基于EMD與振動(dòng)綜合度的再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

安相璧，郭　正，陳成法，張　哲，王　虎

（1.軍事交通學(xué)院，天津 300161；2.煙臺(tái)警備區(qū)84分隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000）

基于EMD與振動(dòng)綜合度的再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

安相璧1，郭正1，陳成法1，張哲2，王虎1

（1.軍事交通學(xué)院，天津 300161；2.煙臺(tái)警備區(qū)84分隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000）

針對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差導(dǎo)致出廠驗(yàn)收磨合效率低的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，達(dá)到判斷其磨合質(zhì)量，提高工作效率的目的。利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，EMD）的結(jié)果，基于對(duì)振動(dòng)綜合度的應(yīng)用研究，提出磨合質(zhì)量參數(shù)作為評(píng)價(jià)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比再制造發(fā)動(dòng)機(jī)與在用發(fā)動(dòng)機(jī)的分析結(jié)果，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明磨合質(zhì)量參數(shù)隨著磨合過(guò)程的進(jìn)行逐漸減小，且具有良好的靈敏度。在綜合分析多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出將3%作為磨合質(zhì)量參數(shù)的閾值，以此評(píng)價(jià)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合質(zhì)量。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；振動(dòng)綜合度；再制造發(fā)動(dòng)機(jī)；磨合質(zhì)量

0　引　言

再制造技術(shù)是一種適應(yīng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要手段，是在廢舊產(chǎn)品中繼續(xù)發(fā)掘其隱含價(jià)值的良好途徑，能達(dá)到資源利用的最大化[1]。再制造發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)能環(huán)保、資源循環(huán)利用等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視[1-2]。由于再制造發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品一致性較差，出廠磨合過(guò)程中，經(jīng)過(guò)同樣的工序，效果也各有不同[3]。針對(duì)此問(wèn)題，研究實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量的方法，有利于動(dòng)態(tài)掌握其磨合質(zhì)量，提高工作效率。

發(fā)動(dòng)機(jī)的表面振動(dòng)信號(hào)包含著豐富的運(yùn)行狀態(tài)信息，故在發(fā)動(dòng)機(jī)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。目前，振動(dòng)分析已經(jīng)是機(jī)械故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)手段之一，但應(yīng)用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量的研究較少。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（empirical mode decomposition，EMD）能夠基于信號(hào)的特征時(shí)間尺度，將信號(hào)分解為有限的本征模態(tài)函數(shù)（intrinsic mode function，IMF）之和，具有良好的自適應(yīng)性，常用于處理非線性、非平穩(wěn)時(shí)變數(shù)據(jù)[6]。本文利用EMD方法提取再制造發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)的特征信息，研究反映其磨合質(zhì)量變化的方法。

1　EMD分解

EMD方法的實(shí)質(zhì)是依照由小到大的順序?qū)⑿盘?hào)分解為特征時(shí)間尺度不同的本征模態(tài)分量，因此該方法可以被視為一種特殊的“篩分”過(guò)程。Huang提出了IMF應(yīng)當(dāng)符合的兩個(gè)條件：1）在數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，函數(shù)的局部極值點(diǎn)與過(guò)零點(diǎn)的數(shù)目之差的絕對(duì)值應(yīng)當(dāng)不大于1；2）在任意時(shí)間點(diǎn)，函數(shù)的極大值和極小值的包絡(luò)線（即上下包絡(luò)線）的平均值必須為零。每一個(gè)IMF的計(jì)算方法[7-8]如下：

1）計(jì)算得到樣本信號(hào)x（t）的極大值包絡(luò)線e+（t）和極小值包絡(luò)線e-（t）。e+（t）和e-（t）的平均值即是樣本信號(hào)的均值包絡(luò)m1（t），即：

2）將樣本信號(hào)的數(shù)據(jù)序列減去m1（t），可以得到一個(gè)去除了部分低頻的新信號(hào)即：

用原始樣本信號(hào)x（t）減去c1（t），可以得到去除了部分高頻成分的新信號(hào)r1（t），則：

將r1（t）作為新的樣本信號(hào)，重復(fù)進(jìn)行1）、2）的過(guò)程，可以得到二階IMF分量c2（t），如此反復(fù)進(jìn)行，直到第n階IMF分量cn（t）或計(jì)算殘余量rn（t）小于預(yù)設(shè)值；或者殘余分量rn（t）為常量或單調(diào)函數(shù)時(shí)，即可終止EMD分解。

