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摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，研究调压阀液压系统状态监测与故障诊断技术，选取液压油油温、液压缸压力、活塞杆位移、伺服阀控制电流、油液污染度等参数作为状态监测参数，基于NIcRIO分布式实时控制系统对监测参数进行实时采集、显示、记录和报警，实现了对整个系统运行状态的实时监测。通过提取和分析液压缸压力、位移信号和伺服阀控制电流信号的综合特征，初步实现了对液压系统关键参数的状态监测和故障的快速诊断与定位。测试结果验证了状态监测和故障诊断技术的有效性和正确性。
关键词：调压阀;液压系统;状态监测;故障诊断
引言
矿井提升设备是煤矿生产中极为重要的设备，可以说煤矿的产量、人员安全升降及物质安全運送等都与该设备有关。与矿井提升机相配套的液压站起着重要的作用，而液压站中的核心部分就是电液调压装置。因为没有电液调压装置的正确动作，提升机就无法动作，煤矿环境恶劣，电液调压装置使用率特别频繁，因此对其可靠性的要求特别高。据了解，焦作矿务局使用带电液调压阀的液压站近百余台，在使用中技术人员和工人积累了较丰富的经验，对液压站出现的故障特别是电液阀出现的故障，都能较快、较好的排除。近几年，焦作少数矿使用了带比例溢流阀调压装置的液压站，据操作司机反映，手柄向前推一段距离，油压没有反映，再向前推一段距离，油压突然上升较快，整个操作过程有一种油压上升前慢后快的感觉，操作不够理想。故障率比电液阀明显增多，而且出了故障不易排除。笔者和矿井提升机打了30多年的交道，对厂家所采用的新式阀类和液压系统的改变都产生了浓厚兴趣，并学习了有关液压方面的资料，向厂家的科技人员学习了很多的知识和经验。针对上述2种不同调压装置的使用效果，发表个人的浅显看法，有不当之处，欢迎批评指正。
1工作原理
CDM液压系统中，RV阀的工作原理是采用直动式压力阀设计思想，密封形式采用阀针与阀座配合的硬密封结构。工作时液压力直接作用在阀针上，工作压力由阀针后的弹簧来调节。以CDM液压系统中RV5为例，运用力学平衡原理和液流的连续性，来建立描述RV阀的动、静态性能的数学方程。如图1所示运动方向x为正方向，阀针的动力学平衡方程，即它的运动微分方程式可写为： 式中：A为阀针流通截面积;x0为阀口开度为0时弹簧的预压缩量;Ps为供油压力;x为阀针位移;K1为弹簧刚度;Ks为稳态液动力系数Ks=2CdCvωcosθ;m为运动件质量;B为阀针运动的阻尼系数;G为阀针的重力;Ff为阀针与阀座间的摩擦力（N），阀口打开时取“+”号，关闭时取“-”号。液流的连续性方程可写为： 式中：Qp为CDM液压泵的供油流量;QL为通往系统负载的流量;Ql为从阀座底部经过阀体与本体间的O形圈到油箱所渗漏的流量;Q为通过RV5阀阀口的流量;Vs为阀针底部的受控压力腔总体积;Eβ为液压油的弹性体积模量。阀口的流量表达式为 式中：Cd为阀口局部流量阻力系数;ρ为液压油的密度;ω=πd，d为阀口直径。
2状态监测系统的实现
2.1硬件系统的实现
硬件系统采用基于上、下位机的分布式结构。下位机系统位于试验现场，其硬件平台采用了NIcRIO系统。cRIO是一款坚固耐用、可重配置的嵌入式系统，主要由3个部分组成———实时控制器、可重配置的FPGA（现场可编程门阵列）机箱和工业级I/O模块。其中：实时控制器为一个NI9022实时控制器，主要可靠而准确地执行LabVIEW实时应用程序，完成各种控制逻辑、控制信号的计算，采集的监测信号的计算和与上位机的通信。内嵌FPGA的可重配置机箱，机箱中的FPGA直接和每个I/O模块相连，用来高速访问I/O电路。I/O模块主要用来对传感器信号进行隔离、转换以及信号调理，状态监测系统共需要采集15路信号，其中14个模拟量信号通过2个NI9203AI模块来采集，1个开关量信号通过一个NI9421DI模块来采集。上位机位于测控大厅，下位机采集到的状态监测参数通过以太网传输至上位机，在上位机的软件中实时显示记录，完成各对状态参数的实时监测。
