n ，m 舶r l a bi s a p p i i e dt oa n a i y s i st h ec o l i e c t e ds i g i l a i ，a 1 1 d 血e p e n i n e mr e s u l ti sg a i n e d ，w h i c hi sm a t c ht om ef a c t n 印p r o v et 1 em e t h o da ns y s t e mi s v i a b l ea n dc r e d i b i l i 够 k e y w o r d s ：e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o n i o n a lv a l v e w a v e l e t 仃a n s f o m s f h m td i a g n o s i s i i 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：整塑生 二卯5 年牛月1 - 日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：整壑垄 指导教师签名： 鍪! 垒! ， 5 年中月 ，p 日 矽降口月，口日 第l 章绪论 1 绪论 1 1引言 现代意义的电液比例技术始于二十世纪6 0 年代后期，当时由于人们对各类工 艺过程进行了深入的研究，已有可能写出某些工艺过程的最佳数学模型，从而对 工程控制提出了更高的要求。现代微电子技术的迅猛发展，特别是计算机技术的 发展，尤为实现各类工艺过程的最佳控制提供了技术基础，因此，工程控制理论 的应用，逐步从航空航天和军事领域普及到广大的民用工业部门，而传统的电液 伺服控制技术虽可满足这一要求，但由于其过高的造价、维护费用和系统能耗以 及对环境的苛刻要求，难以为一般的工业部门所接受，在这样的社会需求的推动 下，电液比例控制技术应运而生。 随着电液比例技术的发展，对于常用的常规阀，一般都有相对应的比例阀。 电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。它可以接收电信 号的指令，连续地控制液压系统的压力、流量和方向等参数，使之与输入电信号 成比例地变化，它也可用于开环系统中实现随液压参数的遥控，还可以作为信号 转换与放大元件用于闭环控制系统。 电液比例流量阀作为电液比例控制技术中的主要元件，担负着对流体传动及 控制技术中的两大基本参数之一的流量参数进行控制的任务。流量控制的最终目 的在于控制执行元件的速度( 角速度) 和位移( 转角) 。随着各类工艺过程自动化 程度的提高，对电液比例控制系统的静、动态性能的要求也越来越高。h “6 ” 进入九十年代以后，电液控制系统的性能研究基本上趋于成熟，人们关注的 焦点逐渐转到如何提高电液比例阀的可靠性，因为阀功率越大，控制精度越高， 当其产生故障甚至失效时，造成的损失也就越大，因此也就越不能允许其故障的 产生。尽管有些文献曾介绍了一些电液比例阀的故障推断和故障排除的方法，但 是这些研究都基于系统或元件已经存在并导致失效甚至停机时进行的，这实际上 是一种事后处理模式，可以称为基于失效事件的诊断方法。在许多现代电液控制 系统的应用中，往往绝对不允许阀失效后才进行解剖，这就要求有更先进的诊断 手段，这种要求推动了现代故障诊断技术在电液比例阀故障诊断上的应用。现代 故障诊断技术与传统故障推断技术具有本质区别，前者以失效现象或事件为基础， 而现代故障诊断技术是以信号采集、信号分析处理和特征提取为主要诊断手段， 河南理工大学硕士学位论文 可以称之为基于信号处理的故障诊断方法。故障诊断过程包括信号检测、征兆提 取和诊断决策三个步骤。信号分析是桥梁，起着从检测信号中提取故障征兆的重 要作用。经过几十年的研究，信号分析技术无论在理论上还是在实用上都已走向 成熟和完善，先后出现了幅值分析、相关分析、频谱分析和时序分析为代表的一 系列信号分析方法，能够从多角度和多侧面对信号进行分析、处理，找出信号中 反映设备状态的本质特征，为设备故障诊断提供了科学可靠的依据。”