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(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510663 ；2.北京聲華興業(yè)科技有限公司，北京 100000)

1 應(yīng)用背景

高壓電絕緣子壓接的傳統(tǒng)工藝標(biāo)準(zhǔn)一直是以機(jī)器設(shè)定壓力作為標(biāo)準(zhǔn)的，由于金具與芯棒的個(gè)體差異，雖然采用相同壓力設(shè)置，但芯棒與金具的咬合界面的壓緊力并不一致，故芯棒與金具的咬合界面產(chǎn)生的剪切力即絕緣子抗拉能力不同。壓力機(jī)雖然采用相同壓力設(shè)置，但生產(chǎn)的壓接絕緣子的壓接質(zhì)量卻不同，對(duì)此多年來(lái)工廠的技術(shù)人員一直無(wú)法找到規(guī)律可循。

利用聲發(fā)射信號(hào)來(lái)判定高壓電絕緣子壓接工藝的研究，目前主要以研究壓接過(guò)程的聲發(fā)射撞擊數(shù)、能量、振鈴計(jì)數(shù)等參數(shù)的走勢(shì)圖為主，這個(gè)方法目前尚存在以下的問(wèn)題。

(1) 纖維斷裂對(duì)檢測(cè)信號(hào)的干擾。壓接過(guò)程中，金具與芯棒之間的壓力使芯棒產(chǎn)生彈性變形所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)應(yīng)該是監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。但過(guò)程中如有很強(qiáng)的纖維斷裂信號(hào)，會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生干擾，而導(dǎo)致聲發(fā)射參數(shù)的能量、振鈴計(jì)數(shù)結(jié)果有很大的不確定性，影響判定的準(zhǔn)確率。

(2) 利用時(shí)間與聲發(fā)射參數(shù)作經(jīng)歷曲線圖，時(shí)間經(jīng)歷圖雖然比較直觀，作為研究方法有較高的參考價(jià)值，但此方法屬于模糊判斷，對(duì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，不利于將判定標(biāo)準(zhǔn)植入自動(dòng)判定的儀器。

圖1 典型聲發(fā)射參數(shù)統(tǒng)計(jì)走勢(shì)圖形狀判定方案

(3) 升壓過(guò)程，保壓過(guò)程一般都在1 s左右，卸壓過(guò)程時(shí)間更短。實(shí)施時(shí)，在缺少壓力參考數(shù)據(jù)的情況下，不能準(zhǔn)確區(qū)分每個(gè)工藝過(guò)程，靠時(shí)間軸上的位置進(jìn)行估計(jì)容易看錯(cuò)位置。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)儀器與布置

試驗(yàn)采用北京聲華興業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的2通道SAEU2S-2型數(shù)字聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，中心頻率為150 kHz的SR150M型傳感器，前置放大器為40 dB增益，聲發(fā)射檢測(cè)儀及前置放大器外觀如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射檢測(cè)儀及前置放大器外觀

傳感器安放的位置為壓力機(jī)壓頭模具側(cè)面,如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器耦合位置

2.2 聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集

將壓力機(jī)壓力輸出4～20 mA信號(hào)，通過(guò)聲發(fā)射儀定制的電流轉(zhuǎn)電壓的輸入電路接入聲發(fā)射檢測(cè)儀外參通道，采集壓力信號(hào)，用以識(shí)別壓接過(guò)程中的升壓、保壓、卸壓等階段。

采用直徑為18 mm的試驗(yàn)芯棒，其兩頭分別壓接對(duì)應(yīng)型號(hào)的不同金具；壓接工藝采用比常用工藝壓力大或小的不同值，對(duì)多組短芯試棒做包圍試驗(yàn)。多組短芯棒及配套金具實(shí)物如圖4所示。

圖4 多組短芯棒及配套金具實(shí)物圖片

壓接過(guò)程中，采集1個(gè)通道的撞擊參數(shù)及全部波形，文中聲發(fā)射參數(shù)的能量是指采樣電壓對(duì)時(shí)間的積分，是北京聲華興業(yè)定義的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度。

