基于声发射技术的液压滑阀内泄漏特征提取*

时间：2024-07-28

刘杰，彭利坤，宋飞

(海军工程大学动力工程学院，武汉 430033)

0 引言

研究液压滑阀的同心环形缝隙流下内泄漏特性，对维持液压系统正常工作具有重大现实意义。近年来，滑阀内泄漏特性研究受到国内外学者广泛关注。

内泄漏研究早期集中于数学模型推导。薛晓虎[1]建立了考虑温度、压力、混入空气量等综合因素的内泄漏率计算公式。周梓荣等[2-3]重点通过实验探讨了水介质下的环形缝隙流体特性。

后期学者开始专注以建模为基础设计试验。杨秀峰[4]根据涡旋产生数目划分了环形缝隙流的层湍流界限。陈静[5]通过CFD仿真计算了环形缝隙内泄漏量大小。Mondal M K等[6]基于层流理论重点探索阀芯阀套间重叠程度对内泄漏特性的影响。LI Xin等[7]开发了动态检测液压滑阀内泄漏实验平台。荣刚[8]通过CFD仿真分析变形因素下环形缝隙内泄漏量大小。

基于信号采集的高精度检测技术有效克服了内漏流体建模局限性。GoharriziA Y等[9-10]使用小波分解后细节、近似系数提取压力信号瞬态响应以实现滑阀内泄漏水平分级。经验模态分解及希尔伯特黄变换则获取了精确高频分量分解结果，两种方法均能实现0.124 L/min以上泄漏检测。YAO Zhikai等[11]从压力信号经小波变换后时频图像中提取像素特征进行识别，并尝试用深度神经网络提取更微小内泄漏信号[12]。Siavash S等[13]提出了自定义优化压力信号特征提取算法实现有效检测内泄漏水平。近年来，基于群体智能算法改进的人工神经网络、深度置信网络、独立分量分析、支持向量机等模式识别方法为提高阀件内泄漏识别率提供了更多可能[14]。

前期液压滑阀内泄漏研究集中于软件仿真流场特性以及修正数学公式获取内泄漏特性，且主体以压力信号为检测源开展内泄漏特性研究。

何毓明[15]首次将声发射技术应用于液压油为介质的滑阀内泄漏问题研究。但该实验初步围绕阀芯直径为16 mm附近的滑阀实现变压力工况的特征提取，实验采集工况为60组。对变阀芯直径、变密封长度工况下内漏声学信号未作深入研究。

本文针对前期声发射检测采集样本不足、变量因素较少的问题设计了内泄漏实验。生产了通径规格分别为10 mm、16 mm、20 mm的阀芯，并搭建液压滑阀内泄漏实验系统。通过改变阀芯直径、间隙高度、密封长度及阀门上下游压差，测定180种工况下内泄漏量并采集声发射信号，进行AR模型功率谱分析及能量特征提取。

1 液压滑阀声发射内泄漏检测实验系统

液压滑阀声发射内泄漏检测实验系统主要由两部分组成：内泄漏测试平台及声发射采集系统。内泄漏测试平台由油源供应装置、管路设备、二位二通式滑阀泄漏模拟装置、计量设备、浮标式气动仪组成；声发射采集系统则包含接触式声发射传感器、前置信号放大器、数据采集卡及配套数据分析软件。声发射传感器的有效测量范围为20 kHz～100 kHz；前置放大器增益为40 dB；数据采集卡采样率为625 kHz。实验装置示意图如图1所示，装置实体图如图2所示。基于Solidworks设计二位二通式换向滑阀内泄漏模拟装置半剖图如图3所示，本文研究内泄漏发生在阀芯阀套间环形密封缝隙。

图1 声发射检测系统示意图

2 声发射内泄漏信号特征参数分析

2.1 内泄漏率对比下理论流态分析

设置式(1)对各阀芯直径下的实际内泄漏率使用MATLAB中的nlinfit函数进行公式拟合，其中p、l、m、n分别代表阀芯直径、间隙高度、密封长度、上下游压差指数，令上述4个参数为拟合参数，单位见表1。液压油密度取900 kg/m3；本实验使用L—HV型低温液压油，牌号46号，40 ℃下运动黏度46 mm2/s。流量q单位m3/s，乘以60 000换算为L/min。取p、l、m、n分别为1、3、1、1时，公式简化为基于层流理论的无相对运动同心环形缝隙流公式。