瑚1 1 2电液比例阀故障诊断的特殊性 电液比例阀故障诊断问题在近期还没有听到把它作为一个单独的研究项目来 展开研究，它一般被包容在普通液压系统故障范围内。当然，电液比例阀的故障 诊断技术也是从普通液压系统故障领域中脱胎而来的。早期的故障研究方法具有 两个特点：一是主要以失效模式为主，二是以专家经验为主。然而，正是由于普 通液压系统故障诊断研究的逐渐成熟，为电液比例阀的故障诊断打下了雄厚的基 础，因为电液比例流量阀的故障一部分也是来源于液压油的问题，其中前一部分 都在普通液压系统故障研究中得以解决，这为电液比例阀故障诊断扫清了障碍， 使得电液比例阀故障研究只集中于后一部分上。另外，系统和元件失效模式的积 累，为现代故障诊断撮合了数据上的有利条件，专家的感觉其实是最简单易行的 传感技术，它也为现代故障诊断方法提供了传感方案和数据采集的有效研究方向。 当人们在对电液比例阀故障进行诊断和处理时，很快就会发现，它与普通的 液压系统或液压元件的故障诊断有着一定的共性，但更有其特殊性，其特殊性表 现在： ( 1 ) 高度集成。电液比例阀既有机械方面的部件又有电气方面的电路、控件， 一个简单的阀由放大器、电机械转换器件、液压转换及放大器件、测量及反 馈器件等重要零部件组成。高度的集成性使阀构成一种体积小、重量轻、响应速 度快的大功率控制单元，但是这也使其故障诊断变的异常复杂起来。 ( 2 ) 高的控制精度。由于液压元件的泄漏很小，液体介质的体积弹性模量又很 大，所以它就具有较大的速度负载刚性，即速度力或转速力矩的由 线斜率的倒数很大，故表现为位置刚度大，其定位精确度受负载变化的影响也就 很小，精度也就很高，它对于液压油的清洁度的要求也就随之而变的异常苛刻。 这样在普通液压系统中问题不太突出的液压油问题，在电液比例阀中越来越成为 重要的故障源。 2 第1 章绪论 ( 3 ) 故障范围的扩大。电子元件的引入还从另一方面扩大了电液比例阀的故障 范围。电液比例阀敌障诊断的任务，一方面要针对液压过程，另方面还要针对 电子控制甚至计算机控制过程。其复杂程度远非普通液压阀所能比较。 ( 4 ) 故障特征难以提取。因为电液控制系统的故障往往是在其控制特性方面 的。这些特性不像普通液压阀那样故障明显，又不像液压泵故障那样具有规律的 周期性。 正是因为电液控制系统的故障诊断这种特性，一方面促使其从普通液压系统 故障诊断中脱离出来，另方面，研究方法也主要以检测方法为主，也就是基于 信号采集与处理的方法。m 1 5 6 3 枷 1 3 基于信号分析的故障诊断方法 就机械工程范畴来说，由测试或监测所得到的各种动态波形，可以是简谐的、 周期的、瞬态的、随机的等各种形式，它们分别代表着各种物理量，如应力、压 力、位移、速度、加速度等等。但是它们都可有一种共同的表现形式，即物理量 随时间有一定的变化轨迹。若把时间作为横坐标，各种物理量作为纵坐标，便可 得到一种变化的图形，这就是我们所说的波形。从这些波形中，可以直接得到一 些关于物理量的信息，如幅值、周期等。但是这些信息往往是十分有限的。从随 机波的波形中直接提取不出什么有用的信息，所以必须对波形( 信号) 进行加工 处理( 信号处理) 。也就是要把动态波形从以时间为坐标轴的时域转换到以频率为 坐标轴的频域上进行分析( 频者、功率谱密度函数分析) 。为了全面地、深刻地揭 示出动态信号所包含的信息，除频域分析处，还应有幅值域( 均值、方差、概率) 、 时差域( 自相关、互相关) 、计数域( 峰值计数) 、转速域( 幅值变化、阶次) 及 倒频域( 倒频谱) 分析等。但它们之间都存在着内在的数理关系。处理时可以进 行楣互转换，如时域分析与频域分析是可以相互转换的。 信号处理与分析虽然是一门新兴的科学，但在理论上早已成熟。目前对动态 信号的研究日益广泛的情况下，已经从确定性信号分析发展到随机信号分析的阶 段。在基于信号处理的故障诊断方面，美欧和日本一直处于领先地位，美国已经 成功地应用于航天、航空及机械工业中，日本在钢铁、化工等领域发展很快，英 国和丹麦也各有特色，出现了大量的研究论文、著作。英国和丹麦的诊断仪器， 标志着这一技术的成熟程度。在国内，虽然开始于八十年代，但其发展也是很快 的。