液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真 -.pdf
第 3 2卷第 1 2期 2 0 1 1年 1 2月 仪 器 仪 表 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u me n t V0 1 . 32 No .1 2 De c.2 Ol1 液压 电磁 阀故障机理分析与瞬态特性仿真 术 蔡伟 ,郑贤林 ,张志利 , 黄先祥 第二炮兵工程大学西安7 1 0 0 2 5 摘要 液压电磁阀作为液压系统中的关键元件 , 是电控系统和液压系统的控制中枢 , 在大型武器装备中使用数量多、 分布广, 且故障率较高, 对其实施在线监测诊断对于确保液压系统的正常运行十分重要。在收集整理电磁阀常见故障的基础上, 深入研 究了各类故障的发生机理; 通过对电磁阀常见故障和特征信号的可测性分析, 提出了一种基于磁场和振动敏感的电磁阀非介入 式测试诊断技术; 通过对电磁阀工作过程中的磁路分析和阀芯受力分析, 建立了电磁阀的瞬态响应仿真模型, 并进行了实验验 证, 为电磁阀故障的快速检测诊断奠定了基础。 关键词电磁阀; 瞬态特性; 仿真; 非介入式测试诊断; 故障机理 中图分类号 T H1 3 7 . 5 2 3 文献标识码 A 国家标准学科分 类代码 4 6 0 . 4 5 Fa i l ur e me c ha n i s m a na l y s i s a n d t r a ns i e nt c ha r a c t e r i s t i c s i mu l a t i o n o f hy dr a u l i c e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e Ca i W e i ,Zh e n g Xi a n l i n,Zh a ng Z h i l i ,Hu a n g Xi a n x i a n g S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y , X i a n 7 1 0 0 2 5 , C h i n a Abs t r a c t Hy d r a u l i c e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e s a r e t he ke y c o mp o n e nt s i n h y d r a u l i c s y s t e ms ,wh i c h p l a y t h e c o n t r o l e e n t r u m r o l e i n e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m a n d h y d r a u l i c s y s t e m.Th e y a r e wi d e l y u s e d a n d t h e f a i l u r e r a t e i s v e r y h i g h; t h e r e f o r e t h e d i a g n o s i s o f e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e f a i l u r e i s v e r y i mp o r t a n t . T hi s p a pe r s t u d i e s mo s t k i nd s o f f a i l u r e me c h a n i s ms d e e p l y b a s e d o n c o l l e c t i n g a n d r e o r g a n i z i n g c o mmo n e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e f a i l u r e s .Th r o u g h a n a l y z i n g c o mmo n e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e f a i l u r e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s i g n a l me a s u r a b i l i t y,a