图2 声发射检测系统实体图

图3 二位二通式滑阀泄漏模拟装置断面图

(1)

油源供应装置自身配备水冷系统，根据温度传感器显示，本实验控制温度于40 ℃附近开展，综合考虑压力、混入空气量结果为理论内泄漏率的96%左右[1]。综合因素下实际内泄漏率在阀芯直径0.005 mm时较理论泄漏量稍小，0.040 mm时较理论泄漏量稍大。主要误差因素为：阀芯、阀座加工形位误差；下游泄漏出口软管弯折产生背压；间隙高度加大后阀芯偏心及倾斜。选择各工况下实际测定最小内泄漏率为基准，根据环形缝隙流层流公式换算，结果在上下游压差、密封长度变化规律上均与层流公式一致。证明直接使用层流公式误差原因主要为阀芯、阀座形位误差。

通过改变液压滑阀的阀芯直径、间隙高度、密封长度及滑阀上下游压差，获取了180个内泄漏率如图4所示。其中实线为实际内泄漏率，虚线为以最小内泄漏率为基准根据层流缝隙流公式计算所得理论内泄漏率。实际压力-内泄漏率变化特性呈先急后缓趋势上升，而后稍有下降；随阀芯直径增大，内泄漏率在微小泄漏量下基本呈线性增长；内泄漏率随密封长度的减小则呈指数上升。文献[3]更精确地将流态界定为层流态、流态过渡区及紊流态，雷诺数对应分为上雷诺数及下雷诺数，下雷诺数较为稳定，通过实验界定为333左右。

文献[4]详尽分析了含偏心、倾斜情况时的液压滑阀内部流场。该工况下实际下临界雷诺数可低至170左右。10 mm、16 mm及20 mm在取下临界雷诺数为170时内泄漏率分别为7.34 L/min及11.74 L/min及14.68 L/min。表1为环形缝隙层流公式参数。

表1 环形缝隙层流公式单位

(a)阀芯直径10 mm、间隙高度0.005 mm (b) 阀芯直径10 mm、间隙高度0.040 mm

(c)阀芯直径16 mm、间隙高度0.005 mm(d)阀芯直径16 mm、间隙高度0.040 mm

(e)阀芯直径20 mm、间隙高度0.005 mm (f)阀芯直径20 mm、间隙高度0.040 mm

根据图4a、图4c、图4e可知，在间隙高度0.005 mm下内泄漏率基本符合层流公式，且内泄漏率远远小于7.34 L/min。根据文献[16]可知，配合间隙0.022 mm～0.045 mm下阀芯阀套环形缝隙变形均在压力大于10 MPa后内泄漏率下降。流量远远未达根据临界雷诺数判定标准。因此阀芯直径0.005 mm下环形缝隙流随压力升高后期流量下降主要由阀芯阀座配合间隙变形所致；且随着间隙高度增加，更高压力才能引起内泄漏率下降。而对于间隙高度为0.040 mm下的内泄漏率后期偏移层流计算规律，必然需要考虑随着间隙高度的增加，涡旋数目不断增大；根据泄漏率对比分析可见，实际内泄漏率开始大幅偏移层流规律的工况均为密封长度小至0.5 mm时，在密封长度大于0.5 mm时内泄漏率与层流规律基本一致。同文献[4]分析结果一致，密封长度的减小使得环形缝隙流泄漏演化为圆管泄漏，必然向紊流流态转化。

因此根据内泄漏率对比分析可得：对于大间隙高度下，导致流态变化的主导因素为密封长度。

2.2 公式拟合对比下理论流态分析

若从公式拟合的角度考虑，将式(1)所有通径下阀芯取密封长度2 mm、1.5 mm时的实际小内泄漏率拟合p、l、m、n，结果为1.049 6、4.476 3、0.912、1.941 1。已知紊流状态下内泄漏率与间隙高度的关系为小于3次方[3-4]，文献[4]中明确界定了紊流拟合公式指数取值范围：紊流间隙高度的指数在2.004 3左右，而本文在4左右；本文阀芯直径、密封长度指数均接近于1，与层流公式吻合；紊流压力的指数为0.56，本文压力指数稍大于1。原因同文献[6]，层流下实际内泄漏率随压力的升高呈先急后缓增长。

