基于變分模態(tài)分解和wigner-Ville的單向閥早期故障診斷

吳漫 馮早 黃國勇 牟竹青

摘要：針對大型往復式機械設備高壓隔膜泵單向閥早期故障難以識別的問題，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將原始振動信號分解成有限個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）對篩選后的IMF分量計算，得到每個分量的Wigner-Ville分布;最后，將各項結果線性求和得到信號的WVD分布。經仿真與工程實驗分析，該方法能較好表征出振動信號中所蘊含的單向閥早期故障特征信息，能實現高壓隔膜泵單向閥早期故障診斷。

關鍵詞：單向閥;vMD;wigner-Ville;早期故障診斷

中圖分類號：THl7;TH911.756文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0116-07

0引言

大型往復式機械高壓隔膜泵是輸送高溫、高腐蝕固液兩相介質的核心動力設備。單向閥作為高壓隔膜泵核心機械零部件之一，其工作狀態(tài)直接影響設備的整體性能及工作效率，且其在運行過程中易受到往復運動、旋轉運動及流體運動等多種類型振源的激勵，致使單向閥的振動信號具有突發(fā)性、并發(fā)性、多源性、非平穩(wěn)性和非線性等特點，如果能在單向閥失效初期發(fā)現故障溯源并及時排除隱患，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，且由于旋轉運動和流體運動的干擾，會被引入到單向閥振動信號中形成噪聲。故能有效地實現單向閥的早期故障診斷成為了該領域的一大難點。

近些年來，國內外學者以柴油機、壓縮機、離心泵等典型往復式機械設備為重點研究對象，展開了基于故障機理及信號分析的方法研究--卅。目前高壓隔膜泵研究僅限于曲軸、泵閥等零部件機理特性的研究，尚未建立起高壓隔膜泵整體的系統(tǒng)動力學模型，無法系統(tǒng)地揭示隔膜泵系統(tǒng)的機理特征。國內外學者針對往復泵泵閥開展了大量的研究工作，文獻[7]通過對比正常泵閥和故障泵閥的細化譜實現往復泵泵閥的故障診斷;文獻[8]基于Volterra級數的提升小波變換，實現了往復泵的磨損故障診斷;如文獻[9]提出一種基于EMD和Wigner-Ville在往復泵泵閥振動信號特征提取中的應用。上述方法為高壓隔膜泵單向閥的故障診斷提供了相應的借鑒和參考，但存在局限性，如EMD存在端點效應，模態(tài)混疊，算法效率低等問題。對此，Dragomiretskiv等提出了一種信號自適應處理的新方法——變分模態(tài)分解，該方法采用一種非遞歸的處理策略，通過迭代搜尋變分模型的最優(yōu)解來實現信號頻域的自適應分解，分解精度高且有效避免模式混淆的問題。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能夠自適應將多分調幅調頻信號分解成多個單分量調頻信號，能夠精確表征信號各個頻率成分，且能有效避免WVD分布的交叉項干擾的問題和保留WVD分布中優(yōu)良的時頻聚集性。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、活塞、活塞缸、隔膜、隔膜室、出料單向閥、進料單向閥等零部件組成，圖1為高壓隔膜泵的工作原理圖，往復式活塞隔膜泵在工作中當活塞左移時，隔膜向左運動，進料閥打開而吸入料漿;當活塞右移時，隔膜向右運動，出料閥打開而排出料漿。

單向閥是控制漿料輸入和輸出的機械零件，其每一次進料和排料的過程對應著隔膜泵的一次沖程。假設隔膜泵的沖程系數為50r/min，其正常運行一天，進出料單向閥需往復式運動72000次，因此單向閥是隔膜泵中運動最頻繁和最易發(fā)生故障的核心零件。常見單向閥故障類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方法能夠將多分調幅調頻信號分解成多個單分量調幅調頻信號。其對變分框架內對信號進行分解，通過搜尋約束變分模型中的約束和最優(yōu)化來實現信號自適應分解，最終得到單分調幅調頻信號及相應的中心頻率。

3基于變分模態(tài)分解和Wigner-ViHe的早

期故障診斷方法

針對高壓隔膜泵單向閥早期故障難以識別的問題，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，獲得更加精確的故障特征信息，然后利用具有較好時頻聚集性的Wigner-Ville分布方法表征單向閥故障信號能量分布，最后比較單向閥3種狀態(tài)振動信號的時頻分布圖，以實現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種振動信號進行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K=m時，出現相近的中心頻率ωk時，則認為此時VMD分解出現了過分解，那么此時篩選出m個IMF分量。

3）對m個IMF分量進行WVD計算，得到Wi，i=1，2，…，m，得到每個分量的Wigner-Ville分布。

4）對Wi進行線性疊加，得到變分模態(tài)分解和Wigner-Ville時頻分析結果，即為振動序號序列的Wigner-Ville分布。

5）最后，比較單向閥3種狀態(tài)Wigner-Ville時頻分布圖。

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，建立一個多分調幅調頻仿真信號，其解析表達式為

仿真信號中（0≤t≤3），x（t）的采樣頻率為2560Hz，采樣數據長度為10240。表l是不同K值對應的中心頻率，其中從K為5開始，出現了相近的中心頻率，即出現了過分解，因此K取4，認為4個IMF分量富含仿真信號信息。