CN102734550B - 一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，包括比例电磁铁、阀芯和带阀腔的阀体。还包括智能控制器、多个超声换能器和阀芯磁化装置，阀体包括特制阀壁，智能控制器分别和超声换能器、比例电磁铁、阀芯磁化装置和特制阀壁电连接。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。特制阀壁包括上下左右四块阀壁主壁、四条隔磁带和四组带导磁框架的螺线管线圈。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，并可便捷的利用电磁力修复由污染和径向力不平衡造成的卡紧故障，操作简便，使用效果好。

Description

一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀

技术领域

本发明涉及一种液压阀，特别是一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀。

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。通过改变阀芯在阀体的阀腔里的位置，滑阀可以实现流体流向的改变及通断。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一，一般可分为液压卡紧和机械卡紧两大类。液压卡紧是因机加工造成阀芯几何性状误差和同轴度误差产生径向不平衡压力引起的；而机械卡紧则由运行现场的颗粒污染物在滑阀间隙逐渐淤积而引起的。卡紧故障有轻度和重度的区分。

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。

现有技术中，排除故障的方法主要有两种：一是在加工和现场运行过程中采取措施，减少发生故障的几率。比如在系统中安装精过滤器、阀芯上合理开设均压槽、严格加工装配质量等；另一种方法就是在线实时故障诊断和故障排除。

HERION公司设计制造的一种电磁换向阀，除了它的工作阀芯外，还有一个“击锤”阀芯。正常工作时，“击锤”阀芯不动作，当阀芯因卡紧无法归位时， “击锤”阀芯在弹簧力作用下敲击工作阀芯，使其回位。这一方案的局限性在于，由于是靠上电时压缩机械弹簧来获得敲击能量，“击锤”阀芯只有一次敲击动作，而且是单向的，无法确保故障排除，也无法应用于伺服、比例阀控制系统。

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、成本低廉的可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，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，并可便捷的利用电磁力修复由污染和径向力不平衡造成的卡紧故障，操作简便，使用效果好。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，包括比例电磁铁、阀芯和带阀腔的阀体。还包括智能控制器、多个超声换能器和阀芯磁化装置，阀体包括特制阀壁，智能控制器分别和超声换能器、比例电磁铁、阀芯磁化装置和特制阀壁电连接。

所述智能控制器包括中央处理器模块、电磁力卡紧排除模块、通用比例放大器模块、超声卡紧故障预报检测定位模块、无线通讯模块、稳压电源模块和磁化控制模块；超声卡紧故障预报检测定位模块包括高速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。

其中，稳压电源模块和中央处理器模块、电磁力卡紧排除模块、通用比例放大器模块、超声卡紧故障预报检测定位模块、无线通讯模块、磁化控制模块相连并提供所需电压；中央处理器模块和电磁力卡紧排除模块、超声卡紧故障预报检测定位模块、无线通讯模块、稳压电源模块、磁化控制模块相连并控制整个电路的工作；无线通讯模块和中央处理器模块相连；通用比例放大器模块和中央处理器模块以及比例电磁铁相连；电磁力卡紧排除模块和中央处理器模块以及四块阀壁主壁上的四个螺线管线圈相连；磁化控制模块和中央处理器模块以及阀芯磁化装置上的螺线管线圈相连；超声卡紧故障预报检测定位模块23和中央处理器模块20以及多个超声波换能器50相连，具体为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。

所述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；超声换能器和阀体外侧面直接涂有声耦合介质。

所述特制阀壁包括上下左右四块阀壁主壁、将阀壁主壁分隔并分设于阀壁四个顶角的四条隔磁带和四组带导磁框架并分别套在四块阀壁主壁上的螺线管线圈；阀芯和阀壁主壁由导磁体合金制成，隔磁带由不导磁体合金制成。

所述阀芯磁化装置置于阀芯与比例电磁铁之间，包括带导磁框架的螺线管线圈和圆柱状轴芯，轴芯和阀芯制成一体，轴芯由导磁体合金制。

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。该设计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。

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。

进一步，所述阀芯由高磁导合金1J87制成，所述阀壁主壁和圆柱状轴芯由高磁导合金1J89制成，所述隔磁带由YG8不导磁进口钨钢制成。从而进一步提高本技术方案中电磁力的修复效果，且使用效果更佳。