u n i q u e n o n- i n t r u s i v e t e s t a n d di a g n o s t i c t e c h n i q u e wa s p r o p o s e d b a s e d o n ma g n e t i c fie l d a n d v i b r a t i o n s e n s i t i v i t y .Ba s e d o n t h e ma g n e t i c c i r c u i t a n a l y s i s a n d v a l v e c o r e s t r e s s a n a l y s i s i n t h e o pe r a t i o n pr o c e s s ,t h e e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e t r a ns i e n t s i mu l a t i o n mo d e l s we r e o b t a i n e d a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s we r e c o mp a r e d wi t h e x p e r i me n t a l r e s u l t s .Th i s p a p e r l a y s a s o l i d f o un d a t i o n f o r q u i c k ma i n t e n a n c e o f e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e s . Ke y wor ds e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e; t r a n s i e n t p r o p e r t y; s i mu l a t i o n; n o n i n t r u s i v e t e s t d i a g n o s t i c t e c h n i q u e; f a i l u r e me e h a n i s m 1 引 言 液压电磁 阀是借助电磁铁通电时产生 的推力使阀芯 在阀体 内作相对运 动实现换 向的液压 阀, 其工作性能 的 优劣直接影响装备 的工作与安全 。现有的 电磁阀检测技 术通常采用离线方式 , 将待测 电磁阀安装接人到专用测 试系统中进行检测 , 无法对运行 中的电磁 阀的工作状 态 进行实时在线监测 和诊 断 ; 有 的在线监测方法 需要对 电磁阀的控制电路 或油路进行分解 , 再装 入测试 设备进 行测量 , 这些方法需要分解原有 电路或油路 , 改变 了设备 的工作状态 , 增加 了安全隐患 ; 有的监测方法仅靠定性 的感官诊断 , 无法 实现对 电磁阀状 态的准确检测 。本 文提出了一种基于磁场和振动敏感的电磁 阀非介入式测 试诊断技术 , 能够实现对液压系统大量 电磁 阀的 [ 作 状态进行实时准确的监测诊断 , 其可靠性依赖于所建立 收稿 日期 2 0 1 1 4 3 3 R e c e i v e d D a t e 2 0 1 1 3 基金项 目总装维改课题 [ 2 0 0 9] 装 司 6 2号 、 中国博土后科学基金 2 0 0 7 0 4 1 1 1 1 5 资助项 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 2期 蔡伟 等 液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真 2 7 2 7 的电磁阀仿真模型的准确性 。 以电磁换向阀为例 , 其阀芯运动 的驱动力来 自于电 磁线圈通电产生的电磁力 , 电磁铁本身 或电气 回路故障 都有可能影响 电磁力大小 。此外 , 油液 中的杂 质有可能 堵塞阀 口或阻碍阀芯运动 ; 同样 , 内泄漏 、 弹簧失效都 可 能引起阀芯卡滞 , 而电磁 阀内部磨损也有 可能导致其 工 作不正常。本文以 4 wE 6 E 6 x / E G 2 4 N 9 K 4型 电磁换向阀 为例, 对液压电磁阀几种常见故障的机理、 电磁阀换向过 程 中的受力情况和电磁阀的瞬态特性进行 了深人分析。 根据对故障的可测性和相关理论分析得知, 电磁线 圈在通、 断电过程中, 其周围的磁场强度将发生明显的变 化。