应用时间序列双谱分析的电磁换向阀故障诊断法

　　目前,时间序列故障诊断中广泛采用均值、方差、自相关函数和功率谱密度等基于最小二乘优化准则的二阶统计量平稳随机信号分析方法,然而自相关方法消除了被分析信号各个频率之间的相位信息,它只适合于对已知均值的高斯过程进行描述。这些分析方法虽然物理概念清晰、容易测量和计算,但是基本上属于线性信号处理方法,对振动产生的非线性、非高斯特征信号来说,具有明显的局限性和不足。在许多实际应用中,必须脱离二阶统计的束缚,去获取信号相位信息以及其他非高斯统计的相关信息,而双谱[1](三阶谱)可以定量地描述信号中与故障密切联系的非线性相位耦合。同时,双谱还具有很强的消噪能力,理论上可以抑制高斯噪声。

　　文中的电磁换向阀故障诊断实验,是通过对换向阀设置不同的故障状态,借助非介入式的加速度传感器检测阀体的振动信号,并利用数学工具Matlab对故障信号的双谱进行分析,根据正常情况和不同故障下振动信号双谱幅值图的区别,提取换向阀的故障状态信息。

　　1　电磁阀的结构及工作原理

　　为了阐述电磁阀的结构及工作原理,作者选用4WE6 E6X/EG24N9K4型电磁换向阀为例进行研究,其结构简图如图1所示。WE型方向控制阀是用电磁铁操的换向滑阀,用以控制油液的开启、停止和换向。这种方向控制阀主要包括阀体, 1个或2个电磁铁,控制阀芯, 1个或2个复位弹簧,推杆以及手动应急操作。手动应急操作在电磁铁不通电的情况下可控制阀芯运动。

　　当安装在阀体1两端的电磁铁1DT与2DT均不通电时,阀两端的对中弹簧5与6使阀芯4处于中间位置,阀芯4个台肩与沉割槽的遮盖关系,使P、A、B、T彼此之间均不沟通。当电磁铁2DT通电时,电磁铁3中的线圈吸合衔铁(可动铁心),并通过推杆?此时P与B沟通, A与T沟通。当电磁铁2DT断电时,依靠复位弹簧5的弹力,使阀芯4回复到“中位”,如果电磁铁2DT继续通电,则阀右位工作。当电磁铁1DT通电时,电磁铁2中的线圈吸合衔铁,并通过推杆7,顶推阀芯4右移,压缩弹簧6,将阀芯推向右端,此时P与A沟通, B与T沟通。当电磁铁1DT断电时,依靠复位弹簧6的弹力,使阀芯4回复到"中位",如果电磁铁1DT继续通电,则阀左位工作。

　　2　电磁阀快速测试装置的硬件设计

　　电磁阀快速测试装置[2]是液压电磁阀快速检测与故障诊断系统的基本硬件平台。设计时采用了集成化思想和动态电源管理技术,缩小了体积,提高了可靠性,降低了测试装置的功耗及成本,测试时只需通过永久磁铁吸附在被测电磁阀表面即可。装置的示意图如图2示。

　　测试装置的硬件主要由传感器模块、数据处理与控制模块、计算机数据接口和电池及电源管理模块4部分组成,如图3示。为满足低功耗及小体积的要求,设计的传感器节点以MSP430为主控CPU,并设计相应的外围电路。传感器模块中采用三轴加速度传感器SCA3000-D01检测振动信号,电池及电源管理模块中使用电源管理芯片TPS71533和TPS7133分别对微处理器模块和传感器模块进行供电。最后将实时采集到的振动信号通过USB接口传入计算机,并采用Matlab进行分析。