2.3 拉力驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)壓接完成的試驗(yàn)芯棒進(jìn)行拉力試驗(yàn)，直到拉脫、拉斷，記錄最大拉力。試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖5所示。

圖5 拉力驗(yàn)證試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)圖片

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

驗(yàn)證拉力與壓接壓強(qiáng)的關(guān)系曲線如圖6所示，由圖6可得，兩者相關(guān)系數(shù)為0.498，相關(guān)性中等。驗(yàn)證拉力與壓接壓強(qiáng)有一定的關(guān)聯(lián)性趨勢(shì)，但比較分散。

圖6 驗(yàn)證拉力與壓接壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

3.1 驗(yàn)證拉力與保壓、泄壓期間聲發(fā)射信號(hào)總能量的關(guān)系

由于升壓過(guò)程中金具的金屬會(huì)產(chǎn)生塑性變形，加上伴有壓頭撞擊等噪聲的存在，芯棒彈性變形的信號(hào)難以分離，此次試驗(yàn)不做進(jìn)一步分析。

保壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與壓接壓強(qiáng)的關(guān)系曲線如圖7所示，可得其相關(guān)系數(shù)為0.344，相關(guān)性非常弱。

圖7 聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與壓接壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

保壓過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與驗(yàn)證拉力的關(guān)系曲線如圖8所示，可得其相關(guān)系數(shù)為0.723，相關(guān)度較高，但作為判定條件依然會(huì)產(chǎn)生較大比例的誤判。

圖8 聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與驗(yàn)證拉力的關(guān)系曲線

北京聲華興業(yè)科技有限公司曾為此試驗(yàn)定制過(guò)一套專(zhuān)用軟件，該系統(tǒng)可依據(jù)保壓過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值，來(lái)判定壓接質(zhì)量。但實(shí)際使用中，正確率很難突破90%，誤判比例始終在10%以上，生產(chǎn)單位認(rèn)為還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

在拉力試驗(yàn)中，芯棒從金具中拉脫時(shí)的拉力值最具代表性，能準(zhǔn)確反映金具與芯棒的壓緊程度。由于部分試件芯棒尚未拉脫而金具已拉斷，其金具與芯棒壓緊的剪切實(shí)際拉力值應(yīng)大于斷裂試驗(yàn)值，故試驗(yàn)拉力驗(yàn)證值已不能準(zhǔn)確反映金具與芯棒的壓緊程度，繪圖時(shí)去除了這部分?jǐn)?shù)據(jù)。

3.2 纖維斷裂與芯棒彈性變形信號(hào)分析

通過(guò)對(duì)保壓過(guò)程的聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行特征分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有幾個(gè)能量值極大的撞擊，其單個(gè)撞擊的能量值與整個(gè)過(guò)程中其他所有撞擊的能量總和相當(dāng)。其典型的撞擊時(shí)域與頻域波形如圖9所示。

圖9 典型玻璃纖維斷裂信號(hào)的時(shí)域和頻域圖

典型玻璃纖維斷裂信號(hào)的幅度約98 dB，頻域能量主要分布在100 kHz～200 kHz間，由特征推測(cè)，其應(yīng)該為玻璃纖維斷裂信號(hào)。

統(tǒng)計(jì)所有玻璃纖維斷裂信號(hào)的幅度，其均在95 dB 以上，相對(duì)能量在10 000～50 000 mV·μs間，持續(xù)時(shí)間在6～21 ms間，屬于高強(qiáng)度信號(hào)。

試驗(yàn)中，最后一個(gè)芯棒在壓接中發(fā)生斷裂，回放數(shù)據(jù)時(shí)找到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，其持續(xù)時(shí)間達(dá)到59 ms，能量為11 2647 mV·μs，遠(yuǎn)大于斷纖的特征值。典型芯棒彈性變形信號(hào)時(shí)域和頻域圖如圖10所示。