根据公式拟合，可以确定实际环形缝隙流在大密封长度、小内泄漏率下的流态基本为层流。

2.3 行业标准内泄漏判据

根据JB/T 10373-2014的液压电液动换向阀、液动换向阀的内泄漏行业标准，公称通径10 mm，在公称压力为21 MPa下内泄漏率小于350 mL/min；公称通径16 mm，在公称压力21 MPa下内泄漏率小于400 ml/min；公称通径20 mm，公称压力21 MPa内泄漏率小于420 ml/min。根据层流公式换算得如表2所示泄漏率标准，因此在阀芯间隙高度0.005 mm下均判定为未泄漏，0.040 mm下判定为泄漏。

2.4 压滑阀内泄漏声发射信号通道选择及特征提取

接触式声发射传感器双通道布置如图5所示，分别位于模拟泄漏装置的正上方及侧面。经笔者试验，通道1位置所得特征参数提取结果在间隙高度为0.040 mm下较为稳定，而通道2位置数据容易跳跃、背景噪声不易辨别，因此选择通道1分析内泄漏情况,其标准数据如表2所示。

表2 内泄漏率标准

图5 通道1、2位置实体图

作各阀芯直径、间隙高度下的能量与密封长度、压差示意图如图6所示。对于间隙高度0.005 mm下，基本在提取能量大于10 mv·ms以上(以10为底的对数取1)，即内漏率在40 ml/min左右以上可实现内漏率随能量特征上升；间隙高度0.040 mm下，基本在提取能量大于1.5 mv·ms以上，实现内漏率随能量特征上升。在间隙高度0.040 mm下，大密封长度下能量随压差增长呈先缓后急增长；随密封长度减小，增长规律逐渐变为先急后缓。

(a)直径10 mm、间隙高度0.005 mm (b)直径16 mm、间隙高度0.005 mm

(c)直径20 mm、间隙高度0.005 mm(d)直径10 mm、间隙高度0.040 mm

(e)直径16 mm、间隙高度0.040 mm (f)直径20 mm、间隙高度0.040 mm

3 声发射信号的AR模型功率谱分析

3.1 功率谱与阀芯直径、间隙高度、压力关系研究

接触式声发射传感器固有频率在多处稳定存在，包含65.2 kHz左右、91 kHz左右，这些特征频率可使用陷波器滤除；通过陷波器去除稳定固有频率后获取基于Burg算法的AR模型功率谱图，定阶准则使用FPE及AIC对各自数据序列确定最佳阶数[17]。

为消除传感器布置位置影响，对双通道均作功率谱图分析，结果表明双通道的演化规律基本一致，但区别如下：通道2在40 kHz附近频段的幅值呈稳定上升趋势，但对大密封长度的内泄漏流几乎无法识别；通道1不具备40 kHz附近稳定频段，且变化频段较通道2有所拓宽，但识别敏感程度较高，且背景噪声下功率谱与内漏条件下功率谱图有区分度。

鉴于通道1的结果更具备普遍性，将通道1的各公称直径、间隙高度在密封长度0.25 mm下的变压力波形演化图列出，如图7所示。图中将各工况下间隔2 MPa从0 MPa～10 MPa的平面功率谱以三维结果表示成波形演化图。以瓦特(W)为单位的功率谱图更好地反映波形演化过程。

由图7所示可知，各阀芯直径下的功率谱演化规律基本一致：当间隙高度为0.005 mm时，功率谱图幅值基本随阀芯直径的增大而增大，内漏率基本不偏离层流计算结果；间隙高度为0.040 mm时，各频段幅值随阀芯直径增大反而下降，这是因为对于0.25 mm的密封长度下，环状流演化为圆管流，且阀芯直径增加共同促使湍流程度加大。

(a)通径10 mm、间隙高度0.005 mm、0～4 MPa(b)通径10 mm、间隙高度0.040 mm、0～4 MPa(c)通径10 mm、间隙高度0.040 mm、6～10 MPa

(d)通径16 mm、间隙高度0.005 mm(e)直径16 mm、间隙高度0.040 mm、0～4 MPa(f)通径16 mm、间隙高度0.040 mm、6～10 MPa

(g)通径20 mm，间隙高度0.005 mm(h)通径20 mm，间隙高度0.040 mm、0～4 MPa(i)通径20 mm，间隙高度0.040 mm、6～10 MPa 图7 密封长度0.25 mm下波形演化图