一些重点大学如西安交通大学、哈尔滨工业大学，东北大学都成立了故障诊 的。一些重点大学如西安交通大学、哈尔滨工业大学，东北大学都成立了故障诊 河南理工大学硕士学位论文 断研究机构。大量的教材和专著不断问世，如杨叔子、钟秉林在机床和机械加工 过程的故障诊断方面的研究是很有特色的。 但是上述分析方法都是采用传统的傅立叶变换给出信号的统计平均结果，即 基于平稳过程的经典信号处理方法，仅从时域和频域给出信号的统计平均结果， 无法同时兼顾信号在时域和频域中的全貌和局部化特征。而在电液比例阀中，它 的时变、非线性、液固耦合等特点，使其状态信号具有时变特征，属于非平稳信 号，其幅值和频率特性随时间不断改变。对于时变信号，传统的时域分析或频域 分析不能解决问题，必须采用能反映信号时变特征的时间频率两维分析方法 才能对信号进行有效分析，找出信号中的故障特征。被认为是近年来在工具和方 法上有重大意义的小波变换，为我们展示了美好的前景，“小波”就是小的波形， 所谓“小”是指局部非零，波形具有衰减性。“波”是指它具有波动性，包含有频 率的特性。小波分析具有良好的时域局部化特征，可以准确的描述瞬变信号的局 部特征，成为时频方法中发展最为迅速的一种，被誉为“数字显微镜”。论文第三 章将对几种常用的信号分析工具进行对比，进而选出适合本课题研究所实用的工 具。 对于电液比例阀，可采用阶跃响应法和随机信号频率响应法进行状态监测与 诊断。阶跃响应法是通过给系统输入阶跃信号，检测其阶跃响应，并与正常状态 下的响应特性比较，确定系统的运行状态；随机信号频率响应法是在系统控制信 号中加入微弱的白噪声，通过测量控制系统响应，并与正常时的传递特性比较， 来确定系统的运行状态及故障的原因和部位。本论文采用的是第一种方法即阶跃 响应法来对电液比例阀系统进行检测与诊断的。m ”1 1 4 本文的主要研究内容 对于用小波理论来进行电液比例阀故障诊断这个题目的研究直到现在还没 有，通过对国内、外关于电液系统故障诊断文献的总结，和对应用小波分析的故 障诊断的应用研究，提出了在非破坏性条件下，模拟测试系统的故障。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 实验系统研究。在分析研究电液比例阀结构与工作原理的基础上建立了先 进可靠的实验系统，实现了故障的重复无损模拟，来模拟系统中经常出现的故障， 为采集信号搭起了硬件平台。 ( 2 ) 通过在对常用的傅立叶变换、g a b o r 变换在信号分析中存在局限性的分析 4 第1 章绪论 基础上，引入小波变换这一新兴数学分析方法，首次提出小波残差构造法，来实 现电液比例阀的故障诊断。 ( 3 ) 软件平台的开发。主要介绍了基于v c + + 的数据采集系统和基于m a t l a b 的数据处理系统。实现基于数据采集、数据处理的故障诊断测试。 ( 4 1 试验结果及其分析。在这一部分，主要针对电液比例阀的泄漏、压力波动 和温漂故障进行了实际的故障检测和诊断，通过分析测试结果，考察所开发的诊 断方法，研究实验系统的可行性和可靠性。 1 5 课题意义 小波分析作为二十世纪数学上最伟大的创造之一，它的研究和应用对一个工 程技术人员来说都是极其有意义的。采用小波分析方法对机电系统及其元件的故 障诊断属于国际前沿的应用基础研究，具有巨大的科学价值和广阔的应用前景。 研究成果的完善、成熟和推广应用，会因能预期设备故障，提高设备可靠性而带 来可观的经济效益。 第2 章电液比例阀的故障模拟 2 。1 引言 2 电液比例阀的故障模拟 模拟电液比例阀的故障不像一般的机械装置( 如轴和齿轮) 中的故障模拟， 在电液控制设备上的人为导致故障( 如密封、配合) 往往是不可重复的，每次产 生故障必须破坏一个非常昂贵的阀。这种研究代价是制约这一领域发展的一个因 素，也是促使我们对电液比例阀进行模拟分析的重要原因。本章将在分析研究阀 的结构与工作原理的基础上探讨一种可能的解决方案，即在实验设备上设计一些 非破坏性的故障模拟方法。通过设计一定的元件和回路，利用这些元件的正常功 能来模拟系统的故障。利用这种方法，可以在实验设备上进行故障模拟而不必破 坏阀。更重要的是这种方式产生的故障可以任意地重复，这就为进一步开展电液 比例阀故障诊断的研究奠定了基础。 