而电磁 阀阀芯在 电磁力 的作用下进行换位时将产生 较大的振动, 该振动信号能够传递到阀体表面而被感测。 故可以通过测得左 、 右两端磁信号的变化判断出电磁阀 左 、 右 2个 电磁铁 的通电状态 , 通过测得 阀体的振 动特征 判断阀芯的移动状态 。对测得 的数据进行量化 , 通过磁 场信号和阀体表面振动信号变化的差异, 就可以提取电 磁阀不同状态下的故障特征 , 进而对故障进行辨识。 2 电磁 阀常见故障及可测性分析 3 电磁 阀瞬态特性建模 2 . 1 电磁 阀的常见故障 电磁阀在使用 过程 中常见 的故 障现象 主要有 以下 几种 1 阀芯不运动 导致阀芯不运动的原 因主要有 电磁 铁故障、 阀芯卡紧、 油液变化和复位弹簧故障等; 2 泄漏 主要包括 内漏 和外漏 ; 3 压力损失大 主要是由于实际流量过大、 阀芯台肩或 阀体沉割槽尺寸误差以及阀芯移不到位等原因导致的; 4 漏磁 电磁线圈表面有缺 陷, 从 而导致穿过线 圈 的磁通量发生变化 ; 5 冲击和振动 阀芯运动速度过大或 固定电磁阀的 螺钉松动 , 导致冲击和振动。 2 . 2 各类故障的可测性分析 如前所述 , 本文 的研究 目标 是为基于磁场和振动 敏 感 的电磁 阀非介入式测 试诊断技术提供理论支持 , 下 面 针对各类常见故 障与振 动、 磁场 2类特征信号进行可测 性分析 , 如表 1 所示。 表 1 故障可测性分析 Tab l e 1 Fa ul t t e s t a bi l i t y ana l ys i s 冲击 或振动 查 通过振动检测 根据建模需要, 可以将电磁阀的工作过程简化为 3 个数学 方 程 , 分 别 为 磁 路 方 程 、 电 路 方 程 以及 运 动 方程 。 3 . 1 磁路方程 3 . 1 . 1 电磁线圈电流 根据电磁场理论 , 可得 电磁线圈 电流方程为 i 1 一 般情况下 , 电磁铁 的工作气隙很小 , 故可用磁路分 析法对电磁铁进行参数计算 R R 式中 R 为电磁铁的总磁阻 ; R 。 为工作气隙磁阻 ; R 为非工作气 隙磁阻。 工作气隙的长度 z 随阀芯位移 的增加而减小 , 故 有 z z 。一 。 工作气 隙面积等于阀芯横截面积 A 竹D / 4 代人气隙磁阻计算公式 R z 。 A 可得工作气隙 磁阻 n 4 Z 0一 l go一 。 D 由于非工作气隙为圆环形柱面, 可得其磁阻为 R 一 一 。 0 wD1 所 以电磁铁的电感为 。 D Ni l 。 一 R x 一4 l Z 0一 r D 式 中 肛 。 为真空磁导率 , D为阀芯直径 , Ⅳ为线圈匝数 , z 为阀芯衔铁长度, r 为非工作气隙平均宽度, z 。 为工作 气隙最大宽度 , Z 为工作气隙长度 。 对 进行求导可得 乩 。 订∥ [ 4 f f 0一 r D ] 3 . 1 . 2电磁吸力 F 根据虚位移原理 , 设 电磁铁气隙变化 时吸力做机 1 一 械功为F d x , 它应等于系统总磁能的变化d i d L , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 2 8 仪器仪表学报 第 3 2卷 因此得 F d d L 。 2 F 上述推导过程无任何假设前提条 件 , 因此式 2 为 普适公式 , 对 交直 流 电磁铁 在任何 时刻 包括 静 止 都 适用。 3 . 2电路方程 电磁 阀的等效电路如图 1 所示。 岳 -[ 广 图 1 电磁阀等效电路 F i g .1 Eq u i v a l e n t c i r c u i t o f a n e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e 设 电磁 阀线 圈的 电感量 为 , 则 电磁 阀 的电路 方 程为 dt 粤dt d t 式中 u为线圈励磁 电压 , i 为线 圈电流 , 尺为线 圈电阻 , 为磁链 , t 为时间。 衔铁未动之前 , 可认为 d L / d t 0 ; 衔 铁一旦 吸动 , 即 会产生运动反电动势 , 此时阀芯运动电压方程为 e d L d L 3 d 优 一x L 因此 , 上述方程组中电压平衡方程式可改写为 崇 警 4 3 . 3 运动方程 3 . 3 . 1 弹簧力 F 弹簧力的计算公式为 Flk 0 式 中 k 为弹簧系数 , 又称刚度系数 ; 。 为弹簧的预紧量 ; 为弹簧的变形量, 同时也是阀芯的位移量。 3 . 3 . 