舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)方法及失效檢測(cè)技術(shù)研究①

金華強(qiáng) 顧江萍 黃躍進(jìn) 孫 哲 王新雷 沈 希

(*浙江工業(yè)大學(xué)教科學(xué)院 杭州 310023) (**浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 杭州 310023) (***伊利諾伊大學(xué)香檳校區(qū)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院 厄巴納 IL61801)

0 引 言

隨著全民生活水平的提高，冰箱、空調(diào)等制冷家電耗電量達(dá)到家用總耗電量的50%以上，在提倡節(jié)能減排的大環(huán)境下，對(duì)制冷家電的性能提出了更高的要求，而其核心部件全封閉制冷壓縮機(jī)的研究與改進(jìn)成為了重點(diǎn)。制冷壓縮機(jī)對(duì)工作介質(zhì)的間歇性作用，導(dǎo)致舌簧閥片在運(yùn)行過(guò)程中不斷受到氣體沖擊而開(kāi)啟與關(guān)閉，是壓縮機(jī)極易損壞的部件。研究數(shù)據(jù)表明，制冷壓縮機(jī)有60%左右的故障發(fā)生在閥片上，因此閥片的工作穩(wěn)定性、使用壽命直接決定整機(jī)的制冷性能、產(chǎn)品壽命及振動(dòng)噪聲[1]。

為了提高閥片的使用壽命，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在閥片疲勞壽命方面進(jìn)行了相關(guān)研究。從1970年開(kāi)始，美國(guó)Purdue大學(xué)的研究學(xué)者們對(duì)壓縮機(jī)閥片進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究[2，3]，同時(shí)帶動(dòng)了舌簧閥片相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。Tajima等人[4]通過(guò)對(duì)不同厚度和閥座形式的排氣閥片進(jìn)行沖擊疲勞特性實(shí)驗(yàn)，建立了沖擊速度與疲勞失效之間的關(guān)系，并分析了沖擊應(yīng)力的分布。Glaeser[5]對(duì)制冷壓縮機(jī)簧片閥的失效機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)簧片閥的故障主要是沖擊疲勞失效，疲勞來(lái)源于簧片與閥座沖擊和簧片扭曲而造成的表面損壞。Mueller等人[6]對(duì)改良AISI420材料舌簧閥片的彎曲疲勞強(qiáng)度和沖擊疲勞強(qiáng)度展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)彎曲疲勞強(qiáng)度主要與拉伸強(qiáng)度有關(guān)，沖擊疲勞強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)。Woo等人[7]提出閥片的失效是由閥板與閥片接觸處設(shè)計(jì)問(wèn)題造成的，往復(fù)沖擊導(dǎo)致缺陷擴(kuò)大，引起閥片破裂失效，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使商用冰箱的壓縮機(jī)壽命提高到12.6年。上述文獻(xiàn)通過(guò)研究閥片材料與結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)提高其使用壽命，但是對(duì)舌簧閥片疲勞壽命加速實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)裝置的研究較少。

