CN102720716B - 一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，包括阀芯和阀体，阀体包括阀壁和阀腔。还包括智能控制器和多个超声换能器，智能控制器包括中央处理器模块、高速A/D转换模块、回波信号滤波放大模块、超声发射模块和多路切换模块；超声换能器固定安装于液压阀阀体的外侧面，超声换能器的轴心线和阀体内阀腔的中轴线垂直相交。采用本技术方案，可方便、准确、实时的预报、检测滑阀阀芯卡紧故障、判断卡紧位置。

Description

一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀

技术领域

本发明涉及一种液压阀，特别是一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀。

背景技术

滑阀类阀芯机构是各类液压阀中采用最多的一种结构形式。滑阀一般包括阀芯和阀体，阀体包括阀壁和阀腔。滑阀卡紧故障是液压系统中最为常见的故障和失效形式之一。液压系统作为大功率执行机构，一旦出现卡紧故障，轻者系统失效，重者还会危及设备甚至人身安全。因此，首先，及时发现卡紧故障对液压系统的安全运行至关重要；其次，对卡紧故障的预报更能将故障扼杀在萌芽状态，对提高整个系统的可靠性意义重大；第三，如果卡紧故障已发生，判断阀芯卡紧在阀腔内的那个侧面位置对于卡紧故障的排除也很关键。

现有滑阀卡紧信息的获取，主要是通过对液压系统压力、流量、位移等量的检测来实现，属于间接检测诊断的方法，无法直接获取阀芯工作状态。特别的，影响压力、流量、位移等参量的因素很多，而卡紧只是其中之一，因此卡紧检测的准确性有待推敲。

也有的学者提出利用叠加在阀芯上的颤振信号的变化来检测卡紧卡涩故障，这种方法可以在一定程度上实现卡紧故障的检测和预报，但由于其也是通过电磁场变化间接检测阀芯机械运动状态，存在判断影响因素多，判断阈值难以统一标定等问题。

另外，对于卡紧后阀芯卡紧位置的检测，则较少见诸报道。

有鉴于此，本发明人结合从事液压阀领域研究工作多年的经验，对上述技术领域的缺陷进行长期研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，可方便、准确、实时的预报、检测滑阀阀芯卡紧故障、判断卡紧位置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，包括阀芯和阀体，阀体包括阀壁和阀腔。还包括智能控制器和多个超声换能器，智能控制器包括中央处理器模块、高速A/D转换模块、回波信号滤波放大模块、超声发射模块和多路切换模块；中央处理器模块和高速A/D转换模块相连，可处理采集的回波信号；中央处理器模块和超声发射模块相连，可控制超声脉冲产生；中央处理器模块和多路切换模块相连，可用于在多个超声换能器之间切换超声发射、接收对象；超声发射模块和多路切换模块相连，高速A/D转换模块和回波信号滤波放大模块相连，回波信号滤波放大模块和多路切换模块相连，多路切换模块和多个超声换能器相连；超声换能器固定安装于液压阀阀体的外侧面，超声换能器的轴心线和阀体内阀腔的中轴线垂直相交。

进一步，所述多个超声换能器为六个以上的偶数，分成两排、平行于阀体内阀腔中轴线的安装在阀体的相邻两外侧面上，每一侧面上的各超声换能器等间隔排列。从而更加方便、准确、实时的预报、检测滑阀阀芯卡紧故障、判断卡紧位置，且成本更加低廉，结构更加简单。

进一步，所述超声换能器的频率在10MHz以上，超声换能器和阀体外侧面直接涂有声耦合介质。该设计一方面是考虑到阀芯和阀壁间隙较小，从而更经济的实现上述技术效果，另一方面是考虑以较小成本实现更佳的超声探测效果，且检测、判断结果更准确。

进一步，所述智能控制器中高速A/D转换模块中的A/D转换器选用ADS5485或同等性能的A/D芯片，所述超声换能器选用直探头，所述声耦合介质为机油。从而更经济的实现上述技术效果。

本发明同现有技术相比有以下优点及效果：1、将超声探伤的原理运用到液压阀卡紧故障检测，设计简单巧妙，功效显著；2、上述检测为无损检测，无需改动液压阀结构；3、可实现卡紧故障的预报、检测和故障位置定位；4、直接反馈阀芯位置信息，比间接检测可靠性更好；5、作为卡紧故障检测的信号单一，准确性高，受干扰性小。

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构流程图；

图2为超声换能器安装位置示意图；

图3为本发明卡紧故障检测工作原理示意图。

具体实施方式

本发明借鉴超声探伤的原理，给出了一种能够实时预报、检测滑阀阀芯卡紧故障、判断卡紧位置的液压阀。如图1至图3所示，是本发明的较佳实施例。

一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，包括阀芯和阀体，阀体包括阀壁和阀腔。上述为本领域的现有技术，此处不再赘述。