最終，樣本信號(hào)x（t）經(jīng)過(guò)EMD分解的結(jié)果為

式中rn（t）為分解的殘量，也是信號(hào)的趨勢(shì)項(xiàng)，表征信號(hào)的平均趨勢(shì)或均值。樣本信號(hào)x（t）經(jīng)過(guò)EMD分解，得到了n個(gè)本征模態(tài)函數(shù)，按照各自的頻率從高到低排列。

在實(shí)際情況中，上下包絡(luò)的均值很難為零；因此，當(dāng)滿足下面的式子時(shí)，就認(rèn)為上下包絡(luò)均值滿足IMF均值為零的條件。

式中ε為篩分門限，一般取值為0.2～0.3。

2　振動(dòng)綜合度原理

利用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合質(zhì)量，即是通過(guò)提取振動(dòng)信號(hào)內(nèi)的有效信息，評(píng)判其內(nèi)部各摩擦副的磨合情況，判斷各配合件是否達(dá)到良好的運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)[8]提出了振動(dòng)綜合度的概念用以評(píng)價(jià)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，其本質(zhì)是結(jié)合相關(guān)系數(shù)和關(guān)聯(lián)維數(shù)提出的一個(gè)量化表征發(fā)動(dòng)機(jī)性能的參數(shù)。其計(jì)算方法如下：

式中:μi——分量Ci（t）的均值；

μ——原信號(hào)S（t）的均值；

σi——分量Ci（t）的標(biāo)準(zhǔn)差；

σ——原信號(hào)S（t）的標(biāo)準(zhǔn)差。

2）設(shè){xi}，i=1，2，3，…，n，是以采樣間隔T獲得的信號(hào)時(shí)間序列，將其嵌入到m維的歐式空間Rm中，得到一個(gè)向量集{J（Xi，m）}，i=1，2，3，…，L，這個(gè)過(guò)程稱為空間重構(gòu)，其元素記為是延遲時(shí)間，m是嵌入維數(shù)。從這L個(gè)向量中任意選定一個(gè)參考向量Xi，m，計(jì)算其余L-1個(gè)向量到Xi，m的距離為

對(duì)所有的向量Xi，m重復(fù)這一過(guò)程，得到關(guān)聯(lián)函數(shù)

式中r是重構(gòu)后相空間的標(biāo)度；H（s）為Heavside函數(shù)，其定義為

關(guān)聯(lián)維數(shù)D為

3）振動(dòng)綜合度Ld為

3　振動(dòng)綜合度在磨合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用分析

振動(dòng)綜合度是以關(guān)聯(lián)維數(shù)作為特征參量，以相關(guān)系數(shù)作為其加權(quán)系數(shù)得到的一個(gè)參數(shù)，可以量化表征發(fā)動(dòng)機(jī)的性能狀態(tài)，現(xiàn)將其引入對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量的評(píng)價(jià)分析。本文以康明斯EQ6BT5.9型再制造發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，磨合方法為短時(shí)多循環(huán)磨合[3]，對(duì)磨合中的該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與采集[9-10]，該發(fā)動(dòng)機(jī)為4沖程、6缸柴油機(jī)，試驗(yàn)采樣頻率為50000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為8192，傳感器測(cè)點(diǎn)為缸蓋和活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸壁處，在其磨合循環(huán)的每個(gè)工況各進(jìn)行3次信號(hào)采集。缸蓋處采樣信號(hào)的時(shí)域波形如圖1所示。

圖1　采樣得到的原信號(hào)時(shí)域波形

對(duì)信號(hào)進(jìn)行EMD分解，分解結(jié)果見(jiàn)圖2。由于在高轉(zhuǎn)速工況下的采樣信號(hào)的EMD分解結(jié)果有模態(tài)混疊現(xiàn)象，因此對(duì)信號(hào)的分析主要針對(duì)800～1600r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的采樣信號(hào)。

圖2　樣本信號(hào)的EMD分解結(jié)果

利用小波閾值降噪方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行降噪處理[11]并計(jì)算其振動(dòng)綜合度，所得結(jié)果如表1所示。經(jīng)計(jì)算，第1次循環(huán)后振動(dòng)綜合度均值為0.7328，第2次循環(huán)后降為0.729 8，從數(shù)值來(lái)看，經(jīng)過(guò)1個(gè)循環(huán)的磨合，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有輕微的改善，但是變化并不明顯。將兩次循環(huán)信號(hào)的振動(dòng)綜合度計(jì)算結(jié)果作圖，如圖3所示。從圖中可以看出，第2次磨合循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)綜合度變化幅度明顯降低，其曲線更加平緩。證明經(jīng)過(guò)磨合，各摩擦副的配合更加良好，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性有了提升。由此可以看出，振動(dòng)綜合度的變化趨勢(shì)可以表征再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合質(zhì)量。