2 摩擦力 阀芯运动时产生 的摩擦力主要有 2种 , 一是 阀芯与 阀体之间相互运动而产生 的摩擦力 ; 二是 阀芯 与液压 油 之间的摩擦力 , 也就是液压 油阻力。二者都与 阀芯运 动 速度成正 比。 1 阀芯与阀体之间的动摩擦力 c 等 式 中 C 为电磁 阀的速度阻尼系数 , 为 电磁 阀阀芯运动 的位移量 。 2 液压油阻力 l厂 阀芯在换向和复位 过程 中 , 由于油液具 有一定 的黏 度 , 所 以它会对具有一定速度的阀芯运动产生阻碍作用 , 由此而产生的摩擦力为黏滞性阻尼力 , 根据下式计算 f C , 等 式中 C , 为油液的黏性阻尼系数。 因此 , 摩擦力 等于阀芯与阀体之间摩擦力及液压 油阻力之和 , 故 F 十 f c d x 3 . 3 . 3阀芯运动方程 电磁铁通电阶段 , 线圈通电产生电磁吸力 , 克服弹簧 力和摩擦 力 , 吸引衔铁推动推杆 , 使 阀芯运动 , 因此阀 运动方程为 1 d L 一 c c , m 5 3 . 4电磁 阀瞬态特性仿真模型 根据以上方程 , 可建立 自感 系数 、 电磁线 圈电流 、 阀 芯运动 电压 、 机械运动和电磁 吸力 的仿真模型 , 如图 2~ 6所示 , 形成 5个系统模块。 图2 自感系数仿真模型 Fi g.2 S i mu l a t i on mo d e l f o r s e l f i n d uc t a n c e c o e f f i c i e n t 图3 电磁线圈电流仿真模型 F i g .3 S i mu l a t i o n mo de l f o r e l e c t r o ma g n e t i c c o i l c ur r e n t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 2期 蔡伟 等 液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真 2 7 2 9 图4 阀芯运动电压仿真模型 F i g .4 S i mu l a t i o n mo d e l f o r v a l v e c o r e mo v e me n t v o l t a g e 图5 电磁吸力仿真模型 F i g .5 S i mu l a t i o n mo d e l for e l e c t r o ma g n e t i c f o r c e 图6 电磁阀机械运动仿真模型 Fi g.6 Si mul a t i o n mo d e l f o r e l e c t r o ma g ne t i c v a l v e me c ha n i c a l mo v e me n t 把上述 5个子 系统模块 连接并 封装起 来 , 就形成 了 整个电磁 阀的瞬态特性仿真模型 , 如图 7 所示 。 图7 电磁阀瞬态特性仿真模型 F i g .7 S i mul a t i o n mo d e l f o r e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e t r a ns i e n t c h a r a c t e r i s t i c s 3 . 5仿真 曲线 在上述模型中输入相应 的仿真参数可得 电磁阀瞬态 特性 的仿真曲线如图 8 所示 。 O_3 0 . 2 O . 1 O ,一 O . 1 . 一0 .2 一 0 .3 一O .4 - 0 .5 -0. 6 - 0 .7 a 阀芯位移 a Dis p la c e me n t o f v a l v e c o r e 0 0 .0 5 0 . 1 0l 5 0 2 0 . 2 5 0 . 3 0 .3 5 t/ s b 速度 b S p e e d c 加速度 c a c c e le r a t i o n _ ● _ ‘ d 磁场强度 d Ma g n e t i c fi e l d i n t e n s it y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 3 0 仪器仪表学报 第 3 2卷 3 O 2 5 2 0 歪 1 0 5 一 0 0 . O 5 0 . 1 0 . 1 5 0 .2 0 . 2 5 0 3 0 .3 5 t / s e 电磁吸力 e E l e c t r o ma g n e t i c f o r c e . 、 ’ ● I _ ● t 0O5 0 . 1 0. 1 5 0 2 0. 25 0 . 3 0 . 