采用本技术方案检测卡紧故障的工作原理如下（图5参见附图说明部分）：

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5所示的液压阀在正常工作时，阀芯41和阀体40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50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5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5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5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。

采用本技术方案修复机械卡紧故障的工作原理如下：

电液比例阀产生机械卡紧故障时，和阀体阀芯的间隙尺寸接近的污染颗粒因阀体和阀芯表面不平而滞留形成大颗污染颗粒，同时较小颗粒被截留在大颗粒间，构成动态生长污粒饼，两者共同作用形成常见的污染卡紧。阀芯卡紧故障主要为两种表现形式，要么阀芯主要卡在阀腔的某一个侧面，要么阀芯主要卡在阀腔的某两个侧面（如上原理分析该较严重的两侧面一般是相邻的）。对此我们可以通过上述装置进行检测、判断。

当判断阀芯主要卡在阀腔的某一个或两个侧面，则阀芯磁化装置的螺线管线圈通电，将插入在螺线管线圈中的轴芯磁化，使和轴芯相连的阀芯磁化为S或N磁极。同时，阀壁主壁上的四个螺线管线圈同时通电，各线圈电流相等。控制四个螺线管线圈中的电流方向使阀壁主壁被磁化为和阀芯相同的磁极。这时阀芯和阀壁主壁成为极性相同的两块磁铁，它们之间产生电磁斥力。和阀芯贴近的那一个或两个侧面受到的电磁斥力较大，而其余几个侧面的电磁斥力较小，当斥力大于机械卡紧的作用力时，阀芯开始向阀腔的中轴线方向运动，卡紧状态得到缓解。考虑到阀芯相对两侧均产生不同程度污染卡紧的情况，在阀芯磁化装置和四侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电一定时间后，同时使各个螺线管线圈断电一定时间，如此循环反复，阀芯在电磁力的作用下，沿阀腔的径向大幅振动，使得大颗污染颗粒和污粒饼受机械振动作用而破碎分解为小颗粒融于液压油中，并随油液循环被带离滑阀机构，从而达到清洁油液和解除卡紧故障的目的，且最终使阀芯能停留在阀腔中轴线处。

当然上述电磁力也可以是电磁吸力，即启动阀芯磁化不变，而仅使阀腔卡紧所在的某一个或两个侧面对面的一侧或两侧的阀壁主壁上的螺线管线圈通电，使得该对应的阀壁主壁被磁化，且控制螺线管线圈中的电流方向，使得阀芯和阀壁主壁成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于机械卡紧的作用力时，阀芯开始向着对面侧或对角线方向运动，卡紧状态得到缓解。考虑到阀芯相对两侧或四周均产生不同程度污染卡紧的情况，在一侧或两侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电一定时间后，该螺线管线圈断电，并随后使对面一侧或两侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电同样的时间（作为优选，后者螺线管线圈上的通电电流要比前者螺线管线圈上的小，从而提高电磁吸力解除卡紧的效果），如此循环反复，阀芯在电磁力的作用下，沿阀腔的径向大幅振动，其效果同上。

采用本技术方案修复液压卡紧故障的工作原理如下：

电液比例阀产生液压卡紧故障的原因是因机加工造成阀芯几何性状误差和同轴度误差产生径向不平衡压力，使阀芯压向阀体壁面，最终产生液压卡紧。阀芯卡紧故障主要为两种表现形式，要么阀芯主要卡在阀腔的某一个侧面，要么阀芯主要卡在阀腔的某两个侧面（如上原理分析该较严重的两侧面一般是相邻的）。对此我们可以通过上述装置进行检测、判断。

当判断阀芯主要卡在阀腔的某一个或两个侧面，则阀芯磁化装置的螺线管线圈通电，将插入在螺线管线圈中的轴芯磁化，使和轴芯相连的阀芯磁化为S或N磁极。同时，阀壁主壁上的四个螺线管线圈同时通电，各线圈电流相等。控制四个螺线管线圈中的电流方向使阀壁主壁被磁化为和阀芯相同的磁极。这时阀芯和阀壁主壁成为极性相同的两块磁铁，它们之间产生电磁斥力。和阀芯贴近的那一个或两个侧面受到的电磁斥力较大，而其余几个侧面的电磁斥力较小，当斥力大于机械卡紧的作用力时，阀芯开始向阀腔的中轴线方向运动，卡紧状态得到缓解。在阀芯磁化装置和四侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电一定时间后，同时使各个螺线管线圈断电一定时间，如此循环反复，阀芯在电磁力的作用下，沿阀腔的径向大幅振动，使径向不平衡压力得以减轻或消除，从而使阀芯悬浮在阀腔的中轴线附近，阀体内表面和阀芯之间的摩擦系数显著降低，避免阀芯被压在阀体内壁上无法动作，达到解除液压卡紧的目的，且最终使阀芯能停留在阀腔中轴线处。