2.2软件系统的实现
液压系统状态监测系统的软件采用面向对象的虚拟仪器开发平台LabVIEW软件开发，分上位机程序和下位机程序，其中：下位机程序在cRIO实时控制器和FPGA机箱中运行，主要完成所有状态监测信号的采集、计算以及与上位机的数据传输工作。上位机程序在工控机中运行，与调压阀控制系统、调压阀自动排气控制系统的控制软件集成在一起，主要分为显示模块、数据记录模块和报警模块：数据显示记录模块的功能是对采集到的各状态参数进行实时数据显示和数据记录;报警模块的功能是对液压油油温和油液污染度进行超标报警，其中：油温超过60℃时油温信号报警，压油过滤器前后压差超过0.35MPa时油液污染度信号报警。系统软件界面如图3所示。状态监测数据的分析计算采用MATLAB软件编写程序实现。
2.3状态监测参数的选取
液压系统的状态监测需要根据系统的状态特征，利用各种传感器和检测设备，对与液压系统工作状态紧密相关的各种状态参数实施监测和记录。为此，首先需要合理选定监测参数。监测参数既要能表征液压系统的工作状况，又要尽可能地多而全，为故障诊断提供冗余性、互补性、关联性的诊断信息。选定液压油油源压力、液压油油温、油液污染度、液压缸油压、液压缸活塞杆位移、液压伺服阀的控制电流作为状态监测参数。油源压力是反映液压设备工作特性的基本参数，表征着液压系统带负载的能力。液压油需要在20～60℃正常的温度范围内工作，温度信号的异常变化可以反映出许多故障特征，因此，系统需要实时监测油温变化，并对超温运行的液压系统进行报警。液压设备的故障60%～70%以上是由于油液的污染引起的，油液污染会引发液压元件的多种故障，因此，需要实时监测油液污染度。液压缸有杆腔和无杆腔的压力变化可以表征出液压缸进油、回油情况以及液压缸活塞杆的运行情况，进而直接表征调压阀阀芯的运动情况，因此，通过对液压缸有杆腔和无杆腔压力的监测，并配合活塞杆的位移信号，可以共同监测和判断液压缸、调压阀阀芯的运行情况以及液压缸的供油情况。调压阀液压系统利用液压缸活塞杆的直线运动带动调压阀阀芯的上下运动，从而改变调压阀的开度，实现对阀后空气压力的控制与调节。因此，监测液压缸活塞杆的位移信号，可以实时观测到活塞杆的运动状态，进而监测到调压阀的动作状态。此外，通过活塞杆位移信号还可以感知液压缸活塞杆爬行、动作不平稳、活塞杆或调压阀阀杆卡滞等故障特征。
结语
RV5阀的动态和静态性能分析同样适用于RV1、RV2、RV3、RV4。现将理论分析和实验结果总结如下：（1）增加阀针和阀座的通油直径、增加弹簧的预压缩量都可以提高RV阀的定压精度，减小阀的稳态柔度。实验结果表明，阀针直径过大不利于阀针与阀座密封性能，还会影响阀针移动的灵活性，因此一般情况下，可通过调节弹簧的预压缩量来改善阀的定压特性。（2）阀针移动时的摩擦力是影响RV机械死区的主要因素。实验结果表明，在CDM液压系统中，选用φ1～φ1.2的阀座通油小孔可有效地减小机械死区宽度。（3）由动态性能分析可知，扩大阀针底部的受控压力腔总体积，有助于保持稳定的工作压力，保证CDM液压系统运行的稳定性和可靠性。
参考文献
[1]杨光琴.多传感器航空液压系统信息融合诊断研究[D].北京：北京航空航天大学，2003.
