基于EMD與振動綜合度的再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量評價研究

安相璧，郭　正，陳成法，張　哲，王　虎

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

基于EMD與振動綜合度的再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量評價研究

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.煙臺警備區(qū)84分隊，山東 煙臺 264000）

針對再制造發(fā)動機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差導(dǎo)致出廠驗收磨合效率低的問題，通過對發(fā)動機(jī)表面振動信號的實(shí)時監(jiān)測與分析，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?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，EMD）的結(jié)果，基于對振動綜合度的應(yīng)用研究，提出磨合質(zhì)量參數(shù)作為評價再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量的指標(biāo)。通過對比再制造發(fā)動機(jī)與在用發(fā)動機(jī)的分析結(jié)果，結(jié)合發(fā)動機(jī)性能試驗數(shù)據(jù)，證明磨合質(zhì)量參數(shù)隨著磨合過程的進(jìn)行逐漸減小，且具有良好的靈敏度。在綜合分析多臺發(fā)動機(jī)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出將3%作為磨合質(zhì)量參數(shù)的閾值，以此評價再制造發(fā)動機(jī)的磨合質(zhì)量。

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解；振動綜合度；再制造發(fā)動機(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，得到了國內(nèi)外的廣泛重視[1-2]。由于再制造發(fā)動機(jī)產(chǎn)品一致性較差，出廠磨合過程中，經(jīng)過同樣的工序，效果也各有不同[3]。針對此問題，研究實(shí)時監(jiān)測再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量的方法，有利于動態(tài)掌握其磨合質(zhì)量，提高工作效率。

發(fā)動機(jī)的表面振動信號包含著豐富的運(yùn)行狀態(tài)信息，故在發(fā)動機(jī)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。目前，振動分析已經(jīng)是機(jī)械故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測的主要技術(shù)手段之一，但應(yīng)用于監(jiān)測發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量的研究較少。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法（empirical mode decomposition，EMD）能夠基于信號的特征時間尺度，將信號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)時變數(shù)據(jù)[6]。本文利用EMD方法提取再制造發(fā)動機(jī)表面振動信號的特征信息，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盘柗纸鉃樘卣鲿r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”過程。Huang提出了IMF應(yīng)當(dāng)符合的兩個條件：1）在數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，函數(shù)的局部極值點(diǎn)與過零點(diǎn)的數(shù)目之差的絕對值應(yīng)當(dāng)不大于1；2）在任意時間點(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IMF的計算方法[7-8]如下：

1）計算得到樣本信號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的均值包絡(luò)m1（t），即：

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

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

將r1（t）作為新的樣本信號，重復(fù)進(jìn)行1）、2）的過程，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，即可終止EMD分解。

最終，樣本信號x（t）經(jīng)過EMD分解的結(jié)果為

式中rn（t）為分解的殘量，也是信號的趨勢項，表征信號的平均趨勢或均值。樣本信號x（t）經(jīng)過EMD分解，得到了n個本征模態(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，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　振動綜合度原理

利用振動信號監(jiān)測發(fā)動機(jī)的磨合質(zhì)量，即是通過提取振動信號內(nèi)的有效信息，評判其內(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]提出了振動綜合度的概念用以評價再制造發(fā)動機(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)提出的一個量化表征發(fā)動機(jī)性能的參數(shù)。其計算方法如下：

式中:μi——分量Ci（t）的均值；

μ——原信號S（t）的均值；

σi——分量Ci（t）的標(biāo)準(zhǔn)差；

σ——原信號S（t）的標(biāo)準(zhǔn)差。

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

對所有的向量Xi，m重復(fù)這一過程，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）振動綜合度Ld為

3　振動綜合度在磨合評價中的應(yīng)用分析

振動綜合度是以關(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)得到的一個參數(shù)，可以量化表征發(fā)動機(jī)的性能狀態(tài)，現(xiàn)將其引入對再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量的評價分析。本文以康明斯EQ6BT5.9型再制造發(fā)動機(jī)為試驗對象，磨合方法為短時多循環(huán)磨合[3]，對磨合中的該發(fā)動機(jī)進(jìn)行振動信號監(jiān)測與采集[9-10]，該發(fā)動機(jī)為4沖程、6缸柴油機(jī)，試驗采樣頻率為50000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為8192，傳感器測點(diǎn)為缸蓋和活塞上止點(diǎn)對應(yīng)的缸壁處，在其磨合循環(huán)的每個工況各進(jìn)行3次信號采集。缸蓋處采樣信號的時域波形如圖1所示。

圖1　采樣得到的原信號時域波形

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

圖2　樣本信號的EMD分解結(jié)果

利用小波閾值降噪方法對采樣信號進(jìn)行降噪處理[11]并計算其振動綜合度，所得結(jié)果如表1所示。經(jīng)計算，第1次循環(huán)后振動綜合度均值為0.7328，第2次循環(huán)后降為0.729 8，從數(shù)值來看，經(jīng)過1個循環(huán)的磨合，發(fā)動機(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)信號的振動綜合度計算結(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)動機(jī)的振動綜合度變化幅度明顯降低，其曲線更加平緩。證明經(jīng)過磨合，各摩擦副的配合更加良好，發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性有了提升。由此可以看出，振動綜合度的變化趨勢可以表征再制造發(fā)動機(jī)的磨合質(zhì)量。