文献[18]对气体泄漏通道噪声和下游噪声进行了声发射信号采集，结果表明，主要噪声出现在通道出口下游部分。结合文献判断，主导声发射能量增长的涡旋位于环形密封出口位置，辐射发展并不断裂解，而后经过下游腔室充分延展恢复层流状态。

周期性的扰动可看成是环形密封出口射流与下游层流相互作用静压振荡形成的辐射声场。所以本文在两个频段产生的特征频率功率谱，可看作几种主要特征频段下的周期性扰动，随着内泄漏率增长而加强。

湍流发生过程过渡阶段含有过渡初始阶段到过流发展阶段，功率谱图上表现为单一周期性扰动到多种周期性窄带扰动。而完全湍流态是属于含有宽频带连续谱扰动的完全不规则流动。

由AR模型功率谱所示，对于间隙高度0.005 mm下的各工况而言：周期性的扰动恒定地出现在对应1～2个频段，基本无增减，主要位于30～50 kHz段。因此结合波形演化图，间隙高度为0.005 mm下应当判定为层流开始向湍流转化的湍流过渡初始阶段。对于间隙高度0.040 mm下的工况而言：频段逐渐从40 kHz附近拓宽至30～60 kHz。随着内泄漏率继续增长，激发出75～100 kHz频段能量。而后30～60 kHz能量大幅呈指数态增长，远大于其余频段能量，从波形演化图上表现为30～60 kHz频段稳定的周期性扰动。但实际上75～100 kHz频段均存在周期性扰动，只是增幅较小无法在图中体现出来。因此间隙高度0.040 mm下的实际流态为多种周期性窄带扰动的结合，此时为过渡态中过流发展阶段。

整体而言，通过功率谱图获取了有效分析声发射信号的主要频段，30～60 kHz的功率增加对声发射的可靠检测起到关键作用。结合图4、图6及图7，内泄漏量增长在波形上表现为频段加宽，特征参数上表现为RMS、ASL、幅值、能量等参数的正相关性上升。

3.2 功率谱与密封长度关系研究

为探索功率谱演化规律与密封长度间的关系，选择阀芯直径为20 mm，间隙高度0.005 mm、0.040 mm下6 MPa和10 MPa进行变密封长度的功率谱图分析。如图8所示，间隙高度0.005 mm时，密封长度从2 mm减少至0.5 mm，功率谱图在40 kHz附近拓宽能量逐渐升至最大；对应于密封长度0.25 m时，环形缝隙流接近圆管流动，涡旋程度加大，往过流发展阶段过渡，40 kHz附近频段能量开始下降，功率谱能量往高频段75～100 kHz附近偏移。结合功率谱图7可知，在阀芯直径0.005 mm下只有达到40 ml/min附近的内泄漏率才能被能量特征提取。而0.040 mm间隙高度下内漏率大于40 ml/min，波形图能量基本随内泄漏率增长。

(a)间隙高度5 μm,压力6 MPa (b)间隙高度5 μm,压力10 MPa

(c)间隙高度40 μm，压力6 MPa (d)间隙高度40 μm，压力10 MPa 图8 通径20 mm的变密封长度波形演化图

4 内泄漏率与能量特征关系研究

对于阀芯直径0.005 mm的能量特征提取结果表明，背景噪声及未激发40 kHz附近能拓宽的频段时，能量以10为底，取对数值后基本在1以下(即能量值在10 mv·ms以下)。而对于阀芯直径0.040 mm下，我们可以初步通过能量取对数后是否大于0.1761(即1.5 mv·ms)来判定是否发生内漏。

在阀芯直径达到0.040 mm时，对于通过对内泄漏率与能量特征对数拟合，我们发现了如下规律：同直径下，随着密封长度的减小，内泄漏率-能量对数特征关系图的弯曲方向逐渐发生改变。说明随密封长度减小，内泄漏率-能量对数关系从对数型函数转变为指数型函数。且随着密封长度的减小，整体图形从左下角往右上方蔓延，如图9所示。

(a)直径10 mm、间隙高度0.040 mm(b)直径16 mm、间隙高度0.040 mm

(c)直径20 mm、间隙高度0.040 mm图9 内泄漏率-能量对数特征关系图