[2]王少萍.液压系统故障诊断与健康管理技术[M].北京：机械工业出版社，2013.
关键词：调压阀;液压系统;状态监测;故障诊断
引言
矿井提升设备是煤矿生产中极为重要的设备，可以说煤矿的产量、人员安全升降及物质安全運送等都与该设备有关。与矿井提升机相配套的液压站起着重要的作用，而液压站中的核心部分就是电液调压装置。因为没有电液调压装置的正确动作，提升机就无法动作，煤矿环境恶劣，电液调压装置使用率特别频繁，因此对其可靠性的要求特别高。据了解，焦作矿务局使用带电液调压阀的液压站近百余台，在使用中技术人员和工人积累了较丰富的经验，对液压站出现的故障特别是电液阀出现的故障，都能较快、较好的排除。近几年，焦作少数矿使用了带比例溢流阀调压装置的液压站，据操作司机反映，手柄向前推一段距离，油压没有反映，再向前推一段距离，油压突然上升较快，整个操作过程有一种油压上升前慢后快的感觉，操作不够理想。故障率比电液阀明显增多，而且出了故障不易排除。笔者和矿井提升机打了30多年的交道，对厂家所采用的新式阀类和液压系统的改变都产生了浓厚兴趣，并学习了有关液压方面的资料，向厂家的科技人员学习了很多的知识和经验。针对上述2种不同调压装置的使用效果，发表个人的浅显看法，有不当之处，欢迎批评指正。
1工作原理
CDM液压系统中，RV阀的工作原理是采用直动式压力阀设计思想，密封形式采用阀针与阀座配合的硬密封结构。工作时液压力直接作用在阀针上，工作压力由阀针后的弹簧来调节。以CDM液压系统中RV5为例，运用力学平衡原理和液流的连续性，来建立描述RV阀的动、静态性能的数学方程。如图1所示运动方向x为正方向，阀针的动力学平衡方程，即它的运动微分方程式可写为： 式中：A为阀针流通截面积;x0为阀口开度为0时弹簧的预压缩量;Ps为供油压力;x为阀针位移;K1为弹簧刚度;Ks为稳态液动力系数Ks=2CdCvωcosθ;m为运动件质量;B为阀针运动的阻尼系数;G为阀针的重力;Ff为阀针与阀座间的摩擦力（N），阀口打开时取“+”号，关闭时取“-”号。液流的连续性方程可写为： 式中：Qp为CDM液压泵的供油流量;QL为通往系统负载的流量;Ql为从阀座底部经过阀体与本体间的O形圈到油箱所渗漏的流量;Q为通过RV5阀阀口的流量;Vs为阀针底部的受控压力腔总体积;Eβ为液压油的弹性体积模量。阀口的流量表达式为 式中：Cd为阀口局部流量阻力系数;ρ为液压油的密度;ω=πd，d为阀口直径。
2状态监测系统的实现
2.1硬件系统的实现
硬件系统采用基于上、下位机的分布式结构。下位机系统位于试验现场，其硬件平台采用了NIcRIO系统。cRIO是一款坚固耐用、可重配置的嵌入式系统，主要由3个部分组成———实时控制器、可重配置的FPGA（现场可编程门阵列）机箱和工业级I/O模块。其中：实时控制器为一个NI9022实时控制器，主要可靠而准确地执行LabVIEW实时应用程序，完成各种控制逻辑、控制信号的计算，采集的监测信号的计算和与上位机的通信。内嵌FPGA的可重配置机箱，机箱中的FPGA直接和每个I/O模块相连，用来高速访问I/O电路。I/O模块主要用来对传感器信号进行隔离、转换以及信号调理，状态监测系统共需要采集15路信号，其中14个模拟量信号通过2个NI9203AI模块来采集，1个开关量信号通过一个NI9421DI模块来采集。上位机位于测控大厅，下位机采集到的状态监测参数通过以太网传输至上位机，在上位机的软件中实时显示记录，完成各对状态参数的实时监测。