35 t / s D线圈电流 0 c o i l c B r r e n t 图 8 电磁 阀瞬态特性仿真 曲线 Fi g.8 S i mu l a t i o n C u r v e s o f e l e c t r o ma g n e t i c va l v e t r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c s 由图 8 c 可知, 在 电磁 阀通 电接通 的过 程 中, 加速 度峰值约为 8 O m / s , 反 向峰值约为 9 0 m / s ; 而在电磁 阀 断电释放过程中, 加速度 较大 , 其峰值约为 2 2 0 m / s , 反 向峰值约为 1 8 0 m / s 。由图 8 d 可知 , 在 电磁阀整个工 作过程 中, 左侧相对磁场强度 的变化量约 为 8 G。电磁 阀开启响应 时间约为 2 2 m s , 释放响应时间约为 9 m s 。 4实验验证 为了验证上述模型的可行性 , 本文利用 自行研制 的 基于磁场和振动敏感的电磁 阀非介入式测试装置 , 对 电 磁阀接通时 3个方 向的振动信号与左右两端的磁场信号 进行 了测试 , 得到了磁场和振动信号的实验曲线 。 4 . 1电磁 阀测试装置 测试装置原理框 图如图 9所示 , 其硬件部 分主要 由 传感器模块 、 数据采集与控制模块 、 无线通信模块 和电池 及电源管理模块 4部分组成。 图9 电磁阀非介入式测试装置原理框图 Fi g .9 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t he e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e n o n i n t r u s i v e t e s t d e v i c e 测试装置安装示意 图如图 1 0所示 , 永久强力磁铁 固 定安装在壳体 内的底部 , 使测试装置 和电磁 阀紧密牢 固 吸合在一起 , 保证 了加速度传感器检测振动的准确性 , 而 其产生的静磁场由于是稳定 的 , 静磁 场强度能在 电磁 阀 未工作时被霍尔传感 器测出并作为初始值存储 , 当电磁 线圈通断电事件发 生时 , 与实测磁场强度相减来获得相 对磁场强度 的变化 。 A T B f P 1 图 1 0 电磁 阀非介入式测试装置安装示意 图 F i g .1 0 I n s t a l l a t i o n d i a g r a m o f t he e l e c t r o ma g n e t i c v a l v e n o n i n t r us i v e t e s t i n g de v i c e 4 . 2实验原理 测试 系统液压原理图如图 1 1 所示 。系统工作时 , 油 泵 2输出的油液经溢 流阀 4调压后进入被测电磁 阀, 被 测电磁阀通 电工作时 , 输 出的油液进 入油缸的正腔或反 腔 , 压力油推 动油缸 中的活塞杆伸出或缩 回。油箱 1 用 于存储和 回流液压油 , 压力表 5用于指示系统压力。 1 油箱 ; 2泵和电机钮 3 过滤器; 4溢流阀; 5压力表; 6被测电磁 阀 7油缸 图 1 1 液压系统原理图 Fi g.1 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 2期 蔡伟 等 液压电磁阀故障机理分析与瞬态特性仿真 2 7 3 1 4 . 3 实验 曲线 通过上述测试装置对所选 电磁 阀进行了在线检测 , 得到电磁 阀右端 电磁线 圈通电时 的加速度和磁场信号如 图 1 2 、 图 1 3所示 。 羹 。 }lIIr『l1I- ~ 一1 o 采样序数 羹 。 ~ 写 一 1卜 0 采样序数 .一 。 l 型 0 一 1 5 0 0 1 0 0 0 采样序数 采样序数 图 1 2 右端正常接通 Fi g.1 2 P o we r o n t h e d e x t r a l e l e c t r o ma g ne t i c c o i l no r ma l l y 。 一 s 酱0 星一 0 . 5 0 . 5 0 是 - 0 l 5 0 5 0 0 l 0 0 0 采样序数 0 5 0 0 1 0 0 0 采样序数 图 1 3 右端正常断开 F i g .1 3 P o w e r d o wn t h e d e x t r a l e l e c t r o ma g n e t i c c o i l n o r ma l l y 由于选 用 的 加速 度 传 感 器 为 三 轴加 速 度 传 感 器 S C A 3 0 0 0 . 