表1　EQ6BT5.9缸蓋處振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)綜合度計(jì)算結(jié)果

圖3　6BT5.9缸蓋處振動(dòng)綜合度變化曲線

4　磨合質(zhì)量參數(shù)原理及其試驗(yàn)分析與驗(yàn)證

振動(dòng)綜合度是用以表征再制造發(fā)動(dòng)機(jī)性能狀況的，由上一節(jié)的分析可知其變化程度可以描述發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合質(zhì)量，但數(shù)值的變化緩慢，難以準(zhǔn)確有效判斷磨合質(zhì)量的變化。而圖3所示的曲線形式雖然能夠較清晰地體現(xiàn)磨合質(zhì)量的改善情況，但結(jié)果不夠直觀，實(shí)用性不好。因此，為了得到量化的靈敏性好的參數(shù)，采集再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合過(guò)程不同階段的振動(dòng)信號(hào)并計(jì)算其振動(dòng)綜合度，將結(jié)果取均方差并以百分?jǐn)?shù)表示，得到磨合質(zhì)量參數(shù)Rq：

可以看出，磨合質(zhì)量參數(shù)Rq反映了一段時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化幅度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)磨合是使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各運(yùn)動(dòng)部件之間的配合度逐漸提升的過(guò)程，因此計(jì)算其磨合過(guò)程振動(dòng)程度的變化趨勢(shì)可以反映其磨合質(zhì)量。Rq的數(shù)值越小，表示磨合質(zhì)量越好。

抽取另一臺(tái)待磨合的6BT5.9型再制造發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，將其編號(hào)為6BT-1，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的兩個(gè)循環(huán)的磨合，其六缸活塞上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的缸壁處的采樣信號(hào)計(jì)算結(jié)果如表2所示。其第1、第2磨合循環(huán)的振動(dòng)綜合度均值計(jì)算結(jié)果分別為0.6894，0.6847；Rq計(jì)算結(jié)果分別為4.48%，4.09%?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)的磨合，該發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和磨合質(zhì)量都有了一定的提升，Rq的計(jì)算結(jié)果顯示Ld的變化幅度趨緩。作為對(duì)比，選取一臺(tái)型號(hào)相同、運(yùn)行良好的在用發(fā)動(dòng)機(jī)，編為6BT-2，按照磨合規(guī)范對(duì)其進(jìn)行一個(gè)循環(huán)的磨合，其Ld計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。首先可以看出，在用發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)情況較再制造發(fā)動(dòng)機(jī)好。經(jīng)計(jì)算，其Rq值為2.85%，大大低于6BT-1第2循環(huán)中的4.09%，表明經(jīng)過(guò)兩個(gè)磨合循環(huán)后，6BT-1的運(yùn)行狀態(tài)的平穩(wěn)程度仍然同在用發(fā)動(dòng)機(jī)有差距。

表2　6BT-1振動(dòng)綜合度計(jì)算結(jié)果

表3　6BT-2（在用發(fā)動(dòng)機(jī)）振動(dòng)綜合度計(jì)算結(jié)果

表46　BT-1性能試驗(yàn)結(jié)果

表5　6BT-1第3次循環(huán)振動(dòng)信號(hào)振動(dòng)綜合度計(jì)算結(jié)果

對(duì)經(jīng)過(guò)正常磨合的6BT-1進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值略有差距，達(dá)不到驗(yàn)收要求。因此對(duì)其增加一個(gè)磨合循環(huán)后再進(jìn)行性能試驗(yàn)，其結(jié)果達(dá)到了驗(yàn)收要求。兩次性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。對(duì)第3次循環(huán)中采集的振動(dòng)信號(hào)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。計(jì)算得到第3循環(huán)的Rq值為2.67%，比第1、2循環(huán)的數(shù)值大幅降低，甚至小于表2中在用發(fā)動(dòng)機(jī)的Rq，該機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果也證明其性能狀態(tài)達(dá)到了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。由此可以證明利用Rq表征再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量是有效的。

對(duì)比表2與表5的數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)循環(huán)中振動(dòng)綜合度的均值變化微小，幾乎可以忽略不計(jì)，但是磨合質(zhì)量參數(shù)的變化十分明顯，分別為4.48%，4.09%，2.67%。說(shuō)明磨合質(zhì)量參數(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量的變化反應(yīng)更加敏感有效。結(jié)合表4中的性能試驗(yàn)結(jié)果，更能證明該參數(shù)的靈敏性，因此可以將其作為可以量化描述再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量的參數(shù)。