為了保證壓縮機(jī)的正常使用，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在閥片的故障與失效檢測(cè)方面也進(jìn)行了相關(guān)研究。王儼剴等人[8]研究了基于小波多尺度分解、重構(gòu)的方法，對(duì)制冷壓縮機(jī)氣閥的故障進(jìn)行診斷。王金東等人[9]運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)氣閥信號(hào)進(jìn)行分解，并計(jì)算各分量的信息熵，提取出能夠反映氣閥工作狀態(tài)的能量特征。Sim等人[10]提出利用聲學(xué)信號(hào)來(lái)檢測(cè)往復(fù)式壓縮機(jī)閥片的異常，通過(guò)小波包變換將聲學(xué)信號(hào)分解為不同的頻率，計(jì)算各子頻段信號(hào)的均方根值來(lái)識(shí)別閥片的異常。Tran等人[11]介紹了一種基于振動(dòng)、壓力和電流信號(hào)的大型往復(fù)式壓縮機(jī)閥片故障診斷方法，為了揭示包含在信號(hào)中的故障特征，提出Teager-Kaiser能量操作來(lái)估計(jì)振幅包絡(luò)。Wang等人[12]提出了一種利用聲學(xué)信號(hào)與模擬動(dòng)量相結(jié)合的方式對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)閥片故障進(jìn)行診斷的方法，閥片的實(shí)際工作狀態(tài)可以通過(guò)分析曲軸角度范圍內(nèi)的聲學(xué)信號(hào)和閥片運(yùn)動(dòng)模擬來(lái)預(yù)測(cè)。張思陽(yáng)等人[13]提出了一種基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)與功率譜熵相結(jié)合的分析方法，在往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障診斷中取得了較好的效果。Farzaneh等人[14]研究了基于曲軸轉(zhuǎn)角的零維數(shù)值方法，通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)方程、閥片動(dòng)態(tài)方程、以及流過(guò)閥片與閥孔的質(zhì)量流量方程來(lái)計(jì)算研究壓縮機(jī)閥片的故障。上述研究中，被分析的信號(hào)以振動(dòng)信號(hào)、聲學(xué)信號(hào)為主，信號(hào)處理時(shí)頻方法中小波包分解對(duì)基函數(shù)要求較高，EMD分解容易產(chǎn)生模態(tài)混疊。

針對(duì)小型往復(fù)式壓縮機(jī)舌簧閥片疲勞壽命難以有效評(píng)價(jià)的問(wèn)題，本文提出了一種以激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率為加速因子的全封閉往復(fù)式壓縮機(jī)舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)方法，引入閥片升程極大值和極小值來(lái)評(píng)價(jià)加速因子的最佳取值范圍，并基于聲學(xué)診斷方法對(duì)實(shí)驗(yàn)中舌簧閥片的失效進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。

1 理論模型

全封閉往復(fù)式活塞壓縮機(jī)主要由電機(jī)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、氣缸、吸排氣舌簧閥片等組成，由電機(jī)帶動(dòng)曲軸，曲軸再帶動(dòng)活塞，使之在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸與吸排氣腔的壓力差使吸排氣舌簧閥片自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)膨脹、吸氣、壓縮、排氣的過(guò)程。

1.1 壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)模型

研究舌簧閥片的工作特性、失效機(jī)理和疲勞壽命，必須先研究壓縮機(jī)的工作過(guò)程和閥片兩側(cè)氣體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。全封閉往復(fù)式活塞壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 往復(fù)式活塞壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可得，活塞位移x與曲柄轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為

(1)

式中,L為連桿大小頭的中心距；R為曲柄半徑；λ為曲柄半徑與連桿大小頭中心距之比，λ=R/L；β為連桿軸線與氣缸中心線之間的夾角。根據(jù)θ和β的關(guān)系，式(1)可轉(zhuǎn)換為

(2)

(3)

將式(3)忽略高次項(xiàng)帶入式(2)中，可得：

(4)

活塞的速度v與曲柄轉(zhuǎn)角θ關(guān)系表示為

v=dx/dt=(dx/dθ)·(dθ/dt)

(5)

假設(shè)曲柄是做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則dθ/dt=ω，ω=2πn/60，分別對(duì)θ和t求導(dǎo)得：

(6)

壓縮機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，考慮到余隙容積V0，氣缸容積V與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系為

(7)

壓縮機(jī)的氣缸在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，吸排氣閥片兩側(cè)氣體的壓差克服閥片自身的彈力和慣性力，使閥片產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，因此閥片所受的氣流推力為

Fdg=pAdi-pdAdo

(8)

Fsg=pAsi-psAso

(9)

式中，A為活塞的面積，Ado為排氣閥片排氣腔側(cè)受力面積，Adi為排氣閥片氣缸側(cè)受力面積，Aso為吸氣閥片吸氣腔側(cè)受力面積，Asi為吸氣閥片氣缸側(cè)受力面積；p為氣缸內(nèi)氣體壓力，pd為排氣壓力，ps為吸氣壓力；Fdg為排氣閥片所受氣流推力，F(xiàn)sg為吸氣閥片所受氣流推力。