如图1所示，还包括智能控制器和多个超声换能器，智能控制器包括中央处理器模块1、高速A/D转换模块2、回波信号滤波放大模块3、超声发射模块4和多路切换模块5；中央处理器模块1和高速A/D转换模块2相连，可处理采集的回波信号；中央处理器模块1和超声发射模块4相连，可控制超声脉冲产生；中央处理器模块1和多路切换模块5相连，可用于在多个超声换能器6之间切换超声发射、接收对象；超声发射模块4和多路切换模块5相连，高速A/D转换模块2和回波信号滤波放大模块3相连，回波信号滤波放大模块3和多路切换模块5相连，多路切换模块5和多个超声换能器6相连。实现上述功能的各个模块，其具体的电路、元器件等结构，由于属于现有技术，此处就不再赘述。智能控制器通过多路切换模块5和超声换能器6采用2芯或4芯的航空插头连接。

超声换能器6固定安装于液压阀阀体的外侧面，超声换能器的轴心线和阀体内阀腔的中轴线垂直相交。超声环能器的数量、具体分布可以有多种。如图2所示，多个超声换能器6为六个以上的偶数，分成两排、平行于阀体内阀腔中轴线的安装在阀体8的相邻两外侧面上，每一侧面上的各超声换能器等间隔排列。在本实施例中，如图2所示，共六个超声波换能器，由中央压电陶瓷元件，前后金属盖板，预应力螺杆，电极片以及绝缘管组成，分成两排安装于液压阀阀体的外上侧面和外右侧面，每一侧面上的超声换能器为三个且落在一条直线上，该直线与阀体内阀腔中轴线平行，超声换能器具体安装位置在该表面的两侧和中间位置，三个超声换能器等间隔排列。从而更加方便、准确、实时的预报、检测滑阀阀芯卡紧故障、判断卡紧位置，且成本更加低廉，结构更加简单。

考虑到阀芯和阀壁间隙较小，超声换能器的频率至少在10MHz以上。超声换能器和阀体外侧面直接涂有声耦合介质，在本实施例中为机油。该设计一方面是考虑到阀芯和阀壁间隙较小，从而更经济的实现上述技术效果，另一方面是考虑以较小成本实现更佳的超声探测效果，且检测、判断结果更准确。

超声换能器选用直探头，耦合剂为机油；高速A/D转换模块中的A/D转换器选用ADS5485或同等性能的A/D芯片。

本技术方案的工作原理如下：

超声波是频率高于20千赫的机械波，这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可被用来进行超声波探伤，最常用的是脉冲回波探伤法。探伤时，脉冲振荡器发出的电压加在超声换能器（或者说超声探头，是用压电陶瓷或石英晶片制成的探测元件）上，超声换能器发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播，遇到缺陷后，部分反射能量沿原途径返回超声换能器，超声换能器又将其转变为电脉冲。根据缺陷反射波电脉冲的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。

本发明借鉴上述超声探伤的机理，利用超声波在异质界面反射现象来实现阀芯卡紧的预报、检测和定位。如图3所示的液压阀在正常工作时，阀芯9和阀体8中阀腔的中轴线重合，超声发射模块发出的电信号加在超声换能器6上，然后产生的超声波脉冲通过声耦合介质（机油）进入阀壁并在其中传播，在阀壁和阀芯之间的间隙处，由于间隙内的液压油和阀壁的声阻抗不同，超声波在间隙处产生发射。部分反射能量沿原入射途径返回超声换能器，超声换能器又将其转变为电脉冲，中央处理器模块根据采集的反射波电脉冲的位置t1和幅值v1，和基准位置t和基准幅度v进行模糊判决，进而得到此时为正常工况，不存在卡紧故障的判断信息；而当液压阀由于液压卡紧或机械卡紧的原因，使得阀芯偏离阀腔中轴线位置。此时阀芯和阀壁之间的间隙变小（图3中的卡涩工况），中央处理器模块根据采集的反射波电脉冲的位置还是t1（阀壁的边界位置不变），而幅值却变为v2，和正常工况时的v1相比显著减小，由此可预报卡紧故障有发生的趋势；当卡紧故障发生时，此时阀芯远远偏离中轴线，和阀壁之间几乎没有间隙（图3中的卡涩工况），中央处理器模块根据采集的反射波电脉冲的位置还是t1，而幅值已变为v3，若将v3值设为卡紧故障的检测阈值，则可通过判断反射波幅值是否低于v3来判定卡紧故障的发生。反之，若图3中的超声换能器安装在对面一侧，则液压阀在正常工况向卡紧工况转变的过程中，v1 v2 v3的值则是递增关系，则可通过判断反射波幅值是否高于v3来判定对侧面是否有卡紧故障的发生。

作为优选，为了更为准确的预报、检测和定位卡紧故障，在阀芯的轴向截面上，至少需要两个超声换能器即可判定在该截面上卡紧发生的位置（至少有8种可能方位）；由于阀芯在轴向有一定的长度，卡紧有可能发生在轴向的任何一个位置，轴线上的至少3个换能器可以用来检测卡紧在轴向上的位置。