1 3 0 1 , 其在测 试 装置 中焊接 的 位 置如 图 1 4所 示 , Y轴敏感 的振动加速度方 向与阀芯运动方向相同, 故 认为得到 的 Y向振动加速度信号反映了阀芯此时的状态 信息 。 、 z 向的振动加速度信号暂时不考虑。 图 1 4 三轴加速度传感器敏感方向示意图 Fi g.1 4 Thr e e a x i s a c c e l e r a t i o n s e n s o r s e n s i t i v e di r e c t i o n di a g r a m 利用小波包分析法对测得的电磁阀信号进行特征提 取和消噪处理后 , 得到实验数据曲线如图 1 5 、 1 6所示。 2 00 0 星一 2 0 0 5 0 l 0 0 采样序数 图 1 5 接通过程实验数据曲线 F i g . 1 5 E x p e r i me n t c u r v e o f p o we r o n p r o c e s s 墼 嚣 。 Fi g . 5 0 1 0 0 加速度和磁场曲线 采样序数 图 1 6 断开过程实验数据曲线 1 6 E x p e r i me n t c u r v e o f p o we r d o w n p r o c e s s 由图 1 5 、 1 6可知 , 在电磁阀通 电接通的过程 中, 加速 度峰值约为 8 0 m / s , 反 向峰值 约为 1 2 0 m / s ; 而在 电磁 阀断电释放过程中, 加速度较大, 其峰值约为 2 5 0 m / s , 反 向峰值约为 1 8 0 r r r / s 。电磁 线圈通 断电过程中, 左侧 相对磁场强度的变化量一般在 8 G左 右 , 而右侧相对磁 场强度的变化量一般在 4 G左右, 此时右侧磁场信号没 有意义。电磁阀开启响应时间约为 2 0 m s , 释放响应时间 约为 1 2 m s 。 将 以上实验数据与仿真得出的结果 比较可知 , 实验 0 . 。 \ 越骥 裰雷 0 冒 。 , 憩 裰器 。 , 袋 掇雷 0 湖 枷 瑚 0 一 ∞. g 一 \ 谜糊嚣 0 。 o , 震 龆冢 0 N 。 .。 逮 骥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 3 2 仪器仪表学报 第 3 2卷 数据与仿 真结果 基本 符 合 , 从 而验证 了仿真 模型 的 可 行性。 5 结 论 由仿真曲线和实验结果可以看 出 1 由于弹簧力和摩擦阻力的存在 , 当电磁铁刚通电 时, 阀芯并没有开始运动 。随着 电磁铁所产生 的电磁 吸 力 的逐渐增大 , 阀芯所受合 力逐渐增 大, 加速度 逐渐 增 大, 阀芯开始运动 , 速度与摩擦力逐渐增大 , 此 时弹簧 力 随着位移的增大也逐渐增大。 2 当电磁 吸力达到一定值 时, 合力 达到最大值 , 加 速度随之达到最大值 ; 由于弹簧力与摩擦力 随着位移 和 速度的增大而增大 , 两者之和开始大于电磁 吸力 , 而后 合 力开始逐渐减小 , 加速度越来越接近零 , 而阀芯运动速度 则继续增大 , 直 到加速度变 为零时 , 阀芯速度 达到最 大 值 ; 而后合力与阀芯加速度朝反方 向增大 , 速度及摩擦 力 开始下降直至为零 , 这时位移和弹簧力达 到最大值 , 相应 磁铁的电感和电磁 吸力也保持不变 , 合力 和加 速度 均为 零 , 瞬态过程结束 , 整个系统进入稳态 。 本文深入分析 了电磁 阀常见故 障的故 障机理 , 通 过 受力分析和磁路分析方法对 4 wE 6 E 6 x / E G 2 4 N 9 K 4型电 磁换 向阀的瞬态特性 进行 了建模 , 并 用 M A T L A B / S i m u l i n k 软件进行了仿真研究 , 仿 真结 果与实验结果 在磁场 信号上吻合性较好 , 证明了模型的可行性 ; 但在振动信号 上还存在一定 的瞬态特性差异 , 这主要是 由于振动 由阀 芯向阀体表面传递时所引起的, 此差异为后续的研究工 作指明了方 向。 参考文献 [1 ] 汪志刚 , 张敬 国, 杨建 国. 电磁 阀测试装置 的开发 及其 试验研究 [ J ] . 阀门 , 2 0 0 6 1 1 3 - 1 6 , 4 3 . 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