基于變分模態(tài)分解和wigner-Ville的單向閥早期故障診斷

吳漫 馮早 黃國勇 牟竹青

摘要：針對大型往復(fù)式機(jī)械設(shè)備高壓隔膜泵單向閥早期故障難以識別的問題，該文提出基于變分模態(tài)分解（variational mode decomposition，VMD）和Wigner-Ville的單向閥早期故障診斷方法。首先，利用VMD將原始振動信號分解成有限個IMF分量，基于觀察中心頻率法篩選富含故障信息的IMF分量;然后，利用魏格納一維利分布（wigner-Ville distribution，wVD）對篩選后的IMF分量計算，得到每個分量的Wigner-Ville分布;最后，將各項結(jié)果線性求和得到信號的WVD分布。經(jīng)仿真與工程實驗分析，該方法能較好表征出振動信號中所蘊(yùn)含的單向閥早期故障特征信息，能實現(xiàn)高壓隔膜泵單向閥早期故障診斷。

關(guān)鍵詞：單向閥;vMD;wigner-Ville;早期故障診斷

中圖分類號：THl7;TH911.756文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0116-07

0引言

大型往復(fù)式機(jī)械高壓隔膜泵是輸送高溫、高腐蝕固液兩相介質(zhì)的核心動力設(shè)備。單向閥作為高壓隔膜泵核心機(jī)械零部件之一，其工作狀態(tài)直接影響設(shè)備的整體性能及工作效率，且其在運(yùn)行過程中易受到往復(fù)運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及流體運(yùn)動等多種類型振源的激勵，致使單向閥的振動信號具有突發(fā)性、并發(fā)性、多源性、非平穩(wěn)性和非線性等特點，如果能在單向閥失效初期發(fā)現(xiàn)故障溯源并及時排除隱患，具有重要的意義。在單向閥故障的早期階段，沖擊成分能量所占比例較小，且由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和流體運(yùn)動的干擾，會被引入到單向閥振動信號中形成噪聲。故能有效地實現(xiàn)單向閥的早期故障診斷成為了該領(lǐng)域的一大難點。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者以柴油機(jī)、壓縮機(jī)、離心泵等典型往復(fù)式機(jī)械設(shè)備為重點研究對象，展開了基于故障機(jī)理及信號分析的方法研究--卅。目前高壓隔膜泵研究僅限于曲軸、泵閥等零部件機(jī)理特性的研究，尚未建立起高壓隔膜泵整體的系統(tǒng)動力學(xué)模型，無法系統(tǒng)地揭示隔膜泵系統(tǒng)的機(jī)理特征。國內(nèi)外學(xué)者針對往復(fù)泵泵閥開展了大量的研究工作，文獻(xiàn)[7]通過對比正常泵閥和故障泵閥的細(xì)化譜實現(xiàn)往復(fù)泵泵閥的故障診斷;文獻(xiàn)[8]基于Volterra級數(shù)的提升小波變換，實現(xiàn)了往復(fù)泵的磨損故障診斷;如文獻(xiàn)[9]提出一種基于EMD和Wigner-Ville在往復(fù)泵泵閥振動信號特征提取中的應(yīng)用。上述方法為高壓隔膜泵單向閥的故障診斷提供了相應(yīng)的借鑒和參考，但存在局限性，如EMD存在端點效應(yīng)，模態(tài)混疊，算法效率低等問題。對此，Dragomiretskiv等提出了一種信號自適應(yīng)處理的新方法——變分模態(tài)分解，該方法采用一種非遞歸的處理策略，通過迭代搜尋變分模型的最優(yōu)解來實現(xiàn)信號頻域的自適應(yīng)分解，分解精度高且有效避免模式混淆的問題。鑒于VMD算法的優(yōu)越性，本文將其引入高壓隔膜泵單向閥的故障診斷。