当然上述电磁力也可以是电磁吸力，即启动阀芯磁化不变，而仅使阀腔卡紧所在的某一个或两个侧面对面的一侧或两侧的阀壁主壁上的螺线管线圈通电，使得该对应的阀壁主壁被磁化，且控制螺线管线圈中的电流方向，使得阀芯和阀壁主壁成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于液压卡紧的作用力时，阀芯开始向着对面侧或对角线方向运动，卡紧状态得到缓解。在一侧或两侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电一定时间后，让该螺线管线圈断电，并随后使对面一侧或两侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电同样的时间（作为优选，后者螺线管线圈上的通电电流要比前者螺线管线圈上的小，从而提高电磁吸力解除卡紧的效果），如此循环反复，阀芯在电磁力的作用下，沿阀腔的径向大幅振动，使径向不平衡压力得以减轻或消除，从而达到如上述的技术效果。

在污染卡紧故障发生时，阀芯一般会偏离阀腔中轴线位置，为了提高电磁力解除卡紧的效果，靠近阀芯的那侧或那两侧的阀壁上的螺线管上的通电电流要小一些。四个隔磁带主要用于改善螺线管通电时的磁场分布，削弱相同磁极间的斥力。

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，可方便、准确、实时的预报、检测滑阀阀芯卡紧故障、判断卡紧位置并予以排除；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；6、利用电磁铁的双向电磁吸力使阀芯沿径向振动，从而粉碎大颗污染颗粒和污粒饼，排除污染卡紧故障；7、利用电磁铁的双向电磁吸力减轻或消除径向不平衡压力，从而降低阀体内表面和阀芯之间的摩擦系数并使阀芯回归中轴线附近，排除液压卡紧故障；8、卡紧的方向是径向，本发明通过径向电磁力作用解除卡紧故障，其效果要强于通过轴向振动方式的卡紧解决方法；9、本技术方案中，电磁力所能达到的最终平衡点，刚好是比例阀的正常工况，即阀芯和阀腔的中轴线重合状态，因此采用本技术方案最终能使阀芯能停留在阀腔中轴线处；10、本技术方案具有故障预报、检测和在线自排除功能，并能通过无线传输模块向中央控制室提供阀的实时状态信息，提高了液压阀的可靠度和使用寿命；11、采用本技术方案，结构简单、成本低廉，操作简便，使用效果好。

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为普通电液比例阀结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明沿垂直阀芯轴心线方向的剖面图；

图4为超声换能器安装位置示意图；

图5为本发明卡紧故障检测工作原理示意图；

图6为本发明智能控制器的模块框图；

图7为智能控制器的中央处理器模块和超声卡紧故障预报检测定位模块及超声换能器之间的结构框图；

图8为本发明阀芯磁化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施进一步详细的描述。

普通电液比例阀的结构如图1所示，包括阀芯1’和阀体，阀体包括阀腔2’和阀壁3’。至于其他部件，一般还包括比例放大器5’、比例电磁铁4’。比例电磁铁4’也可以是单个，在另一端用复位弹簧代替。比例电磁铁与阀芯相配合，通过比例电磁铁驱动阀芯。一般比例电磁铁4’的动铁芯顶着阀芯1’。通过改变阀芯1’在阀体的阀腔里的位置，比例阀可以实现流体流向的改变及通断。上述为现有技术，此处不再赘述。

如图2至图8所示，是本发明的较佳实施例。

一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，包括比例电磁铁30、阀芯41和带阀腔42的阀体40。上述为本领域的现有技术，此处不再赘述。

如图2所示，还包括智能控制器10、多个超声换能器50和阀芯磁化装置60，阀体包括特制阀壁43，智能控制器10分别和超声换能器、比例电磁铁30、阀芯磁化装置60和特制阀壁43电连接。