1.2 閥片力學(xué)模型

全封閉往復(fù)式壓縮機(jī)的吸排氣閥片由薄金屬簧片制成，一端固定且另一端自由。吸氣閥片是在整塊金屬薄片上沖壓出舌型簧片，其根部與閥板直接相連，如圖2所示。排氣閥片為單獨(dú)的舌型簧片，根部由限位器約束于閥板上，其升程也由限位器限制，如圖3所示。閥片在運(yùn)動(dòng)時(shí)，受氣流推力、彈簧力、閥片慣性力等作用，當(dāng)氣流推力大于彈簧力，閥片開(kāi)啟，并為氣體流動(dòng)開(kāi)啟通道，閥片的運(yùn)動(dòng)方程為

(10)

F=Fg-Fs-Fm

(11)

式中，[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣。F為閥片所受的合力，F(xiàn)g為氣流推力，F(xiàn)s為彈簧力，F(xiàn)m為慣性力。

根據(jù)舌簧閥片的運(yùn)動(dòng)特性，可以將其簡(jiǎn)化為單自由度的懸臂梁運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，假設(shè)載荷集中在吸排氣口的中心，力學(xué)模型如圖4所示，平面曲線h=h(x)上任一點(diǎn)的曲率為

(12)

圖2 吸氣閥片

圖3 排氣閥片

圖4 閥片力學(xué)模型

由于閥片的轉(zhuǎn)角α較小，則(dh/dx)2的值遠(yuǎn)小于1，撓曲軸近似微分方程為

(13)

對(duì)撓曲軸近似微分方程相繼積分2次，得到懸臂梁轉(zhuǎn)角和撓度方程分別為

(14)

(15)

當(dāng)x=l時(shí)，閥片的轉(zhuǎn)角α和升程h為

(16)

(17)

2 加速壽命實(shí)驗(yàn)方法

壓縮機(jī)的舌簧閥片在正常使用工況下壽命達(dá)到8～10年，顯然不能按照正常工況對(duì)舌簧閥片進(jìn)行疲勞壽命測(cè)試。目前，為縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，普遍采用加速壽命實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行疲勞壽命的研究。通過(guò)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)模型和舌簧閥片力學(xué)模型的理論分析，影響舌簧閥片疲勞壽命的主要因素為氣流推力和運(yùn)動(dòng)頻率。

2.1 激勵(lì)系統(tǒng)

本文研究的往復(fù)式活塞壓縮機(jī)采用全封閉形式，小型緊湊的結(jié)構(gòu)不利于在內(nèi)部安裝傳感器，并且考慮實(shí)際生產(chǎn)的檢測(cè)需求，根據(jù)閥片的工作環(huán)境設(shè)計(jì)一套激勵(lì)系統(tǒng)模擬閥片的開(kāi)啟與關(guān)閉。假設(shè)舌簧閥片兩側(cè)的受力面積相等，則式(8)和式(9)可化簡(jiǎn)為

Fdg=(p-pd)Adi=p1Adi

(18)

Fsg=(p-ps)Asi=p2Asi

(19)

式中，p1為排氣閥片兩側(cè)氣體壓差，p2為吸氣閥片兩側(cè)氣體壓差。

為了更真實(shí)地模擬閥片的實(shí)際工作狀態(tài)，激勵(lì)系統(tǒng)采用壓縮氮?dú)饨?jīng)過(guò)高速電磁閥產(chǎn)生脈動(dòng)氣流，致使閥片兩側(cè)產(chǎn)生壓差，實(shí)現(xiàn)閥片的開(kāi)啟與關(guān)閉。激勵(lì)壓差由精密調(diào)壓閥調(diào)節(jié)，激勵(lì)頻率由高速電磁閥開(kāi)關(guān)頻率控制，激勵(lì)系統(tǒng)原理圖如圖5所示。舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)方法選用激勵(lì)頻率、激勵(lì)壓差作為加速因子。吸、排氣閥片的工作原理與失效機(jī)理一致，吸氣閥片的升程沒(méi)有限制，更容易產(chǎn)生疲勞失效，因此本文研究重點(diǎn)為吸氣閥片的疲勞壽命。