VMD能夠自適應(yīng)將多分調(diào)幅調(diào)頻信號分解成多個單分量調(diào)頻信號，能夠精確表征信號各個頻率成分，且能有效避免WVD分布的交叉項干擾的問題和保留WVD分布中優(yōu)良的時頻聚集性。因此，本文提出基于變分模態(tài)分解和Wigner-Ville的早期故障診斷方法。

1高壓隔膜泵及單向閥分析

以三缸單作用高壓隔膜泵為例，其主要由電機(jī)、活塞、活塞缸、隔膜、隔膜室、出料單向閥、進(jìn)料單向閥等零部件組成，圖1為高壓隔膜泵的工作原理圖，往復(fù)式活塞隔膜泵在工作中當(dāng)活塞左移時，隔膜向左運(yùn)動，進(jìn)料閥打開而吸入料漿;當(dāng)活塞右移時，隔膜向右運(yùn)動，出料閥打開而排出料漿。

單向閥是控制漿料輸入和輸出的機(jī)械零件，其每一次進(jìn)料和排料的過程對應(yīng)著隔膜泵的一次沖程。假設(shè)隔膜泵的沖程系數(shù)為50r/min，其正常運(yùn)行一天，進(jìn)出料單向閥需往復(fù)式運(yùn)動72000次，因此單向閥是隔膜泵中運(yùn)動最頻繁和最易發(fā)生故障的核心零件。常見單向閥故障類型可分為單向閥磨損（泄漏）擊穿故障和單向閥卡閥故障。

2方法原理

2.1變分模態(tài)分解（VIVID）

VMD方法能夠?qū)⒍喾终{(diào)幅調(diào)頻信號分解成多個單分量調(diào)幅調(diào)頻信號。其對變分框架內(nèi)對信號進(jìn)行分解，通過搜尋約束變分模型中的約束和最優(yōu)化來實現(xiàn)信號自適應(yīng)分解，最終得到單分調(diào)幅調(diào)頻信號及相應(yīng)的中心頻率。

3基于變分模態(tài)分解和Wigner-ViHe的早

期故障診斷方法

針對高壓隔膜泵單向閥早期故障難以識別的問題，本文提出基于變分模態(tài)分解和Wigner-Ville的單向閥微弱故障診斷方法。首先采用具有自適應(yīng)性的變分模態(tài)分解方法處理低信噪比的單向閥故障信號，獲得更加精確的故障特征信息，然后利用具有較好時頻聚集性的Wigner-Ville分布方法表征單向閥故障信號能量分布，最后比較單向閥3種狀態(tài)振動信號的時頻分布圖，以實現(xiàn)高壓隔膜泵的早期故障診斷。具體步驟如下：

1）選取單向閥磨損擊穿早期故障、卡閥早期故障以及正常狀態(tài)3種振動信號進(jìn)行VMD分解。

2）基于中心頻率觀察法篩選富含故障信息的IMF分量，當(dāng)K=m時，出現(xiàn)相近的中心頻率ωk時，則認(rèn)為此時VMD分解出現(xiàn)了過分解，那么此時篩選出m個IMF分量。

3）對m個IMF分量進(jìn)行WVD計算，得到Wi，i=1，2，…，m，得到每個分量的Wigner-Ville分布。

4）對Wi進(jìn)行線性疊加，得到變分模態(tài)分解和Wigner-Ville時頻分析結(jié)果，即為振動序號序列的Wigner-Ville分布。

5）最后，比較單向閥3種狀態(tài)Wigner-Ville時頻分布圖。

基于上述步驟，本文提出的方法能較好抑制Wigner-Ville分布的交叉項且能夠全面表征單向閥早期故障特征信息。

4仿真分析

為分析此方法的有效性，建立一個多分調(diào)幅調(diào)頻仿真信號，其解析表達(dá)式為

仿真信號中（0≤t≤3），x（t）的采樣頻率為2560Hz，采樣數(shù)據(jù)長度為10240。表l是不同K值對應(yīng)的中心頻率，其中從K為5開始，出現(xiàn)了相近的中心頻率，即出現(xiàn)了過分解，因此K取4，認(rèn)為4個IMF分量富含仿真信號信息。