机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法研究_潘淑微.pdf

收稿日期:2022-06-10基 金 项 目:温 州 职 业 技 术 学 院 2021 年 重 大 科 研 项 目(WZY2021006)作者简介:潘淑微(1973-),女,浙江瑞安人,工程硕士,副教授,主要研究方向为阀门设计与制造、阀门检测技术。机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法研究潘淑微(温州职业技术学院,浙江 温州 325035)摘 要:机械高压气动减压阀阀芯失效检测能提高气动减压阀的安全性,提出基于振动信号分析的机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法。采用振动传感器实现对机械高压气动减压阀阀芯失效特征参数采集,构建机械高压气动减压阀阀芯失效状态下的振动传感信号特征分析模型,采用时域特征参数分析,结合频谱增益控制,实现对机械高压气动减压阀阀芯失效工况参数分析和谱特征分解,采用匹配滤波检测方法实现对机械高压气动减压阀阀芯失效振动信号的降噪处理,提取机械高压气动减压阀阀芯失效下的振动信号时频特征分量,采用振动信号的多尺度小波分解,实现对信号的关联谱特征检测,并通过多维空间融合,实现信号特征聚类,由此实现对机械高压气动减压阀阀芯失效检测。测试结果表明,采用该方法进行机械高压气动减压阀阀芯失效检测的收敛性较好,特征聚类性较强,提高了故障失效检测置信水平。关键词:机械高压气动减压阀;阀芯失效;检测;振动信号;时频特征 中图分类号:TH172 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.026Research on Failure Detection Method of Valve Core of Mechanical Pneumatic Pressure Reducing ValvePAN Shuwei(Wenzhou Polytechnic,Wenzhou Zhejiang 325035,China)Abstract:Failure detection of mechanical high-pressure pneumatic pressure relief valve spool can improve the safety of pneumatic pressure relief valve.A failure detection method of mechanical high-pressure pneumatic pressure relief valve spool based on vibration signal analysis is proposed.The vibration sensor is used to collect the failure characteristic parameters of the valve core of mechanical high-pressure pneumatic pressure reducing valve,and the vibration sensor signal characteristic analysis model under the failure state of the valve core of mechanical high-pressure pneumatic pressure reducing valve is con-structed.The time domain characteristic parameter analysis and spectrum gain control are used to analyze the failure working condition parameters and decompose the spectrum characteristics of the valve core of mechanical high-pressure pneumatic pressure reducing valve,and the matched filter detection method is used to reduce the noise of the failure vibration signal of the valve core of mechanical high-pressure pneumatic pressure reducing valve.The time-frequency characteristic components of vibration signals under the failure of mechanical high-pressure pneumatic pressure relief valve spool are extracted,and the multi-scale wavelet decomposition of vibration signals is used to detect the correlation spectrum characteristics of the signals.Through multi-dimensional space fusion,the signal characteristics clustering is realized,thus realizing the failure detection of mechanical high-pressure pneumatic pressure relief valve spool.The test results show that this method has good convergence and strong feature clustering in failure detection of mechanical high-pressure pneumatic pressure relief valve spool,which im-proves the confidence level of failure detection.Key words:mechanical high-pressure pneumatic pressure reducing valve;Valve core failure;Testing;Vibration signal;Time-frequency feature0 引言机械高压气动减压阀阀芯广泛应用在发动机、机械加工设备以及锅炉设备等领域中,机械高压气动减压阀阀芯长期处于高压高温状态,导致机械高压气动减压阀阀芯容易产生故障和失效,需要结合对机械高压气动减压阀阀芯失效状态特征分析,研究一种有效的机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法1,提高对机械高压气动减压阀阀芯失效特征分析和检测能力,从而提高机械高压气动减压阀阀芯的稳态工作能力。