為更直觀判斷再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量情況，在此基礎(chǔ)上綜合分析多臺(tái)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)與在用發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)Rq的值大于4%時(shí)磨合質(zhì)量較差，低于3%時(shí)磨合質(zhì)量較好。因此，可以初步將3%定為Rq的閾值。Rq低于此閾值的發(fā)動(dòng)機(jī)可認(rèn)為磨合質(zhì)量良好，可以進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)收；高于此閾值的發(fā)動(dòng)機(jī)則可認(rèn)為磨合不充分，需要增加磨合循環(huán)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收工作中的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)的變化判斷再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合質(zhì)量，指導(dǎo)驗(yàn)收工作。

EMD分解得到的IMF函數(shù)中蘊(yùn)含著發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)模式，通過(guò)振動(dòng)綜合度這一參數(shù)可以在一定程度上有效描述再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本文基于振動(dòng)綜合度提出的磨合質(zhì)量參數(shù)可以量化地表征再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合質(zhì)量，相較于振動(dòng)綜合度具有更高的靈敏度，磨合程度越好，其數(shù)值越低。基于多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)分析與性能試驗(yàn)結(jié)果，建議將3%作為磨合質(zhì)量參數(shù)的閾值，以此來(lái)評(píng)價(jià)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)的磨合程度。當(dāng)再制造發(fā)動(dòng)機(jī)Rq低于此閾值時(shí)，可以進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)收；高于此閾值時(shí)則可認(rèn)為磨合不充分，需要增加磨合循環(huán)。

[1]徐濱士.再制造工程的現(xiàn)狀與前沿[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2010（1）：10-14.

[2]李健，侯獻(xiàn)軍.汽車再制造工程的發(fā)展與展望[J].汽車科技，2009（2）：9-12.

[3]姜大海，王虎，安相璧，等.車用再制造發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收檢驗(yàn)臺(tái)架磨合規(guī)范試驗(yàn)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（1）：83-87.

[4]Lin B，Qin S R，Liu X F.Theory and application of wavelet analysis instrument library[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering（English Edition），2007，19（3）：464-467.

[5]Smith H C，Akujuobi C M，Hamory P，et al.An approachtovibrationanalysisusingwaveletsinan application ofaircrafthealth monitoring[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2007（21）：1255-1272.

[6]張德祥，汪萍，吳小培，等.基于EMD和非線性峭度的齒輪故障診斷[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2012，32（1）：56-61.

[7]張進(jìn)林.抑制經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解端點(diǎn)效應(yīng)的常用方法性能比較研究[D].昆明：云南大學(xué)，2010.

[8]陳成法，孫長(zhǎng)庫(kù)，安相璧，等.基于EMD和關(guān)聯(lián)維數(shù)的再制造發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究[J].汽車工程，2014，36（6）：648-652.

[9]蔡艷平，李艾華，王濤，等.基于EMD-Wigner-Ville的內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)時(shí)頻分析[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2010，23（4）：430-437.

[10]陳成法，張哲，王龍，等.基于LabVIEW的再制造發(fā)動(dòng)機(jī)磨合過(guò)程振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014（2）：22.

[11]安相璧，張哲，陳磊，等.新閾值算法在再制造發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)降噪中的應(yīng)用[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（2）：29-32.

Study on running quality evaluation of remanufactured engine based on EMD and overall vibration

AN Xiangbi1，GUO Zheng1，CHEN Chengfa1，ZHANG Zhe2，WANG Hu1
（1.Military Transportation University，Tianjin 300161，China；2.The Yantai Garrison Unit 84，Yantai 264000，China）

In order to solve the problem that remanufactured engine is low in running efficiency during factory acceptance for its poor quality conformity，the vibration signal on the engine surface was monitored and analyzed in real time to judge the engine running quality and improve its work efficiency.Based on the application and study of comprehensive vibration scale and the results of empirical mode decomposition（EMD），this paper has presented to take running quality parameters as the evaluation index for engine running quality.The running quality parameters have been proved to reduce gradually and much flexible during the running process in combination with the comprehensive analysis of remanufactured engines and in-use engines and the engine performance test data.After studying the test results of multiple engines，it was proposed to set the threshold of running quality parameters as 3%so as to evaluate the running quality of remanufactured engines.

EMD；overall vibration；remanufactured engine；running quality

A

1674-5124（2015）12-0119-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.029

2015-05-07；

2015-06-21

安相璧（1963-），男，山東寧陽(yáng)縣人，教授，博士，研究方向?yàn)槠囋囼?yàn)與檢測(cè)。