圖10 典型芯棒彈性變形信號(hào)時(shí)域和頻域圖

圖10中典型芯棒彈性變形信號(hào)的幅度約52 dB和49 dB，統(tǒng)計(jì)芯棒彈性變形信號(hào)幅度，均在70 dB以下，相對(duì)能量均小于5 000 mV·μs，頻域在100 kHz～200 kHz范圍有較強(qiáng)信號(hào)外，200 kHz～400 kHz也有較豐富的信號(hào)成分，雖然能量占比不如200 kHz以下的，但可能是由于試驗(yàn)采用了SR150M傳感器的限制，導(dǎo)致200 kHz以上的信號(hào)被衰減。如果未來(lái)使用高頻傳感器，預(yù)測(cè)200 kHz以上的信號(hào)能量占比會(huì)有提高。

芯棒彈性變形信號(hào)與玻璃纖維斷裂信號(hào)，在幅度、能量、頻帶上均明顯不同，比較容易分辨、分離。

玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量與壓力的關(guān)系曲線如圖11所示，可得其相關(guān)系數(shù)為0.416，相關(guān)性較弱。

圖11 玻璃纖維斷裂信號(hào)數(shù)量與壓接壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量與驗(yàn)證拉力的關(guān)系曲線如圖12所示，可得其相關(guān)系數(shù)為0.596，相關(guān)性不夠高，玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量顯然不能作為試棒抗拉判定的條件，故下一步將剔除該斷裂信號(hào)后再分析剩余信號(hào)。

圖12 玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量與驗(yàn)證拉力的關(guān)系曲線

玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量與壓接壓強(qiáng)及驗(yàn)證拉力值沒(méi)有顯著的相關(guān)性，但因其能量值非常大，每一條斷絲能量的數(shù)量級(jí)都達(dá)到了整個(gè)保壓過(guò)程所有芯棒相關(guān)能量累加值的數(shù)量級(jí)，這給利用芯棒彈性變形產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)來(lái)判斷壓接效果，帶來(lái)了極大的干擾。

3.3 剔除纖維斷裂能量后，驗(yàn)證拉力與保壓、泄壓期間聲發(fā)射信號(hào)能量的關(guān)系

圖13 剔除纖維斷裂能量后，驗(yàn)證拉力與保壓期間的聲發(fā)射信號(hào)能量關(guān)系曲線

驗(yàn)證拉力與保壓期間的聲發(fā)射信號(hào)能量的關(guān)系曲線如圖13所示，可得其相關(guān)系數(shù)為0.756，這比扣除斷纖信號(hào)之前有所提高。

驗(yàn)證拉力與保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號(hào)能量和的關(guān)系曲線如圖14所示，可得其相關(guān)系數(shù)為0.915，這比單獨(dú)保壓期間的要再高一些。

圖14 剔除纖維斷裂能量后，驗(yàn)證拉力與保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號(hào)能量和的關(guān)系曲線

圖15 各試驗(yàn)得出的相關(guān)系數(shù)

以上7種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)的匯總?cè)鐖D15所示，可見(jiàn)驗(yàn)證拉力與保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號(hào)能量和的相關(guān)系數(shù)是最高的。

4 結(jié)論

(1) 剔除玻璃纖維斷絲信號(hào)后，能提高利用聲發(fā)射信號(hào)能量進(jìn)行高壓電絕緣子壓接質(zhì)量判定的準(zhǔn)確性，可作為量化的判定標(biāo)準(zhǔn)用于儀器自動(dòng)判定。

(2) 保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號(hào)能量之和，與壓接質(zhì)量的相關(guān)性更加顯著，作為量化的判定標(biāo)準(zhǔn)用于儀器自動(dòng)判定是最佳的選擇。

(3) 芯棒在壓接過(guò)程中破裂信號(hào)比其他信號(hào)強(qiáng)，可以用于直接設(shè)定門(mén)限以辨別芯棒是否壓裂。

(4) 芯棒彈性變形的聲發(fā)射信號(hào)，高頻成分比較豐富，采用高頻傳感器會(huì)提高儀器的靈敏度及信噪比。