圖5 激勵(lì)系統(tǒng)原理圖

2.2 加速因子取值

為保持舌簧閥片原有的失效機(jī)理，加速因子激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率的最佳取值是加速壽命實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，利用正交實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取其最佳取值。在加速因子的正交實(shí)驗(yàn)中，本文引入閥片升程的極大值和極小值來(lái)評(píng)價(jià)加速因子的取值。閥片升程的極大值越大，表明閥片與閥板撞擊的加速度越大，從而更容易產(chǎn)生疲勞破裂和疲勞形變，以此表征加速因子的加速應(yīng)力更大。閥片升程的極小值可以判定閥片是否能夠正常關(guān)閉，以此表征閥片是否符合正常的失效機(jī)理。為了獲得閥片升程的精確值，本文采用基恩士LK-G150激光傳感器對(duì)輕薄閥片的位移進(jìn)行非接觸測(cè)量。

小型全封閉往復(fù)式定頻壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，閥片的工作頻率為50 Hz，R600a標(biāo)準(zhǔn)工況的吸氣壓力為0.06 MPa。利用激光位移傳感器對(duì)吸氣閥片在50 Hz激勵(lì)頻率下的升程極大值進(jìn)行了測(cè)量，如圖6所示，隨著激勵(lì)壓差的增大，閥片升程極大值呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)。同時(shí)，對(duì)吸氣閥片在50 Hz激勵(lì)頻率下的升程極小值進(jìn)行了測(cè)量，如圖7所示，隨著激勵(lì)壓差的增大，閥片升程極小值也呈增大趨勢(shì)。為保證吸氣閥片的正常關(guān)閉，同時(shí)考慮激光位移傳感器的測(cè)量精度(±150 mm×0.02%)，吸氣閥片極小值的閾值設(shè)為0.05 mm，即極小值超過(guò)閾值可認(rèn)為吸氣閥片沒(méi)有正常關(guān)閉，不符合閥片的正常失效機(jī)理。

圖7 吸氣閥片升程極小值

為了更好地探究閥片正常失效機(jī)理下激勵(lì)壓差與激勵(lì)頻率的最佳取值，對(duì)激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率下的閥片極小值，如圖8所示。當(dāng)激勵(lì)頻率大于56 Hz時(shí)，閥片升程極小值超過(guò)閾值，不符合閥片原有的失效機(jī)理。當(dāng)激勵(lì)壓差大于0.20 MPa時(shí)，閥片升程極小值也超過(guò)閾值，不符合閥片原有的失效機(jī)理。為了進(jìn)一步驗(yàn)證增大加速因子應(yīng)力水平對(duì)閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)的影響，測(cè)量不同激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率下的閥片極大值，如圖9所示。相同激勵(lì)壓差下，增大激勵(lì)頻率，對(duì)閥片升程極大值的改變影響不大。隨著激勵(lì)壓差的增加，閥片升程極大值呈明顯增大趨勢(shì)，因此增大激勵(lì)壓差與激勵(lì)頻率來(lái)提高閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力水平是可行的?；谏鲜鲈?，激勵(lì)頻率與激勵(lì)壓差的最佳取值分別為56 Hz和0.20 MPa。

圖8 升程極小值與激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率關(guān)系

圖9 升程極大值與激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率關(guān)系

3 閥片失效檢測(cè)

壓縮機(jī)舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合閥片的失效機(jī)理和失效形式，通過(guò)分析正常閥片與失效閥片運(yùn)動(dòng)時(shí)聲音信號(hào)的不同特征，對(duì)IMF分量的樣本熵值進(jìn)行相似度測(cè)度來(lái)實(shí)現(xiàn)舌簧閥片疲勞失效的自動(dòng)、精準(zhǔn)識(shí)別。