如图6、图7所示，智能控制器10包括中央处理器模块20、电磁力卡紧排除模块21、通用比例放大器模块（本实施例中采用RT-5001）22、超声卡紧故障预报检测定位模块23、无线通讯模块24、稳压电源模块25和磁化控制模块26；超声卡紧故障预报检测定位模块23包括高速A/D转换模块232、回波信号滤波放大模块233、超声发射模块234和多路切换模块235。

其中，稳压电源模块25和中央处理器模块20、电磁力卡紧排除模块21、通用比例放大器模块22、超声卡紧故障预报检测定位模块23、无线通讯模块24、磁化控制模块26相连并提供所需电压；中央处理器模块20和电磁力卡紧排除模块21、超声卡紧故障预报检测定位模块23、无线通讯模块24、稳压电源模块25、磁化控制模块26相连并控制整个电路的工作；无线通讯模块24和中央处理器模块20相连；通用比例放大器模块22和中央处理器模块20以及比例电磁铁30相连；电磁力卡紧排除模块21和中央处理器模块20以及四块阀壁主壁43上的四个螺线管线圈相连；磁化控制模块26和中央处理器模块20以及阀芯磁化装置60上的螺线管线圈61相连；

超声卡紧故障预报检测定位模块23和中央处理器模块20以及多个超声波换能器50相连，具体为中央处理器模块20和高速A/D转换模块232相连可处理采集的回波信号，中央处理器模块20和超声发射模块234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235相连可用于在多个超声换能器50之间切换超声发射、接收对象，超声发射模块234和多路切换模块235相连，高速A/D转换模块232和回波信号滤波放大模块233相连，回波信号滤波放大模块233和多路切换模块235相连，多路切换模块235和多个超声换能器50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10分别和超声换能器50采用2芯或4芯的航空插头连接；智能控制器10和比例电磁铁30通过7芯或12芯插头相连。智能控制器10和特制阀壁43上的四个螺线管线圈以及阀芯磁化装置60上的螺线管线圈通过2芯航空插头连接。比例电磁铁30的动铁芯顶着阀芯磁化装置的轴芯62。

超声换能器50固定安装于液压阀阀体40的外侧面，超声换能器的轴心线和阀体内阀腔42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4所示，多个超声换能器50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40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4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。

特制阀壁包括上下左右四块阀壁主壁431、将阀壁主壁分隔并分设于阀壁四个顶角的四条隔磁带432和四组带导磁框架并分别套在四块阀壁主壁上的螺线管线圈433，即带线圈的螺线管。阀芯和阀壁主壁由导磁体合金制成，隔磁带由不导磁体合金制成。

如图2、图8所示，阀芯磁化装置60，置于阀芯41与比例电磁铁30之间。阀芯磁化装置60包括带导磁框架的螺线管线圈61（即带线圈的螺线管）和圆柱状轴芯62，轴芯62和阀芯41制成一体。轴芯由导磁体合金制成。在本实施例中，阀芯磁化装置60的结构如图8所示，由带导磁框架的螺线管线圈61和高磁导合金1J89制成的圆柱状轴芯62组成；轴芯62和阀芯41制成一体，制成一体的方式有很多，只要不影响磁化的轴芯62带动阀芯41同极磁化即可，在本实施例中，两者连成一体，轴心线重合，即可以将轴芯视为阀芯的延伸段。从而进一步提高本技术方案中电磁力的修复效果，且使用效果更佳。

在本实施例中，电液比例阀沿垂直阀芯轴心线方向的剖面图如图3所示。41是阀芯，由高硬度、高磁导合金1J89制成；42是阀腔；432是由YG8不导磁进口钨钢制成隔磁带，共四条，分别在矩形截面的四个顶角上，其尺寸如图所示；431是由高硬度、高磁导合金1J89制成的阀壁主壁，共四块，被隔磁带分隔，和四条隔磁带共同组成阀体阀壁；433是四组带导磁框架的螺线管线圈，即带线圈的螺线管，分别套在四块阀壁主壁431上。从而进一步提高本技术方案中电磁吸力的修复效果，以较低的成本实现较佳的技术效果。

