基于EMD與振動綜合度的再制造發動機磨合質量評價研究

安相璧，郭　正，陳成法，張　哲，王　虎

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

基于EMD與振動綜合度的再制造發動機磨合質量評價研究

安相璧1，郭正1，陳成法1，張哲2，王虎1

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

針對再制造發動機產品質量一致性較差導致出廠驗收磨合效率低的問題，通過對發動機表面振動信號的實時監測與分析，達到判斷其磨合質量，提高工作效率的目的。利用經驗模態分解（empirical mode decomposition，EMD）的結果，基于對振動綜合度的應用研究，提出磨合質量參數作為評價再制造發動機磨合質量的指標。通過對比再制造發動機與在用發動機的分析結果，結合發動機性能試驗數據，證明磨合質量參數隨著磨合過程的進行逐漸減小，且具有良好的靈敏度。在綜合分析多臺發動機試驗結果的基礎上，提出將3%作為磨合質量參數的閾值，以此評價再制造發動機的磨合質量。

經驗模態分解；振動綜合度；再制造發動機；磨合質量

0　引　言

再制造技術是一種適應循環經濟的重要手段，是在廢舊產品中繼續發掘其隱含價值的良好途徑，能達到資源利用的最大化[1]。再制造發動機在節能環保、資源循環利用等方面具有巨大優勢，得到了國內外的廣泛重視[1-2]。由于再制造發動機產品一致性較差，出廠磨合過程中，經過同樣的工序，效果也各有不同[3]。針對此問題，研究實時監測再制造發動機磨合質量的方法，有利于動態掌握其磨合質量，提高工作效率。

發動機的表面振動信號包含著豐富的運行狀態信息，故在發動機研究中得到了廣泛的應用[4-5]。目前，振動分析已經是機械故障診斷和狀態監測的主要技術手段之一，但應用于監測發動機磨合質量的研究較少。經驗模態分解方法（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函數（intrinsic mode function，IMF）之和，具有良好的自適應性，常用于處理非線性、非平穩時變數據[6]。本文利用EMD方法提取再制造發動機表面振動信號的特征信息，研究反映其磨合質量變化的方法。

1　EMD分解

EMD方法的實質是依照由小到大的順序將信號分解為特征時間尺度不同的本征模態分量，因此該方法可以被視為一種特殊的“篩分”過程。Huang提出了IMF應當符合的兩個條件：1）在數據范圍內，函數的局部極值點與過零點的數目之差的絕對值應當不大于1；2）在任意時間點，函數的極大值和極小值的包絡線（即上下包絡線）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）的極大值包絡線e+（t）和極小值包絡線e-（t）。e+（t）和e-（t）的平均值即是樣本信號的均值包絡m1（t），即：

2）將樣本信號的數據序列減去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，重復進行1）、2）的過程，可以得到二階IMF分量c2（t），如此反復進行，直到第n階IMF分量cn（t）或計算殘余量rn（t）小于預設值；或者殘余分量rn（t）為常量或單調函數時，即可終止EMD分解。

最終，樣本信號x（t）經過EMD分解的結果為

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）經過EMD分解，得到了n個本征模態函數，按照各自的頻率從高到低排列。

在實際情況中，上下包絡的均值很難為零；因此，當滿足下面的式子時，就認為上下包絡均值滿足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

利用振動信號監測發動機的磨合質量，即是通過提取振動信號內的有效信息，評判其內部各摩擦副的磨合情況，判斷各配合件是否達到良好的運行狀態。文獻[8]提出了振動綜合度的概念用以評價再制造發動機的運行性能，其本質是結合相關系數和關聯維數提出的一個量化表征發動機性能的參數。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）的標準差；

σ——原信號S（t）的標準差。

2）設{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，其元素記為是延遲時間，m是嵌入維數。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重復這一過程，得到關聯函數

式中r是重構后相空間的標度；H（s）為Heavside函數，其定義為

關聯維數D為

3）振動綜合度Ld為

3　振動綜合度在磨合評價中的應用分析

振動綜合度是以關聯維數作為特征參量，以相關系數作為其加權系數得到的一個參數，可以量化表征發動機的性能狀態，現將其引入對再制造發動機磨合質量的評價分析。本文以康明斯EQ6BT5.9型再制造發動機為試驗對象，磨合方法為短時多循環磨合[3]，對磨合中的該發動機進行振動信號監測與采集[9-10]，該發動機為4沖程、6缸柴油機，試驗采樣頻率為50000Hz，采樣點數為8192，傳感器測點為缸蓋和活塞上止點對應的缸壁處，在其磨合循環的每個工況各進行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

對信號進行EMD分解，分解結果見圖2。由于在高轉速工況下的采樣信號的EMD分解結果有模態混疊現象，因此對信號的分析主要針對800～1600r/min轉速區間內的采樣信號。