表1　EQ6BT5.9缸蓋處振動信號振動綜合度計算結(jié)果

圖3　6BT5.9缸蓋處振動綜合度變化曲線

4　磨合質(zhì)量參數(shù)原理及其試驗分析與驗證

振動綜合度是用以表征再制造發(fā)動機(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)動機(jī)磨合過程不同階段的振動信號并計算其振動綜合度，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反映了一段時間內(nèi)發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化幅度。由于發(fā)動機(jī)磨合是使發(fā)動機(jī)內(nèi)各運(yùn)動部件之間的配合度逐漸提升的過程，因此計算其磨合過程振動程度的變化趨勢可以反映其磨合質(zhì)量。Rq的數(shù)值越小，表示磨合質(zhì)量越好。

抽取另一臺待磨合的6BT5.9型再制造發(fā)動機(jī)作為試驗對象，將其編號為6BT-1，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的兩個循環(huán)的磨合，其六缸活塞上止點(diǎn)對應(yīng)的缸壁處的采樣信號計算結(jié)果如表2所示。其第1、第2磨合循環(huán)的振動綜合度均值計算結(jié)果分別為0.6894，0.6847；Rq計算結(jié)果分別為4.48%，4.09%。可以看出，經(jīng)過一個循環(huán)的磨合，該發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和磨合質(zhì)量都有了一定的提升，Rq的計算結(jié)果顯示Ld的變化幅度趨緩。作為對比，選取一臺型號相同、運(yùn)行良好的在用發(fā)動機(jī)，編為6BT-2，按照磨合規(guī)范對其進(jìn)行一個循環(huán)的磨合，其Ld計算結(jié)果見表3。首先可以看出，在用發(fā)動機(jī)的振動情況較再制造發(fā)動機(jī)好。經(jīng)計算，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)過兩個磨合循環(huán)后，6BT-1的運(yùn)行狀態(tài)的平穩(wěn)程度仍然同在用發(fā)動機(jī)有差距。

表2　6BT-1振動綜合度計算結(jié)果

表3　6BT-2（在用發(fā)動機(jī)）振動綜合度計算結(jié)果

表46　BT-1性能試驗結(jié)果

表5　6BT-1第3次循環(huán)振動信號振動綜合度計算結(jié)果

對經(jīng)過正常磨合的6BT-1進(jìn)行性能試驗，試驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值略有差距，達(dá)不到驗收要求。因此對其增加一個磨合循環(huán)后再進(jìn)行性能試驗，其結(jié)果達(dá)到了驗收要求。兩次性能試驗結(jié)果如表4所示。對第3次循環(huán)中采集的振動信號的計算結(jié)果見表5。計算得到第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)動機(jī)的Rq，該機(jī)性能試驗結(jié)果也證明其性能狀態(tài)達(dá)到了驗收標(biāo)準(zhǔn)。由此可以證明利用Rq表征再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量是有效的。

對比表2與表5的數(shù)據(jù)可以看出，3個循環(huán)中振動綜合度的均值變化微小，幾乎可以忽略不計，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%。說明磨合質(zhì)量參數(shù)對于發(fā)動機(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)動機(jī)磨合質(zhì)量的參數(shù)。

為更直觀判斷再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量情況，在此基礎(chǔ)上綜合分析多臺再制造發(fā)動機(jī)與在用發(fā)動機(jī)的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)再制造發(fā)動機(jī)Rq的值大于4%時磨合質(zhì)量較差，低于3%時磨合質(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)動機(jī)可認(rèn)為磨合質(zhì)量良好，可以進(jìn)行性能試驗驗收；高于此閾值的發(fā)動機(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

本文針對再制造發(fā)動機(jī)驗收工作中的實(shí)際問題進(jìn)行了研究，通過分析發(fā)動機(jī)表面振動信號的變化判斷再制造發(fā)動機(jī)磨合質(zhì)量，指導(dǎo)驗收工作。

EMD分解得到的IMF函數(shù)中蘊(yùn)含著發(fā)動機(jī)的振動模式，通過振動綜合度這一參數(shù)可以在一定程度上有效描述再制造發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本文基于振動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)動機(jī)的磨合質(zhì)量，相較于振動綜合度具有更高的靈敏度，磨合程度越好，其數(shù)值越低。基于多臺發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)分析與性能試驗結(jié)果，建議將3%作為磨合質(zhì)量參數(shù)的閾值，以此來評價再制造發(fā)動機(jī)的磨合程度。當(dāng)再制造發(fā)動機(jī)Rq低于此閾值時，可以進(jìn)行性能試驗驗收；高于此閾值時則可認(rèn)為磨合不充分，需要增加磨合循環(huán)。

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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，山東寧陽縣人，教授，博士，研究方向為汽車試驗與檢測。