3.1 閥片失效形式

壓縮機(jī)舌簧閥片失效的主要形式為疲勞斷裂、疲勞形變，如圖10所示。其中，閥片疲勞形變包括閥片彈力失效和閥片與閥板密封面失效等。但實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，往復(fù)式活塞壓縮機(jī)的失效形式以疲勞斷裂為主。

圖10 壓縮機(jī)閥片常見(jiàn)失效形式

3.2 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)是在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，通過(guò)多次疊加白噪聲，有效改善了EMD存在的模態(tài)混疊、邊頻等缺陷。EEMD是一種能夠自適應(yīng)地處理非線性非平穩(wěn)信號(hào)的方法，將信號(hào)從高頻至低頻分解為若干個(gè)反映不同頻率段的本征模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)和余項(xiàng)[15-16]。閥片受激勵(lì)系統(tǒng)氣流沖擊產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，當(dāng)閥片產(chǎn)生疲勞失效后，其聲音信號(hào)變化的特征夾雜在系統(tǒng)噪聲中，而且特征信號(hào)難以確定到具體的頻段中，因此EEMD方法特別適合激勵(lì)系統(tǒng)內(nèi)閥片失效特征的提取。

EEMD算法的具體步驟如下：

(1) 原始采集信號(hào)為x(t),將一組均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為常數(shù)的白噪聲Qi(t)添加到原始信號(hào)中，則加入白噪聲后信號(hào)變?yōu)?/p>

Xi(t)=x(t)+Qi(t)

(20)

(2)對(duì)信號(hào)Xi(t)進(jìn)行EMD分解，得到n個(gè)IMF分量和1個(gè)剩余分量Resin(t)。

(21)

(3)對(duì)每個(gè)添加白噪聲的信號(hào)Xi(t)重復(fù)以上步驟，添加的白噪聲次數(shù)為N次，對(duì)分解的IMF分量和剩余分量做均值。

(22)

(23)

(4)利用高斯白噪聲頻譜的零均值原理來(lái)消除白噪聲的影響，最終原始信號(hào)x(t)可分解為

(24)

EEMD方法中加入的白噪聲應(yīng)該滿足以下條件：

(25)

式中，ε為白噪聲的幅值，N為白噪聲的集合數(shù)，εn為原始信號(hào)與相應(yīng)IMF分量和之間的誤差。

3.3 樣本熵

舌簧閥片的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)EEMD的分解，僅從各IMF分量的時(shí)域信號(hào)或頻域信號(hào)上不能明顯識(shí)別出失效特征，但是通過(guò)對(duì)IMF分量的復(fù)雜度進(jìn)行量化分析，能有效辨別正常閥片與失效閥片的差異。樣本熵(sample entropy，SampEn)是一種度量非線性時(shí)間序列信號(hào)復(fù)雜性的方法，改善了近似熵(approximate entropy，ApEn)存在自身匹配引起偏差的不足[17]。其具體算法如下：

(1)原始時(shí)序信號(hào)X={x1,x2, …,xN},對(duì)序列X進(jìn)行相空間重構(gòu)，獲得矩陣Y=[xi,xi+1,…,xi+m-1],其中M為數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)，m為嵌入維數(shù)，且1≤i≤M-m+1。

(2)計(jì)算向量Yi與Yj中對(duì)應(yīng)元素的最大絕對(duì)差值，將兩向量的距離定義為

d(Yi,Yj)=max[|x(i+k)-x(j+k)|]

(26)

(27)

(4)維數(shù)增加到m+1,獲得一組m+1的矩陣，重復(fù)以上步驟，計(jì)算獲得：

(28)

(5)最終，樣本熵的估計(jì)值為

(29)

3.4 向量相似度測(cè)度方法

為了實(shí)現(xiàn)舌簧閥片失效狀態(tài)的自動(dòng)判定，構(gòu)造以相關(guān)IMF分量的樣本熵值為特征向量，將正常閥片的熵值特征向量作為標(biāo)準(zhǔn)向量，將測(cè)試過(guò)程中的閥片熵值特征向量作為待比較向量，兩個(gè)向量的相似度作為判斷閥片失效的依據(jù)。歐式距離是模式識(shí)別中相似度測(cè)度的有效方法，對(duì)特征向量中較大元素的變化更為敏感[18]。

