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基于變分模態(tài)分解和wigner-Ville的單向閥早期故障診斷

2019-06-11 11:35吳漫馮早黃國(guó)勇牟竹青
中國(guó)測(cè)試 2019年4期

吳漫 馮早 黃國(guó)勇 牟竹青

摘要:針對(duì)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(shí)別的問(wèn)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(dòng)信號(hào)分解成有限個(gè)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(duì)篩選后的IMF分量計(jì)算,得到每個(gè)分量的Wigner-Ville分布;最后,將各項(xiàng)結(jié)果線性求和得到信號(hào)的WVD分布。經(jīng)仿真與工程實(shí)驗(yàn)分析,該方法能較好表征出振動(dòng)信號(hào)中所蘊(yùn)含的單向閥早期故障特征信息,能實(shí)現(xiàn)高壓隔膜泵單向閥早期故障診斷。

關(guān)鍵詞:?jiǎn)蜗蜷y;vMD;wigner-Ville;早期故障診斷

中圖分類(lèi)號(hào):THl7;TH911.756文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(dòng)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(guò)程中易受到往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及流體運(yùn)動(dòng)等多種類(lèi)型振源的激勵(lì),致使單向閥的振動(dòng)信號(hào)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(diǎn),如果能在單向閥失效初期發(fā)現(xiàn)故障溯源并及時(shí)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(dòng)和流體運(yùn)動(dòng)的干擾,會(huì)被引入到單向閥振動(dòng)信號(hào)中形成噪聲。故能有效地實(shí)現(xiàn)單向閥的早期故障診斷成為了該領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。

近些年來(lái),國(guó)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(diǎn)研究對(duì)象,展開(kāi)了基于故障機(jī)理及信號(hào)分析的方法研究--卅。目前高壓隔膜泵研究?jī)H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(dòng)力學(xué)模型,無(wú)法系統(tǒng)地揭示隔膜泵系統(tǒng)的機(jī)理特征。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)往復(fù)泵泵閥開(kāi)展了大量的研究工作,文獻(xiàn)[7]通過(guò)對(duì)比正常泵閥和故障泵閥的細(xì)化譜實(shí)現(xiàn)往復(fù)泵泵閥的故障診斷;文獻(xiàn)[8]基于Volterra級(jí)數(shù)的提升小波變換,實(shí)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(dòng)信號(hào)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(diǎn)效應(yīng),模態(tài)混疊,算法效率低等問(wèn)題。對(duì)此,Dragomiretskiv等提出了一種信號(hào)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(guò)迭代搜尋變分模型的最優(yōu)解來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(wèn)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(hào)分解成多個(gè)單分量調(diào)頻信號(hào),能夠精確表征信號(hào)各個(gè)頻率成分,且能有效避免WVD分布的交叉項(xiàng)干擾的問(wèn)題和保留WVD分布中優(yōu)良的時(shí)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(shí),隔膜向左運(yùn)動(dòng),進(jìn)料閥打開(kāi)而吸入料漿;當(dāng)活塞右移時(shí),隔膜向右運(yùn)動(dòng),出料閥打開(kāi)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(guò)程對(duì)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(dòng)72000次,因此單向閥是隔膜泵中運(yùn)動(dòng)最頻繁和最易發(fā)生故障的核心零件。常見(jiàn)單向閥故障類(lèi)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(hào)分解成多個(gè)單分量調(diào)幅調(diào)頻信號(hào)。其對(duì)變分框架內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解,通過(guò)搜尋約束變分模型中的約束和最優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)自適應(yīng)分解,最終得到單分調(diào)幅調(diào)頻信號(hào)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(duì)高壓隔膜泵單向閥早期故障難以識(shí)別的問(wèn)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(hào),獲得更加精確的故障特征信息,然后利用具有較好時(shí)頻聚集性的Wigner-Ville分布方法表征單向閥故障信號(hào)能量分布,最后比較單向閥3種狀態(tài)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分布圖,以實(shí)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(dòng)信號(hào)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(shí),出現(xiàn)相近的中心頻率ωk時(shí),則認(rèn)為此時(shí)VMD分解出現(xiàn)了過(guò)分解,那么此時(shí)篩選出m個(gè)IMF分量。

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

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

5)最后,比較單向閥3種狀態(tài)Wigner-Ville時(shí)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(xiàng)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(gè)多分調(diào)幅調(diào)頻仿真信號(hào),其解析表達(dá)式為

仿真信號(hào)中(0≤t≤3),x(t)的采樣頻率為2560Hz,采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為10240。表l是不同K值對(duì)應(yīng)的中心頻率,其中從K為5開(kāi)始,出現(xiàn)了相近的中心頻率,即出現(xiàn)了過(guò)分解,因此K取4,認(rèn)為4個(gè)IMF分量富含仿真信號(hào)信息。