[发明专利]基于柱塞振动信号的电磁阀故障诊断方法

说明书

本发明属于设备故障诊断领域，具体的说是一种基于柱塞振动信号的电磁阀故障诊断方法。本发明通过恒压源、加速度计传感器和波形发生器等设备构成电磁阀故障检测系统，对电磁阀实现故障检测。本方法在电磁阀阀体某一位置放置加速度计(Accelerometer)传感器，通过恒压源对电磁阀施加小幅值电压激励信号，通过波形发生器向电磁阀输入某一频率范围信号，检测不同频率下电磁阀的振动幅值，借此识别电磁阀的固有频率。本发明通过检测电磁阀设备固有频率处振动信号幅值的变化来评估电磁阀设备的健康状态，能够有效指导设备维修活动。

技术领域

本发明涉及电磁阀故障检测领域，具体的说是一种基于柱塞振动信号的电磁阀故障诊断方法。

背景技术

电磁阀是用来控制或调整工艺流体的方向、流量、速度等参数的自动化基础元件，已被广泛应用于流程工业、汽车、工程机械等各行各业，其基本结构如图1所示。

●电磁阀失效原因分析

在电磁阀的运行过程中，设备会受到来自工艺流体、周围环境和电磁线圈热效应而产生的多重应力的影响。下面简单描述电磁阀的主要失效模式及机理。

电磁阀柱塞主要起到通断工艺流体的作用，通常情况下电磁阀柱塞直接与工艺流体接触。为了实现预期的通断功能，柱塞必须由软铁磁性材料构成，目前最常用的材料是430F不锈钢(即低碳、高铬不锈钢)，它专门为电磁阀应用而设计，适合在腐蚀性环境下工作。由于柱塞与工艺流体直接接触，随着使用时间的增加，柱塞会受到腐蚀。此外，由于柱塞与柱塞管直接接触，因此在柱塞运动过程中会导致摩擦、磨损以及材料损耗等现象的发生。随着摩擦、磨损以及材料耗损的加剧，将显现出粘滑行为或造成阀门关闭时密封不严等问题。与此同时，柱塞长期暴露于电磁线圈产生的磁场之中，这可能会导致柱塞的永久性磁化，进而引起不正确的柱塞动作及工艺流体的不当计量等问题。柱塞对磁场的响应能够有效反映上述柱塞行为的变化。

柱塞管是柱塞与电磁线圈之间的一道屏障。柱塞管的功能是防止电磁线圈受到工艺流体的侵蚀，同时它也将磁通引入柱塞(而非环绕在柱塞周围)。柱塞管主要是铝或顺磁性不锈钢构成(铁磁性柱塞管提供磁场线分流路径，从而降低电磁阀的效率)。侵蚀性的工艺流体以及柱塞运动过程中所产生的摩擦力将导致柱塞管发生磨损，这将产生可能抑制柱塞运动的磨损颗粒物。当柱塞接触到磨损颗粒物时，柱塞在磁场中将显现出异常的响应。通过分析加速度计信号就能够有效检测到上述柱塞对磁场响应的异常变化。

电磁线圈产生磁场，进而驱动柱塞运动。电磁线圈所用的金属丝一般称为磁丝，通常为铜制。在电磁阀领域，通常使用三种类型的匝间绝缘材料：绝缘级别E的温度等级为120℃，绝缘级别F的温度等级为155℃，绝缘级别H的温度等级为180℃。线圈构造通常分为两种：包缠线圈和封装线圈。包缠线圈由绕线轴和线管构成，然后用绝缘胶带保护绕组；封装线圈也有一个在线轴或绕线周围的线圈缠绕，不同的是线圈被封装或通过合适的树脂压模。当电流通过线圈时，热效应会使导线温度升高。如果温度过高，导线之间的介电材料可能会退化失效，两根相邻导线将形成电连接，进而产生匝间短路或层间短路。短路会引起线圈电阻降低，进而使电流增大。在短路的位置，将逐渐形成高温的局部热点，从而导致断路。腐蚀会导致线圈颈缩及导电材料损耗，进而引起线圈失效。由于电磁线圈的退化，磁场强度会发生变化，进而导致柱塞在磁场中的响应发生变化，加速度计同样能够检测到这一响应的变化。

●现存的电磁阀故障检测技术

一些阀门健康监测技术已经被提出，其中某些技术可应用于电磁阀。目前最为广泛采用的阀门健康监测技术是部分行程测试。在该方法中，使用位置传感器来检测阀门柱塞位置的变化，借此实现阀门故障检测[1]-[3]。文献[4]-[6]详细阐明了部分行程测试技术。然而，部分行程测试的缺点在于由于许多电磁阀体积较小，因此没有足够的内部空间来容纳一个位置传感器。此外，从数学上来看，加速度是位置信号的二次微分，因此，基于位置变化的故障检测方法无法检测到那些仅对加速度信号敏感的故障。