四个隔磁带主要用于改善螺线管通电时的磁场分布，削弱相同磁极间的斥力。阀芯磁化装置中的轴芯和阀芯采用的软磁材料分别是高磁导合金1J89和高磁导合金1J87，其中1J87的导磁性能要比1J89更好，这样设计的目的是改善通电后螺线管线圈周围的磁场分别，提高阀芯的磁化效果。

要说明的是，现有的比例电磁铁的推杆和阀芯是分离的两部分，比例电磁铁通电后推杆按比例推动阀芯运动。在本技术方案中，阀芯磁化装置中，阀芯和阀芯磁化装置的轴芯制成一体，而且阀芯段材料的导磁能力更强，目的是改善阀芯磁化装置通电时的磁场分布，加强使阀芯那段材料的磁化程度。本技术方案中的比例电磁铁的推杆在正常工况下推动阀芯磁化装置的轴芯（和阀芯）运动。

实施例1：机械卡紧故障预报、检测、定位和自排除（一侧卡紧）：

本实施方式中，智能控制器的无线通讯模块24接收来自中央控制室的给定信号并将信号发送到中央处理器模块20；中央处理器模块20将该信号传递到通用比例放大器模块22；通用比例放大器模块22根据该信号经电路处理输出功率控制信号到比例电磁铁30，此时磁化装置60的螺线管线圈61不通电，比例电磁铁30的动铁芯推动轴芯62并带动阀芯41按给定控制信号移动使液压阀正常工作。

超声卡紧故障预报检测定位模块23定时产生超声波脉冲轮流激励六个超声波换能器并检测回波信号，并将该回波信号和基准标定信号进行比较判别，当偏离正常数值范围时，向中央处理器模块20发出故障预报。中央处理器模块20驱动无线通讯模块24将该故障预报发送到中央控制室进行故障预警。若超声卡紧故障预报检测定位模块23检测到回波信号落在卡紧数值范围，除了向中央处理器模块20发出故障报告外，同时还将检测卡紧故障的发生位置——通过比较同一平面上三处超声换能器的回波数值确定该平面法线方向的卡紧位置，并将该信息发送到中央处理器模块20。中央处理器模块20根据该信号决定阀芯磁化装置60上的螺线管线圈62和特制阀壁43上的四个螺线管线圈5、6、7、8的通电方向、电流、时间和频率，并将该信息送到阀芯磁化装置60和电磁力卡紧排除模块21。阀芯磁化装置60和电磁力卡紧排除模块21据此动作使相应的螺线管线圈通电实施卡紧故障排除。

假定阀芯主要卡在阀腔的A侧面（图3所示的左侧，即标注431和432侧，其上有螺线管线圈8），则该侧面对面那侧为B侧面（图3所示的右侧，其上有螺线管线圈6）。则阀芯磁化装置60上的螺线管线圈61通电，将轴芯62磁化为N磁极，和轴芯62一体的阀芯41同样磁化为N磁极。同时四组（5、6、7、8）螺线管线圈433通电，使得被螺线管线圈433缠绕的四侧阀壁主壁431都被磁化为N磁极，阀芯41和四侧阀壁主壁431成为极性相同的两块磁铁，它们之间产生电磁斥力。当斥力大于机械卡紧的作用力时，阀芯开始向阀腔中轴线方向运动，卡紧状态得到缓解。考虑到阀芯的AB两侧均产生不同程度污染卡紧的情况，在磁化装置60的螺线管线圈61和四侧阀壁主壁431上的螺线管线圈433通电一定时间后，同时使各个螺线管线圈断电一定时间，如此循环反复，阀芯41在电磁力的作用下，沿阀腔42的径向（A到B）大幅振动，使得大颗污染颗粒和污粒饼受机械振动作用而破碎分解为小颗粒融于液压油中，并随油液循环被带离滑阀机构，从而达到清洁油液和解除卡紧故障的目的，且最终使阀芯能停留在阀腔中轴线处。特别的，将超声换能器按离阀芯磁化装置60距离由近到远将同一平面上的超声换能器命名为50a、50b、50c，若检测到的卡紧故障点分别在50a、50b、50c位置时，对应的螺线管线圈5、6、7、8上的通电电流为ia、ib、ic，且ia<ib<ic。