2 2电液比例阀的结构与工作原理 2 2 1 组成结构 图2 一l 给出了电液比例流量阀的结构原理及工作原理框图。该阀由耐高压直 流比例电磁铁、单控制边先导滑阀、二通插装结构的主调节器及流量传感器等五 部分组成。先导控制部分采用b 型液压半桥，由固定液阻r ，和先导阀的可变节流 口组成。它的工作原理框图由图2 2 给出。 图2 1 流量力反馈比例阀的结构 f i g 2 lt h es n l l 咖r eo f n u x - p o w e r 是e d b a c kp r o p o r t i o n a 】v a l v e 7 河南理工大学硕士学位论文 图2 _ 2 流量力反馈比例阀原理及工作框图 f i 9 2 2t h et h e o 叮a n df l d wc h a no f n u x p o w e rf e e d b a c kp r o p o n i o n a lv a l v e 2 1 2 2耐高压直流比例电磁铁 比例电磁铁作为电液比例流量阀的电机械转换器，其功能是将比例放大 器输出的电流信号转换成为作用力，推动先导阀芯( 对于直动式阀就是主阀芯) 动作。比例电磁铁推力大、结构简单、对油质要求不高、维护方便、成本低廉以 及衔铁腔可作成耐高压结构的特点，使其成为电液比例控制技术中应用最广泛的 电机械转换器件。其典型结构及力特性如图2 3 所示。 8 ) 基本结构b ) 位移一力特性 1 推杆2 工作气隙3 非工作气隙4 衔铁1 比例电磁铁2 普通电磁铁 5 轴承环6 隔磁环7 导套8 限位片 l 一吸台区i i 一工作行程区一空行程区 图2 3 耐高压直流比例电磁铁的结构和特性 f 培2 - 3t h es 订u c t l l r ea n dc h a r a d e r i s t i co f h i g h v o l t a g ep r o p o n i o n a le l e c 订o m a g l l e t 比例电磁铁的控制特性以及工作可靠性，对电液比例阀以及系统都具有十分 重要的影响，是电液比例阀的关键部件之一。电液比例阀对比例电磁铁的要求主 要有： ( 1 ) 水平的位移力特性：即在比例电磁铁有效工作行程内，当线圈电流一 定时，其输出力保持恒定。这是比例电磁铁同普通电磁铁质的区别。 8 第2 章电液比例阀的故障模拟 ( 2 ) 稳态电流力特性具有良好的线性度，较小的死区和滞环。 ( 3 ) 阶跃响应快，频响高。 本文试验用的流量阀，其比例电磁铁型号为：b e d g 0 3 5 ，主要技术参数如下 表2 1 所示。 表2 1b e d 嵋0 3 5 比例电磁铁的技术参数 t a b l e2 - 1t h et e c l l n i c a lp a r 啪e t e ro f b e d g 0 3 5p r o p o n i o n a le i e c 打o m a g t l e t 2 _ 2 3 先导控制阀 先导控制部分，采用滑阀式结构，阀口为对称布置的圆孔。这种结构有很多 优点，如运动导向好、工艺性好、容易构成小的通流断面、阀口无冲击等。不足 之处是尺寸和质量略大、径向间隙的泄漏不可能为零、配合状态对滑支副工作状 态的影响不可忽略。 2 2 4 主调节器组件 主调节器组件采用二通插装式结构，具有可适应高压、大流量，可实现无泄 漏控制，形状特性好，流量控制特性好的优点。 2 2 5 流量传感器组件 流量传感器组件也采用二通插装式结构，其功能是将流量转化为阀芯的位移 量z ，通过特殊设计阀口，使流量与位移成线性关系： q 2 k o ：。z 式中：k 。：流量位移增益 通过反馈弹簧的作用，位移z 进一步转化为力。 ( 2 - 1 ) 河南理工大学硕士学位论文 2 2 6 工作原理分析 由图2 1 可知，在无输入信号时，在反馈弹簧作用下，先导阀芯处于上止位， 先导阀口关闭，无先导流量通过。因此，主调节器阀芯( 件3 ) 两端压力相等，由 于阀芯面积差和复位弹簧的作用，无论流量阀进口压力p ，有多高，主调节器阀口 均处于关闭状态。此时流量为零，这就是输入信号时该阀可靠的自锁功能。 