研究机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法,在促进机械高压气动减压62机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法研究 潘淑微阀阀芯稳定性工作,保障稳态工况具有重要意义2。机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法按照检测原理分类,主要可以分为时域检测法、频域检测分析检测法、小波尺度检测以及多频特征参数检测方法等,建立机械高压气动减压阀阀芯失效特征参数分析和信号分析模型3-5,结合对失效信号特征分解,结合故障信号的时域分析,提取机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号的关联谱特征量,得到机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号的杂波分量实现失效故障检测,但传统方法进行机械高压气动减压阀阀芯失效检测的输出稳定性不好,失效检测的精度不高6。针对上述问题,提出基于振动信号分析的机械高压气动减压阀阀芯失效检测方法。首先采用振动传感器实现对机械高压气动减压阀阀芯失效特征参数采集,然后采用匹配滤波检测方法实现对机械高压气动减压阀阀芯失效振动信号的降噪处理,提取机械高压气动减压阀阀芯失效下的振动信号时频特征分量,实现对信号的关联谱特征检测,并通过多维空间融合,实现信号特征聚类,最后进行实验测试分析,展示了本方法在提高机械高压气动减压阀阀芯失效检测能力方面的优越性能。1 原理分析与信号采集模型1.1 机械高压气动减压阀阀芯失效检测原理为了实现机械高压气动减压阀阀芯失效检测,结合信号和图像分析的方法,建立机械高压气动减压阀阀芯在各种工况下的振动信号检测模型,通过高度智能化的嵌入式平台设计,结合振动传感器和信号特征分析,进行失效故障下的智能传感信息及检测,在故障检测中,首先对振动、压力、电流的物理特性参数进行信号模拟7,采用滤波检测方法,将机械高压气动减压阀阀芯失效检测分为对象模块、信号采集模块、信号分析模块和处理模块8,模块结构框图如图 1 所示。图 1 失效检测模块结构图建立机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号分析模型,根据对机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号分析和检测结果,结合信号滤波和特征提取技术,实现机械高压气动减压阀阀芯失效检测,机械高压气动减压阀阀芯失效状态的表现主要在电流、振动、绝对压力以及压力波动这四个量9-11,在提取机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号的关联谱特征量基础上,得到机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号的杂波协融合参数分析模型,设计机械高压气动减压阀阀芯失效检测的主控模块、软件处理系统模块以及AD 采集系统模块,结合硬件集成设计,系统硬件模块结构如图 2 所示。图 2 机械高压气动减压阀阀芯失效检测系统硬件模块1.2 失效状态下振动传感信号采集在上述进行了机械高压气动减压阀阀芯失效检测原理特征分析的基础上,进行信号采集,构建信号感知矩阵与干扰感知矩阵,根据最佳分数阶变换域特分布12,得到机械高压气动减压阀阀芯的振动信号检测输出表达式为:z(t)=x(t)+iy(t)=a(t)ei(t)(1)其中,a(t)和(t)分别是信号幅度的包络和信号调频斜率,x(t)为信号的调频率、y(t)为机械高压气动减压阀阀芯失效检测信号的长度,此时,a(t)和(t)都是机械高压气动减压阀阀芯噪声信号的时间序列函数,在非最佳分数阶变换域下,得到机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号的解析表达式式为 z(t)是 x(t)与 1/t的卷积,为:Dx(t,f)=x(t+2)x(t-2)e-j2ftd(2)其中,为信号采集时延,x(t+2)和 x(t-2)分别表示机械高压气动减压阀阀芯失效状态特征值,把机械高压气动减压阀阀芯失效信号的时域和频域结合在一起,用联合字典稀疏表示,得到一个能反映机械高压气动减压阀阀芯失效状态的时变特参数,得到时频联合分布及表示为 P(t,f),假定每个切片干扰的带宽覆盖整个信号带宽,并采用短时傅里叶变换实现对信号的加窗傅里叶变换处理13,使得机械高压气动减压阀阀芯失效状态下的振动信号输出在一个窄时域窗,测试实现信号 x(t)的连续时间短时傅立叶变换为:STFT(t,f)=-x()h(-t)e-j2fd(3)上式中,x()为信号,为时间窗函数,f 为窗函数,t 为时间检测序列,采用分数阶 Fourier 变换字典对 LFM 信号进行检测,得到失效状态信号分布的能量密度谱为:SPEC(t,f)=STFT(t,f)2(4)根据上述分析,构建机械高压气动减压阀阀芯失效状态下的振动传感信号特征分析模型,采用时域特征参数分析,通过连续时间的分数阶傅里叶变换,结合频谱增益控制实现失效状态检测14。2 机械高压气动减压阀阀芯失效检测2.1 失效特征提取在上述构建了机械高压气动减压阀阀芯失效信号72自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)检测模型的基础上,进行机械高压气动减压阀阀芯失效特征分析,分析信号的低频和高频特征,提取机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号的关联谱特征量15,在信号采样节点 1iL,得到机械高压气动减压阀阀芯失效状态下振动信号的时域分布为:y(t)=1Kx()t-d=x(t)1t(5)其