当然上述电磁力也可以是电磁吸力，即启动阀芯41磁化不变，而仅使B侧面阀壁主壁433上的螺线管线圈433通电，使B侧阀壁主壁431和阀芯41成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于机械卡紧的作用力时，阀芯开始向着B侧方向运动，卡紧状态得到缓解。考虑到阀芯相对两侧均产生不同程度污染卡紧的情况，在B侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电一定时间后，该螺线管线圈断电，并随后使A侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电同样的时间（作为优选，A侧螺线管线圈上的通电电流要比B侧螺线管线圈上的小，从而提高电磁吸力解除卡紧的效果），如此循环反复，阀芯在电磁力的作用下，沿阀腔的径向大幅振动，其效果同上。

实施例2：液压卡紧故障预报、检测、定位和自排除（一侧卡紧）

本实施方式中，智能控制器的无线通讯模块24接收来自中央控制室的给定信号并将信号发送到中央处理器模块20；中央处理器模块20将该信号传递到通用比例放大器模块22；通用比例放大器模块22根据该信号经电路处理输出功率控制信号到比例电磁铁30，此时磁化装置60的螺线管线圈61不通电，比例电磁铁30的动铁芯推动轴芯62并带动阀芯41按给定控制信号移动使液压阀正常工作。

超声卡紧故障预报检测定位模块23定时产生超声波脉冲轮流激励六个超声波换能器并检测回波信号，并将该回波信号和基准标定信号进行比较判别，当偏离正常数值范围时，向中央处理器模块20发出故障预报。中央处理器模块20驱动无线通讯模块24将该故障预报发送到中央控制室进行故障预警。若超声卡紧故障预报检测定位模块23检测到回波信号落在卡紧数值范围，除了向中央处理器模块20发出故障报告外，同时还将检测卡紧故障的发生位置——通过比较同一平面上三处超声换能器的回波数值确定该平面法线方向的卡紧位置，并将该信息发送到中央处理器模块20。中央处理器模块20根据该信号决定阀芯磁化装置60上的螺线管线圈62和特制阀壁43上的四个螺线管线圈5、6、7、8的通电方向、电流、时间和频率，并将该信息送到阀芯磁化装置60和电磁力卡紧排除模块21。阀芯磁化装置60和电磁力卡紧排除模块21据此动作使相应的螺线管线圈通电实施卡紧故障排除。

假定阀芯主要卡在阀腔的A侧面（图3所示的左侧，即标注431和432侧，其上有螺线管线圈8），则该侧面对面那侧为B侧面（图3所示的右侧，其上有螺线管线圈6）。则阀芯磁化装置60上的螺线管线圈61通电，将轴芯62磁化为N磁极，和轴芯62一体的阀芯41同样磁化为N磁极。同时四组（5、6、7、8）螺线管线圈433通电，使得被螺线管线圈433缠绕的四侧阀壁主壁431都被磁化为N磁极，阀芯41和四侧阀壁主壁431成为极性相同的两块磁铁，它们之间产生电磁斥力。当斥力大于液压卡紧的作用力时，阀芯开始向阀腔中轴线方向运动，卡紧状态得到缓解。在磁化装置60的螺线管线圈61和四侧阀壁主壁上的螺线管线圈433通电一定时间后，同时使各个螺线管线圈断电一定时间，如此循环反复，阀芯41在电磁力的作用下，沿阀腔42的径向（A到B）大幅振动，使径向不平衡压力得以减轻或消除，从而使阀芯回到阀腔的中轴线附近，阀体内表面和阀芯之间的摩擦系数显著降低，避免阀芯被压在阀体内壁上无法动作，达到解除液压卡紧的目的，且最终使阀芯能停留在阀腔中轴线处。特别的，将超声换能器按离阀芯磁化装置60距离由近到远将同一平面上的超声换能器命名为50a、50b、50c，若检测到的卡紧故障点分别在50a、50b、50c位置时，对应的螺线管线圈5、6、7、8上的通电电流为ia、ib、ic，且ia<ib<ic。

当然上述电磁力也可以是电磁吸力，即启动阀芯41磁化不变，而仅使B侧阀壁主壁431通电并使阀芯41和B侧阀壁主壁431成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于液压卡紧的作用力时，阀芯开始向着B侧方向运动，卡紧状态得到缓解。在B侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电一定时间后，该螺线管线圈断电，并随后使A侧阀壁主壁上的螺线管线圈通电同样的时间（作为优选，A侧螺线管线圈上的通电电流要比B侧螺线管线圈上的小，从而提高电磁吸力解除卡紧的效果），如此循环反复，阀芯在电磁力的作用下，沿阀腔的径向大幅振动，使径向不平衡压力得以减轻或消除，从而达到如上述的技术效果。