卡紧故障预报与检测的工作过程如下：

将液压阀安装超声换能器的那侧表面擦拭干净，抹上机油，把六个超声换能器沿液压阀的阀腔中轴线等距离均线放置；

第一次使用时，先将阀芯调整到正常工况（阀芯和阀腔的中轴线重合）；将超声换能器和多路切换模块5相连，启动中央处理器模块1工作；中央处理器模块1首先按程序控制多路切换模块5接通1号超声换能器；然后启动超声发射模块4发出电信号加在1号超声换能器上，1号超声换能器受激产生的超声波脉冲通过声耦合介质（机油）进入阀壁并在其中传播，在阀壁和阀芯之间的间隙处，由于间隙内的液压油和阀壁的声阻抗不同，超声波在间隙处产生发射。部分反射能量沿原入射途径返回1号超声换能器，1号超声换能器又将其转变为电脉冲，该电脉冲信号通过回波信号滤波放大模块3后输入到高速A/D转换模块2转换为数字量发送到中央处理器模块1。中央处理器模块1将采集的反射波电脉冲记录并保存作为该监测点的基准信号序列。根据液压阀和超声参数，计算阀芯阀壁间间隙的回波位置，根据该位置提取基准信号序列中的对应幅值作为正常工况时的基准信号幅值。

然后将液压阀调整到卡紧工况重复上述步骤，得到卡紧工况时对应的基准信号幅值。

对于其它5个超声换能器按以上程序重复进行，最终得到6个监测点的完整基准信号序列。

当卡紧故障发生时，阀芯和某一侧阀壁相接触，则该侧阀芯和阀壁间的间隙近乎消失，此时，当中央处理器模块1按程序对该监测点进行超声检测时，所采集到的回波信号经处理后和卡紧工况的基准信号幅值相比较，通过模糊处理即可预报和检测卡紧故障的发生，其严重程度等。

卡紧故障定位的工作过程如下：

将液压阀安装超声换能器的那侧表面擦拭干净，抹上机油，把六个超声换能器沿液压阀的阀腔中轴线等距离均线放置；

第一次使用时，先将阀芯调整到正常工况（阀芯和阀腔的中轴线重合）；将超声换能器和多路切换模块5相连，启动中央处理器模块1工作；中央处理器模块1首先按程序控制多路切换模块5接通1号超声换能器；然后启动超声发射模块4发出电信号加在1号超声换能器上，1号超声换能器受激产生的超声波脉冲通过声耦合介质（机油）进入阀壁并在其中传播，在阀壁和阀芯之间的间隙处，由于间隙内的液压油和阀壁的声阻抗不同，超声波在间隙处产生发射。部分反射能量沿原入射途径返回1号超声换能器，1号超声换能器又将其转变为电脉冲，该电脉冲信号通过回波信号滤波放大模块3后输入到高速A/D转换模块2转换为数字量发送到中央处理器模块1。中央处理器模块1将采集的反射波电脉冲记录并保存作为该监测点的基准信号序列。根据液压阀和超声参数，计算阀芯阀壁间间隙的回波位置，根据该位置提取基准信号序列中的对应幅值作为正常工况时的基准信号幅值。

然后将液压阀调整到卡紧工况重复上述步骤，得到卡紧工况时对应的基准信号幅值。

对于其它5个超声换能器按以上程序重复进行，最终得到6个监测点的完整基准信号序列。

当卡紧故障发生时，阀芯和某一侧阀壁相接触，则该侧阀芯和阀壁间的间隙近乎消失，此时，当中央处理器模块1按程序对该监测点进行超声检测时，所采集到的回波信号经处理后和卡紧工况的基准信号幅值相比较，通过模糊处理即可判断卡紧故障发生。其余5个点按以上程序均可得出是否卡紧的判断，综合这6个点的卡紧情况，即可得出阀芯的卡紧位置。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (2)

1.一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，包括阀芯和阀体，阀体包括阀壁和阀腔，其特征在于：还包括智能控制器和多个超声换能器，智能控制器包括中央处理器模块、高速A/D转换模块、回波信号滤波放大模块、超声发射模块和多路切换模块；中央处理器模块和高速A/D转换模块相连，可处理采集的回波信号；中央处理器模块和超声发射模块相连，可控制超声脉冲产生；中央处理器模块和多路切换模块相连，可用于在多个超声换能器之间切换超声发射、接收对象；超声发射模块和多路切换模块相连，高速A/D转换模块和回波信号滤波放大模块相连，回波信号滤波放大模块和多路切换模块相连，多路切换模块和多个超声换能器相连；超声换能器固定安装于液压阀阀体的外侧面，超声换能器的轴心线和阀体内阀腔的中轴线垂直相交。

2.如权利要求1所述的一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，其特征在于：所述多个超声换能器为六个以上的偶数，分成两排、平行于阀体内阀腔中轴线的安装在阀体的相邻两外侧面上，每一侧面上的各超声换能器等间隔排列。

3. 如权利要求1或2所述的一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，其特征在于：所述超声换能器的频率在10MHz以上，超声换能器和阀体外侧面直接涂有声耦合介质。

4. 如权利要求3所述的一种可预报、检测和定位卡紧故障的液压阀，其特征在于：所述智能控制器中高速A/D转换模块中的A/D转换器选用ADS5485的芯片，所述超声换能器选用直探头，所述声耦合介质为机油。