圖2　樣本信號的EMD分解結果

利用小波閾值降噪方法對采樣信號進行降噪處理[11]并計算其振動綜合度，所得結果如表1所示。經計算，第1次循環后振動綜合度均值為0.7328，第2次循環后降為0.729 8，從數值來看，經過1個循環的磨合，發動機的運行狀態有輕微的改善，但是變化并不明顯。將兩次循環信號的振動綜合度計算結果作圖，如圖3所示。從圖中可以看出，第2次磨合循環中發動機的振動綜合度變化幅度明顯降低，其曲線更加平緩。證明經過磨合，各摩擦副的配合更加良好，發動機運行狀態的穩定性有了提升。由此可以看出，振動綜合度的變化趨勢可以表征再制造發動機的磨合質量。

表1　EQ6BT5.9缸蓋處振動信號振動綜合度計算結果

圖3　6BT5.9缸蓋處振動綜合度變化曲線

4　磨合質量參數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動機性能狀況的，由上一節的分析可知其變化程度可以描述發動機的磨合質量，但數值的變化緩慢，難以準確有效判斷磨合質量的變化。而圖3所示的曲線形式雖然能夠較清晰地體現磨合質量的改善情況，但結果不夠直觀，實用性不好。因此，為了得到量化的靈敏性好的參數，采集再制造發動機磨合過程不同階段的振動信號并計算其振動綜合度，將結果取均方差并以百分數表示，得到磨合質量參數Rq：

可以看出，磨合質量參數Rq反映了一段時間內發動機運行狀態的變化幅度。由于發動機磨合是使發動機內各運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量。Rq的數值越小，表示磨合質量越好。

抽取另一臺待磨合的6BT5.9型再制造發動機作為試驗對象，將其編號為6BT-1，進行標準的兩個循環的磨合，其六缸活塞上止點對應的缸壁處的采樣信號計算結果如表2所示。其第1、第2磨合循環的振動綜合度均值計算結果分別為0.6894，0.6847；Rq計算結果分別為4.48%，4.09%。可以看出，經過一個循環的磨合，該發動機的運行狀態和磨合質量都有了一定的提升，Rq的計算結果顯示Ld的變化幅度趨緩。作為對比，選取一臺型號相同、運行良好的在用發動機，編為6BT-2，按照磨合規范對其進行一個循環的磨合，其Ld計算結果見表3。首先可以看出，在用發動機的振動情況較再制造發動機好。經計算，其Rq值為2.85%，大大低于6BT-1第2循環中的4.09%，表明經過兩個磨合循環后，6BT-1的運行狀態的平穩程度仍然同在用發動機有差距。

表2　6BT-1振動綜合度計算結果

表3　6BT-2（在用發動機）振動綜合度計算結果

表46　BT-1性能試驗結果

表5　6BT-1第3次循環振動信號振動綜合度計算結果

對經過正常磨合的6BT-1進行性能試驗，試驗結果與標準值略有差距，達不到驗收要求。因此對其增加一個磨合循環后再進行性能試驗，其結果達到了驗收要求。兩次性能試驗結果如表4所示。對第3次循環中采集的振動信號的計算結果見表5。計算得到第3循環的Rq值為2.67%，比第1、2循環的數值大幅降低，甚至小于表2中在用發動機的Rq，該機性能試驗結果也證明其性能狀態達到了驗收標準。由此可以證明利用Rq表征再制造發動機磨合質量是有效的。

對比表2與表5的數據可以看出，3個循環中振動綜合度的均值變化微小，幾乎可以忽略不計，但是磨合質量參數的變化十分明顯，分別為4.48%，4.09%，2.67%。說明磨合質量參數對于發動機磨合質量的變化反應更加敏感有效。結合表4中的性能試驗結果，更能證明該參數的靈敏性，因此可以將其作為可以量化描述再制造發動機磨合質量的參數。

為更直觀判斷再制造發動機磨合質量情況，在此基礎上綜合分析多臺再制造發動機與在用發動機的試驗結果，發現當再制造發動機Rq的值大于4%時磨合質量較差，低于3%時磨合質量較好。因此，可以初步將3%定為Rq的閾值。Rq低于此閾值的發動機可認為磨合質量良好，可以進行性能試驗驗收；高于此閾值的發動機則可認為磨合不充分，需要增加磨合循環。

5　結束語

本文針對再制造發動機驗收工作中的實際問題進行了研究，通過分析發動機表面振動信號的變化判斷再制造發動機磨合質量，指導驗收工作。

EMD分解得到的IMF函數中蘊含著發動機的振動模式，通過振動綜合度這一參數可以在一定程度上有效描述再制造發動機的運行狀態。本文基于振動綜合度提出的磨合質量參數可以量化地表征再制造發動機的磨合質量，相較于振動綜合度具有更高的靈敏度，磨合程度越好，其數值越低。基于多臺發動機的數據分析與性能試驗結果，建議將3%作為磨合質量參數的閾值，以此來評價再制造發動機的磨合程度。當再制造發動機Rq低于此閾值時，可以進行性能試驗驗收；高于此閾值時則可認為磨合不充分，需要增加磨合循環。

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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。