2.2软件系统的实现
液压系统状态监测系统的软件采用面向对象的虚拟仪器开发平台LabVIEW软件开发，分上位机程序和下位机程序，其中：下位机程序在cRIO实时控制器和FPGA机箱中运行，主要完成所有状态监测信号的采集、计算以及与上位机的数据传输工作。上位机程序在工控机中运行，与调压阀控制系统、调压阀自动排气控制系统的控制软件集成在一起，主要分为显示模块、数据记录模块和报警模块：数据显示记录模块的功能是对采集到的各状态参数进行实时数据显示和数据记录;报警模块的功能是对液压油油温和油液污染度进行超标报警，其中：油温超过60℃时油温信号报警，压油过滤器前后压差超过0.35MPa时油液污染度信号报警。系统软件界面如图3所示。状态监测数据的分析计算采用MATLAB软件编写程序实现。
2.3状态监测参数的选取
液压系统的状态监测需要根据系统的状态特征，利用各种传感器和检测设备，对与液压系统工作状态紧密相关的各种状态参数实施监测和记录。为此，首先需要合理选定监测参数。监测参数既要能表征液压系统的工作状况，又要尽可能地多而全，为故障诊断提供冗余性、互补性、关联性的诊断信息。选定液压油油源压力、液压油油温、油液污染度、液压缸油压、液压缸活塞杆位移、液压伺服阀的控制电流作为状态监测参数。油源压力是反映液压设备工作特性的基本参数，表征着液压系统带负载的能力。液压油需要在20～60℃正常的温度范围内工作，温度信号的异常变化可以反映出许多故障特征，因此，系统需要实时监测油温变化，并对超温运行的液压系统进行报警。液压设备的故障60%～70%以上是由于油液的污染引起的，油液污染会引发液压元件的多种故障，因此，需要实时监测油液污染度。液压缸有杆腔和无杆腔的压力变化可以表征出液压缸进油、回油情况以及液压缸活塞杆的运行情况，进而直接表征调压阀阀芯的运动情况，因此，通过对液压缸有杆腔和无杆腔压力的监测，并配合活塞杆的位移信号，可以共同监测和判断液压缸、调压阀阀芯的运行情况以及液压缸的供油情况。调压阀液压系统利用液压缸活塞杆的直线运动带动调压阀阀芯的上下运动，从而改变调压阀的开度，实现对阀后空气压力的控制与调节。因此，监测液压缸活塞杆的位移信号，可以实时观测到活塞杆的运动状态，进而监测到调压阀的动作状态。此外，通过活塞杆位移信号还可以感知液压缸活塞杆爬行、动作不平稳、活塞杆或调压阀阀杆卡滞等故障特征。
结语
RV5阀的动态和静态性能分析同样适用于RV1、RV2、RV3、RV4。现将理论分析和实验结果总结如下：（1）增加阀针和阀座的通油直径、增加弹簧的预压缩量都可以提高RV阀的定压精度，减小阀的稳态柔度。实验结果表明，阀针直径过大不利于阀针与阀座密封性能，还会影响阀针移动的灵活性，因此一般情况下，可通过调节弹簧的预压缩量来改善阀的定压特性。（2）阀针移动时的摩擦力是影响RV机械死区的主要因素。实验结果表明，在CDM液压系统中，选用φ1～φ1.2的阀座通油小孔可有效地减小机械死区宽度。（3）由动态性能分析可知，扩大阀针底部的受控压力腔总体积，有助于保持稳定的工作压力，保证CDM液压系统运行的稳定性和可靠性。
参考文献
[1]杨光琴.多传感器航空液压系统信息融合诊断研究[D].北京：北京航空航天大学，2003.
[2]王少萍.液压系统故障诊断与健康管理技术[M].北京：机械工业出版社，2013.