如前述，卡紧的方向是径向，本发明通过径向电磁力作用解除卡紧故障，其效果要强于通过轴向振动方式的卡紧解决方法；同时，采用本技术方案，结构简单、成本低廉，操作简便，使用效果好。

上述两实施例中，超声卡紧故障预报检测定位模块23中各模块和中央处理器模块20进行卡紧故障预报、检测和定位的工作过程如下述。

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50和多路切换模块235相连，启动中央处理器模块20工作；中央处理器模块20首先按程序控制多路切换模块235接通1号超声换能器；然后启动超声发射模块234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233后输入到高速A/D转换模块232转换为数字量发送到中央处理器模块20。中央处理器模块20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20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50和多路切换模块235相连，启动中央处理器模块20工作；中央处理器模块20首先按程序控制多路切换模块235接通1号超声换能器；然后启动超声发射模块234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233后输入到高速A/D转换模块232转换为数字量发送到中央处理器模块20。中央处理器模块20将采集的反射波电脉冲（即回波信号）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20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。

上述定位的工作原理如下：当卡紧发生时，阀芯的一部分和阀壁压紧，两者间几乎没有空隙；而其余部分和阀壁之间留有空隙。这样在超声回波检测的时候，空隙的大小可以通过对回波信号特征分析得出。沿阀芯轴向分布安装的多头超声探头可以得到这一切面的卡紧信息。若沿阀芯圆周方向分布安装更多的超声探头，就可以得到关于卡紧的立体信息，阀芯卡紧的位置也可以在三维空间内被准确定位。

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 (5)

1.一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，包括比例电磁铁、阀芯和带阀腔的阀体，其特征在于：还包括智能控制器、多个超声换能器和阀芯磁化装置，阀体包括特制阀壁，智能控制器分别和超声换能器、比例电磁铁、阀芯磁化装置和特制阀壁电连接；

所述智能控制器包括中央处理器模块、电磁力卡紧排除模块、通用比例放大器模块、超声卡紧故障预报检测定位模块、无线通讯模块、稳压电源模块和磁化控制模块；超声卡紧故障预报检测定位模块包括高速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；

其中，稳压电源模块和中央处理器模块、电磁力卡紧排除模块、通用比例放大器模块、超声卡紧故障预报检测定位模块、无线通讯模块、磁化控制模块相连接并提供所需电压；中央处理器模块和电磁力卡紧排除模块、超声卡紧故障预报检测定位模块、无线通讯模块、稳压电源模块、磁化控制模块相连并控制整个电路的工作；无线通讯模块和中央处理器模块相连；通用比例放大器模块和中央处理器模块以及比例电磁铁相连；电磁力卡紧排除模块和中央处理器模块以及四块阀壁主壁上的四个螺线管线圈相连；磁化控制模块和中央处理器模块以及阀芯磁化装置上的螺线管线圈相连；超声卡紧故障预报检测定位模块（23）和中央处理器模块（20）以及多个超声波换能器（50）相连，具体为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，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；

所述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；超声换能器和阀体外侧面直接涂有声耦合介质；

所述特制阀壁包括上下左右四块阀壁主壁、将阀壁主壁分隔并分设于阀壁四个顶角的四条隔磁带和四组带导磁框架并分别套在四块阀壁主壁上的螺线管线圈；阀芯和阀壁主壁由导磁体合金制成，隔磁带由不导磁体合金制成；

所述阀芯磁化装置置于阀芯与比例电磁铁之间，包括带导磁框架的螺线管线圈和圆柱状轴芯，轴芯和阀芯制成一体，轴芯由导磁体合金制。

2.如权利要求1所述的一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，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所述的一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，其特征在于：所述超声换能器的频率在10MHz以上。

4.如权利要求3所述的一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，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。

5.如权利要求3所述的一种可检测并修复卡紧故障的智能液压阀，其特征在于：所述阀芯由高磁导合金1J87制成，所述阀壁主壁和圆柱状轴芯由高磁导合金1J89制成，所述隔磁带由不导磁的YG8钨钢制成。

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