在相似度測(cè)度中，x為正常閥片的熵值特征向量，y為閥片在測(cè)試過(guò)程中的熵值特征向量，兩者的歐式距離為

(30)

在舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)計(jì)算的歐式距離滿足式(31)時(shí)，系統(tǒng)判定舌簧閥片產(chǎn)生疲勞失效，完成加速壽命實(shí)驗(yàn)。

dist(x,y)≥δ

(31)

式中δ為設(shè)定的距離閾值，距離閥值δ的取值與閥片型號(hào)、測(cè)試環(huán)境噪聲有關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)搭建

4.1 硬件系統(tǒng)

根據(jù)舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)激勵(lì)系統(tǒng)和基于聲學(xué)診斷閥片失效檢測(cè)技術(shù)的原理，項(xiàng)目組搭建了舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)與失效檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，平臺(tái)由激勵(lì)系統(tǒng)、聲檢測(cè)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等部分組成，如圖11所示。

1.高速電磁閥 2. 聲傳感器 3. 脈沖發(fā)生器 4. 聲傳感器電源 5. 閥座 6. 被測(cè)閥片 7. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)圖11 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)激勵(lì)系統(tǒng)的高速電磁閥采用FESTO MHE3-MS1H型電磁閥，其最大切換頻率為280 Hz，滿足激勵(lì)系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)頻率的要求。聲檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器采用PCB 130A24型傳聲器，其最高頻響為16 kHz，靈敏度為10 mV/Pa。測(cè)控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為控制核心，數(shù)據(jù)采集模塊采用研華PCI-1716L高速數(shù)據(jù)采集卡。

4.2 軟件系統(tǒng)

閥片失效檢測(cè)的軟件系統(tǒng)采用LabVIEW和Matlab混合編程技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理，有效保證系統(tǒng)的魯棒性。通過(guò)LabVIEW中的Matlab script模式將采集的聲音數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab腳本程序進(jìn)行EEMD分解、樣本熵特征向量求解和向量相似度測(cè)度等，可以縮短處理時(shí)間，提高運(yùn)算效率，利用Matlab強(qiáng)大的后處理能力，直觀地觀測(cè)所需的有效信息。舌簧閥片失效檢測(cè)的功能流程如圖12所示。

圖12 軟件系統(tǒng)功能流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)的采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)需要合理地選取。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率fs大于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣信號(hào)才能完整地保留原始信號(hào)的信息，因此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的采樣頻率fs至少為10 kHz。頻譜分辨率Fω取決于采樣頻率fs和采樣點(diǎn)數(shù)S，頻率分辨率可以由式(32)求得。頻譜分辨率達(dá)到本文期望的1 Hz時(shí)，被分析數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)S應(yīng)為10 000。

(32)

舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)頻率設(shè)定為56 Hz，激勵(lì)壓差設(shè)定為0.20 MPa。對(duì)正常和失效舌簧閥片分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其聲音信號(hào)進(jìn)行去趨勢(shì)項(xiàng)處理后，兩者的時(shí)頻域信號(hào)如圖13與圖14所示。閥片的聲音信號(hào)中夾雜著各種干擾及噪聲信號(hào)，正常閥片與失效閥片在時(shí)頻域上有區(qū)別，但僅在時(shí)頻域上難以有效提取失效特征。

針對(duì)閥片聲音信號(hào)多種頻率混疊以及強(qiáng)干擾信號(hào)的問(wèn)題，采用EEMD對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行分解，白噪聲集合數(shù)N取100，白噪聲幅值ε為原始信號(hào)幅值標(biāo)準(zhǔn)差的0.2倍。圖15和圖16分別為正常閥片與失效閥片的分解結(jié)果，將原始的聲音信號(hào)分解為9個(gè)IMF分量和1個(gè)剩余分量，IMF1～I(xiàn)MF9分量從頻率高到低分布。