当输入一足够大的电流信号时，开始阶段先导阀芯在电磁力的作用下快速移 动，使先导阀口开启到最大开度，先导控制油经固定液阻r 。、r ，、先导阀口流至 流量传感器阀芯的前端，经其检测后流往负载。由于先导阀口的迅速开启，主调 节器控制油腔压力p ，急速降低，在p ，与p ，压差作用下，主调节器阀芯移动，阀口 开启，流过的主流量同样为流量传感器所检测。流量传感器将流量转换为位移z ， 通过反馈弹簧进步将位移转换为作用在先导阀口的的开度及控制压力p ，保证 阀运行在某一稳定的工作点上，并使输出流量与输入电信号成比例关系。 当系统受到信号干扰时，例如负载压力p 。升高，流过主调节器和流量传感器 的体积流量就有减少的趋势。此时，阀芯位移z 减少，使得反馈弹簧力减小，由 于输入电磁力不变，故先导阀口开度略有增大，先导液压半桥工况发生变化，进 而调整了主调节器的阀口开度，使通过阀口的体积流量有增大的趋势，阀芯位移z 就有可能回复或接近与输入电信号相对应的调定值。最后，输出流量也恢复至调 定值，出现其他干扰引起的流量变化时，阀内也能自动完成类似的流量位移 力反馈的调节过程，从而保证阀具有良好的稳态负载特性。h 】 脚心6 1 2 3 泄漏的非故障模拟实现 如图2 4 所示，电液比例阀的最常见的故障是泄漏，电液比例阀有两种不同 的泄漏形式。种是内泄漏，即从高压腔到低压腔的微小泄漏。另一种是外泄漏， 即是从阀内部到外部的流量。内泄的原因是阀芯和阀套之间的间隙过大，也可能 是因为密封原因造成的，或者是其他的原因。 在图2 4 中，假设供油流量为q ，则没有泄漏时的流速是： 旷詈 1 0 ( 2 2 ) 第2 章电液比例阀的故障模拟 在泄漏情况下，图2 4 的泄漏量是： q l = k l a q l 一p 2 ) 这时，阀芯的运动速度为 外泄漏 d o 一u 内泄漏 内泄漏 图2 4 比例阀的泄漏原理 f i g 2 4t h el e a b 山e o i yo f m ep r o p o n i o n a lv a l v e ( 2 3 ) ( 2 4 ) 比例阀故障可以用这样的回路来进行模拟，如图2 5 所示，在阀上并联一个 换向阀和一个节流阀，形成一个回路，这个回路可以叫做泄漏回路。从p 。到p ，的 流量o 可以用来模拟阀的泄漏。节流阀用于调节流量和控制回路，流量计用于测 量模拟系统的泄漏量。由于泄漏回路的作用是用来模拟泄漏流量，所以，所选节 流阀的流量规格和范围应该很小。 图2 5 的故障模拟原理如下：在图示的系统中，阀是没有故障的，即没有泄漏， 当节流阀8 6 和8 c 同时关闭时，模拟的是阀的无故障状态：当节流阀8 6 关闭，8 c 开 启时，则可以用来模拟比例阀的外泄漏流量；如果在节流阀8 6 开启而8 c 关闭时， 这可以模拟内泄漏，此时节流阀的流量就可以看成比例阀的内泄漏流量。节流阀 的流量是： q = r ( p l p2 ) ( 2 5 ) 通过适当设计节流阀可使妒= 1 ，阻力系数r 是可调的。通过调节r 可以满足 河南理工大学硕士学位论文 r = k 的关系。因此，式( 2 3 ) 和( 2 5 ) 之间的相似关系表明内泄漏q 。可由节 流阀8 6 流量q 代替，也就是： q = q 。 ( 2 6 ) 通过调节流阀控制r ，可以模拟不同的泄漏量，并可研究其对速度的影响。 1 一液压源2 一溢流阀3 一旁通阀4 一温度计5 一压力计6 一被试阀 7 一流量计8 一节流阀9 一换向阀1 0 一蓄能器 图2 5 比例阀的试验回路 f 嘻2 - 5t 1 1 et e s tl o o p0 f t h ep r o p o 而o n a lv a l v e 模拟系统可以给出外泄漏的模拟，同样可由节注阀控制泄漏量。泄漏量可由 流量计或量杯测量。用这种方法，可以制造比例阀的内泄漏、外泄漏，重要的是 这些模拟故障可以任意重复出现而又不使阀本身失效。n 5 2 1 7 3 2 4 比例阀压力波动和温度漂移的非故障模拟实现 2 4 1 压力波动 比例阀在工作当中会产生不稳定的压力，称之为压力波动。