圖13 正常閥片聲音信號(hào)時(shí)頻域圖

圖14 失效閥片聲音信號(hào)時(shí)頻域圖

圖15 正常閥片聲音信號(hào)EEMD分解結(jié)果

圖16 失效閥片聲音信號(hào)EEMD分解結(jié)果

EEMD分解后的每個(gè)IMF分量與原始信號(hào)的相關(guān)性都不同，為了最大限度保障失效特征的提取，計(jì)算分解后的IMF分量與原始信號(hào)的相關(guān)度，相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示，將相關(guān)系數(shù)較大的7個(gè)IMF分量，即IMF1～I(xiàn)MF7，來(lái)進(jìn)行樣本熵的計(jì)算。

表1 相關(guān)性系數(shù)表

將選取的IMF1～I(xiàn)MF7分量進(jìn)行樣本熵計(jì)算，嵌入維數(shù)m取1，相似容限閾值r取0.15倍原始信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差，正常閥片和失效閥片的樣本熵值如圖17所示。正常閥片與失效閥片在IMF1、IMF3和IMF6分量上的樣本熵值有明顯變化，對(duì)上述3個(gè)分量進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transformation，F(xiàn)FT)，其中IMF1分量在4 000 Hz處幅值較大，MF3分量在600～800 Hz處幅值較大，MF6分量在250 Hz以下的幅值較大。往復(fù)式活塞壓縮機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，對(duì)吸氣機(jī)構(gòu)頻譜進(jìn)行分析與研究，氣流脈動(dòng)的噪聲頻率為800 Hz左右，閥片與閥板撞擊的噪聲頻率為4 000 Hz左右。閥片發(fā)生失效時(shí)，對(duì)氣流脈動(dòng)、閥片與閥板撞擊等噪聲的影響最為顯著，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓縮機(jī)實(shí)際工作時(shí)吸氣機(jī)構(gòu)噪聲在頻率分布上是一致的。

圖17 各IMF分量的樣本熵值

為了提高閥片失效特征提取效果和識(shí)別速度，利用樣本熵值改變明顯的IMF1、IMF3和IMF6分量來(lái)構(gòu)造閥片失效特征向量。驗(yàn)證閥片失效檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，選取同型號(hào)的一批舌簧閥片作為測(cè)試樣品，其中失效閥片占80%，歐氏距離閾值設(shè)置為0.20，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)歐氏距離對(duì)特征向量進(jìn)行測(cè)度，能實(shí)現(xiàn)閥片失效的自動(dòng)識(shí)別，失效檢測(cè)的準(zhǔn)確率較高。

表2 加速壽命閥片失效檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)模型和舌簧閥片力學(xué)模型的研究，提出了以激勵(lì)壓差和激勵(lì)頻率為加速因子的舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)方法，并基于聲學(xué)診斷技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)中閥片的失效進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

(1)引入閥片升程極大值和極小值來(lái)評(píng)價(jià)加速因子的合理取值范圍，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)頻率與激勵(lì)壓差的最佳取值為56 Hz和0.20 MPa；

(2)正常閥片與失效閥片的聲音信號(hào)經(jīng)EEMD分解，對(duì)相關(guān)性系數(shù)較高的IMF分量進(jìn)行樣本熵計(jì)算，其中IMF1、IMF3和IMF6分量的熵值變化顯著，熵值變化也符合壓縮機(jī)實(shí)際工作時(shí)吸氣機(jī)構(gòu)噪聲的頻率分布；

(3)通過(guò)歐氏距離對(duì)正常閥片與失效閥片熵值特征向量的相似度進(jìn)行測(cè)度，以此作為閥片失效的判定依據(jù)，準(zhǔn)確率符合設(shè)計(jì)要求；

(4)本文提出的舌簧閥片加速壽命實(shí)驗(yàn)方法和基于聲學(xué)診斷的閥片失效檢測(cè)技術(shù)，為舌簧閥片使用壽命的評(píng)估提供實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)壓縮機(jī)以及相似機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究具有一定的指導(dǎo)意義。