当管路内的液体 流速由于阀门突然关闭或开启而发生剧变时，管路内的压力也随之发生剧变，它 使阀产生噪声，影响阀的动作寿命，还有在连续循环过程中，油中将混入相当的 空气，由于油路中空气的存在使油泵工作时产生压力脉冲，同时机械部件也在不 完全油润滑状态下工作，加速了机械部件的磨损，机械部件的磨损又引起了其间 隙的增大，使得油压产生间隙波动，如此往复，使油压波动有越来越严重的趋势， 1 2 第2 章电液比例阀的故障模拟 综上所述，阀门突然关闭或开启、油中混入空气和间隙波动是使阀产生压力波动 的三个主要原因。 ( 1 ) 最大压力波动 由经验公式知，最大压力波动只。与液体重度、压力传播速度、液体流速和 液体密度有关，由下式确定： p m 。= 上口圪：彤( ，所2 ) p m “2 古。彤( ，所2 ) 式中：y 液体重度，m 2 譬重力加速度，9 8 m j 2 压力波传播速度，m s k 液体流速，卅5 p 液体密度，磁埘3 上式中压力波传播速度口可用下式来表示 弘南几)詈( 妻+ 钉。 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 式中：k ：液体的体积弹性系数，脚2 b ：管壁影响系数，薄壁管时b = d s ，厚壁管时 占= 2 ( d ? + d 2 ) + ( d ? 一d 2 ) ，其中d 为管的内径，s 为管的壁厚， d 为管的外径 e ：管所用材料的纵弹性系数，_ v m 2 ( 2 ) 影响压力波动的因素扯。的大小与下列参数有关： 与液体密度尸有关，密度越大波动越大。文献提供的密度p 值有：水为 1 0 0 0 殛。聊3 ；机油为9 0 0 一9 5 0 j 国朋3 源油为8 2 0 岛肌3 ；煤油为7 8 0 - 8 2 0 磁3 ； 汽油为6 6 0 。7 5 0 触。m 3 因此，水的影响较为严重。 与液体流速k 有关，越高波动越大。水的粘滞性低流速快，油类等介质 粘滞性高流速较慢，因此，水的影响较为严重。 河南理工大学硕士学位论文 压力波传播速度口受液体体积弹性系数k 的影响。k 大则d 大，于是压力波 动加剧。文献提供的k 值是：水为2 0 3 x1 0 2 聊j ，液压油为( 1 4 2 0 ) 1 0 2 埘j 。 压力传播速度口受管材纵弹性系数e 的影响。e 大则口大，于是压力波动也 大。管材的e 值是：钢为2 0 1 0 1 0 ；铸铁为1 2 1 0 1 0 脚2 ，紫铜为1 2 1 0 1 0 m 2 ， 等等。 ( 3 ) 缓和压力波动的措施 在液压回路中一些开关阀，它们的关闭和开启的时间极短，以毫秒计。通常 先导型阀的t 。为0 1 1 0 s ，直动式的t 。更短，约为先导型的1 1 0 0 ，因此常会使压力 波动剧烈，情况严重。另外，一些阀阀芯密封一般是平板型的，流量特性为快开 闭，关阀时压力很快达到压力波动最大值，所以会产生压力波动。基于以上情况 我们在做实验时尽量做到以下两点：1 6 5 1 延长开关阀的时间。 尽量选用那些阀芯结构不是平板型的，还要控制阀门开度来改善流量特性。 2 4 2 温度漂移 虽然温度对比例阀性能的影响不像其它因素那么明显，那么剧烈，但是，在 不同场合，元件的温度特性对用户也是至关重要的，按电液比例阀元件的实际情 况可分为环境温度特性和介质温度特性。前者主要反映电子放大器和温度特性， 后者主要表现为比例阀本身的温度特性。 环境温度特性：在介质温度和运行参数不变的情况下，输出量随电子比例放 大器环境变化的温度特性曲线簇。 介质温度特性：在运行参数和比例放大器环境温度不变的条件下，对应于一 组给定的控制信号，元件的输出量随介质温度变化的温度特性曲线簇。 温度漂移：环境温度或介质温度每变化1 。c 时，特性曲线上控制输出量的最大 漂移量。 在这里假定环境温度是不变的，只测定介质温度变化对比例阀的影响，从而 找到一个合适的介质温度，也就是说，在此介质温度下工作，阀的性能表现为最 好。 4 2 2 2 7 3 第2 章电液比例阀的故障模拟 2 4 3 压力波动与温度漂移故障的实现 压力波动故障的出现，主要是由于系统供油不稳定造成的，这种故障如果在 系统中，将稳定压力里的蓄能器摘除，就可以实现。而温度漂移故障的实现，可 以考虑在油箱内设置一个加热器，通过开启或关闭加热器，来完成温度漂移故障 的实现。 整个电液比例阀故障诊断系统建立起来了。它由电液比例阀控制系统、工业 控制计算机和传感器组成，如图2 6 所示。3 0 1 “3 3 7 3 蓄 能 器 图2 6 故障诊断系统 f i g 2 - 6t h es y s t e mo f m ef a u l td i a g n o s e s 图中参数，t 一温度，p 。，p ：，p 。一压力，j 一电流。 电液比例阎控制系统的参数通过传感器转变为模拟电压信号v 或b c d 代码， 然后输入计算机进行采集、处理和显示。 2 5 测量参数的选择与传感器的放置 系统测量的目的是要获取系统或元件故障检测和诊断所需要的尽可能多的信 息。传感器是控制系统的基本要素。对于泄漏故障的诊断，也给出了一个要求， 就是要测量电液比例阀的控制电流，这个参数很容易测量而又能明确反映故障特 征，因此可以选做测量参数之一。在电液比例控制系统中，还有另外两个容易测 量而又能反映系统故障的参数是电液比例阀的进口压力和它的进口压力，这都可 以通过压力传感器得到。 河南理工大学硕士学位论文 最后，我们采用四个测量参数，它们分别是系统输入电压u ，线圈输入电流i ， 电液比例阀进口压力p ，和进口压力p ：。关于传感器的布置，对于比例阀的输入电 压和线圈的输入电流，可以通过数据采集卡直接采入计算机，压力信号的传感器 分别安装在比例阀的进口和出口，本系统采用的是压阻式传感器，这两种传感器 的特点是，在传感器本身都带有内置式放大器，放大器的输出信号为电压信号， 输出幅值为士5 v ，这样的输出可以直接用计算机采样。传感器的布置方案可参照 图2 6 。 2 6 本章小结 本章主要完成了以下三方面的工作： ( 1 ) 论述了电液比例阀的工作原理和给出它的工作框图，为以后的工作打下一 个坚实的基础。 ( 2 ) 提出了电液比例阀和电液比例控制系统故障的非破坏性模拟方法这一概念 及其基本思想。 ( 3 ) 设计了比例阀泄漏故障、压力波动和温漂故障等部分故障的非破坏性模拟 方案，同时给出了这些模拟的实现方法。 1 6 第3 章小波变换应用于电液比例阀故障诊断的理论 3 小波变换应用于电液比例阀故障诊断的理论 3 1引言 专家模式的故障诊断的基础就是信号分析，传统的信号分析是建立在傅立叶 变换的基础上的，而傅立叶变换是对稳定信号分析的理想工具，它把稳定信号分 解为正弦波的线性组合，它是一种全局的变换，要么在时域，要么在频域，因此 没有办法表达信号的局部特征。然而，信号的局部特征对于非平稳信号来说，却 是最根本也是最关键的。为了分析非平稳信号，经过大量科学家的研究，在傅立 叶变换和g a b o r 变换的基础上，提出了小波分析，它是傅立叶分析划时代的发展 结果，在这一章中我们将在分析傅立叶变换和g a b o r 变换的局限性的基础上，引 入小波分析这一新兴的数学分析方法，来实现对电液比例阀的故障诊断信号的处 理。 众所周知，故障诊断过程基本上可分为三大步骤：第是诊断信息获取；第 二是故障特征提取；第三是状态识别和敌障诊断。信号处理是特征提取最常用的 方法。“平稳信号”就是它的特性按时间统计是不变的。研究平稳信号最有效的 工具是傅立叶变换，它将平稳信号分解成谐波的线形组合。“非平稳信号”的特 点是，无论是否知道它的历史状况，在以后的时间里将出现不可预报的突发事件。 目前通常采用基于非平稳过程的经典信号处理方法，分别仅从时域或频域给出信 号的统计平均结果，无法同时兼顾信号在时域和频域中的全貌和局部化特征，而 这些局部化特征常常是故障的所在。因此，迫切需要研究如何对监测诊断中得到 的设备动态信号的非平稳性进行有效分析。被认为是近年来在工具和方法上有重 大突破的小波变换，为我们展示了美好的前景。小波分析将非平稳信号分解成各 种小波的线形组合，半乎稳信号是“时频小波”的组合，而瞬态信号则是“时 间尺度小波”的组合。由于电液比例阀具有时变的特性，故其故障信号也是 时变的，可认为是瞬态信号。“时间一尺度”分析，又称为“多尺度”分析。它 的基本思想是：在己知的尺度上，信号将代之以相应尺度上所能提取到的最可能 的近似值，通过从大尺度到精确尺度的移动，获得对己知信号的越来越精确的描 述。其具体的实现方式是通过计算从一个尺度到下一个尺度的变化，或者是修改 较粗糙的近似值，得到信号的高质量的描述细节，这也是称为多尺度分析的理由。 河南理工大学硕士学位论文 图3 1 正弦信号和它的傅立叶变换 f i g 3 一ls i n es i 驴a ia n di l sf o 啦i e r 订a n s 向m s 图3 1 ( a ) 所示，即为一在稳态信号中的正弦信号曲线( 快速傅立叶变换) 得到的 反映信号频域特性的傅立叶系数分布图，图3 1 ( b ) 为我们可以看到，它与无间断点 的理想正弦信号的傅立叶系数分布基本没有什么区别，只表示出了信号在频域里 的单一频率成分，并没有反映出信号微小间断点的存在。 为了克服傅立叶变换缺乏空间局部性的不足，d g a b o r 在1 9 4 6 年提出了利用 高斯函数作为窗口函数的g a b o r 变换( 也就是加窗傅立叶变换或者是短时傅立叶 变换) 虽然该分析方法加强了傅立叶变换对时域局部信号的分析、处理能力，但 其亦存在有不可避免的局限性( 见本章第3 3 节的讨论) ，因而未得到广泛应用。 从二十世纪八十年代末兴起、发展了一种新的数学方法小波( w a v e l e t ) 分 析方法，它具有良好的时频局部化特性，为机械故障诊断中的非平稳信号分析，弱 信号提取，信号滤波等提供了一条有效的途径。由于其在原理上克服了传统的傅 立叶变换存在的局限性，己成为信号分析领域中又一研究热点。如下图3 - 2 所示， 即为对图3 1 中所示信号进行小波变换得到的小波系数分布图，从中可以非常清楚 地看到在高频分析d 1 的仁5 0 0 s 时发生了间断，从而确定了间断点发生的准确位置。 小波分析属于时频分析的一种，它与传统的f o 谢e r 理论有着密切的关系。小 波函数存在性的证明依赖于f o 血e r 分析，其思想也来源于f o 嘶e r 分析，但它是 f o 埘e r 分析的新发展，它与f o 埘e r 理论相辅相成。正基于此，为了更好的阐明小 波变换的基本思想与原理，我们先来回顾以下傅立叶变换及g a b o r 变换( 短时傅立 叶变换) 的原理并对其存在的局限性作一简要分析。“ 1 8 第3 章小波变换应用于电液比例阀故障诊断的理论 图3 2 信号的间断点位置的检测 f 噜3 2t h em e a s l l r i f l go f 也ed i s c o n t 洫u i t yp o i mo f 删ts i g n a l 3 2 傅立叶变换及其存在的局限性 自从1 8 2 2 年傅立时( f o 讲e r ) 发表“热传导解析理论”以来，f o 谢e r 变换一 直以来是信号处理领域中应用最为广泛的一种分析手段，从傅立叶变换到快速傅 立叶变换，再到短时傅立叶变换，经过近2 0 0 年的发展，傅立叶变换已经成为人 们在处理信号时的一种成熟的信号处理方法，并在对平稳信号的处理中得到了有 效而广泛的应用。它将信号表示成许多分量之和，从而使信号的分析更加容易， 但是对于复杂的信号，其运算就变得异常复杂。本节论述了f o 嘶e r 变换的原理和 在信号分析中的应用中的不足。 f o _ u r i e r 变换的基本思想是将信号分解成一系列不同频率的连续正弦波的叠 加。令r ( 0 ，2 万) 为2 盯周期的平行可积函数空间，即它表示定义在区间( 0 ，2 万) 2 乏 上满足 l ，( x ) 1 2 出 。的可测函数的全体，这是一个向量空间，则对任意 ； 厂r ( o ，2 石) ，f 。谢e r 变换有以下基本公式。 对三2 ( o ，劢) 中任一函数，0 ) 可用f 。删e r 级数表示为 河南理工大学硕士学位论文 厂 ) = 印“ 其常数c 。为，( r ) 的f o u r i e r 系数。 设( x ) = c 。p “则有 = o ， 所以( 3 1 ) 式可认为是( f ) 被分解为相互正交的元素岛( x ) 的无限和 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 又设 国。= 口“n z = ，一1 ，o ，1 ，)( 3 4 ) 则由于 = o ，m n ，m