,

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，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)一直是以機器設(shè)定壓力作為標(biāo)準(zhǔn)的，由于金具與芯棒的個體差異，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，對此多年來工廠的技術(shù)人員一直無法找到規(guī)律可循。

利用聲發(fā)射信號來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程的聲發(fā)射撞擊數(shù)、能量、振鈴計數(shù)等參數(shù)的走勢圖為主，這個方法目前尚存在以下的問題。

(1) 纖維斷裂對檢測信號的干擾。壓接過程中，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)射信號應(yīng)該是監(jiān)測重點。但過程中如有很強的纖維斷裂信號，會對監(jiān)測結(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) 利用時間與聲發(fā)射參數(shù)作經(jīng)歷曲線圖，時間經(jīng)歷圖雖然比較直觀，作為研究方法有較高的參考價值，但此方法屬于模糊判斷，對人員的經(jīng)驗要求較高，不利于將判定標(biāo)準(zhǔn)植入自動判定的儀器。

圖1 典型聲發(fā)射參數(shù)統(tǒng)計走勢圖形狀判定方案

(3) 升壓過程，保壓過程一般都在1 s左右，卸壓過程時間更短。實施時，在缺少壓力參考數(shù)據(jù)的情況下，不能準(zhǔn)確區(qū)分每個工藝過程，靠時間軸上的位置進行估計容易看錯位置。

2 試驗方法

2.1 試驗儀器與布置

試驗采用北京聲華興業(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)射檢測儀及前置放大器外觀如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射檢測儀及前置放大器外觀

傳感器安放的位置為壓力機壓頭模具側(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

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

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

圖4 多組短芯棒及配套金具實物圖片

壓接過程中，采集1個通道的撞擊參數(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時間的積分，是北京聲華興業(yè)定義的相對信號強度。

2.3 拉力驗證試驗

對壓接完成的試驗芯棒進行拉力試驗，直到拉脫、拉斷，記錄最大拉力。試驗開始前和結(jié)束后的現(xiàn)場圖片如圖5所示。

圖5 拉力驗證試驗開始前和結(jié)束后的現(xiàn)場圖片

3 試驗數(shù)據(jù)分析

驗證拉力與壓接壓強的關(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。驗證拉力與壓接壓強有一定的關(guān)聯(lián)性趨勢，但比較分散。

圖6 驗證拉力與壓接壓強的關(guān)系曲線

3.1 驗證拉力與保壓、泄壓期間聲發(fā)射信號總能量的關(guān)系

由于升壓過程中金具的金屬會產(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難以分離，此次試驗不做進一步分析。

保壓過程中的聲發(fā)射信號能量統(tǒng)計值與壓接壓強的關(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)射信號能量統(tǒng)計值與壓接壓強的關(guān)系曲線

保壓過程的聲發(fā)射信號能量統(tǒng)計值與驗證拉力的關(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產(chǎn)生較大比例的誤判。

圖8 聲發(fā)射信號能量統(tǒng)計值與驗證拉力的關(guān)系曲線

北京聲華興業(yè)科技有限公司曾為此試驗定制過一套專用軟件，該系統(tǒng)可依據(jù)保壓過程中的聲發(fā)射信號能量統(tǒng)計值，來判定壓接質(zhì)量。但實際使用中，正確率很難突破90%，誤判比例始終在10%以上，生產(chǎn)單位認為還需要進一步的改進。

在拉力試驗中，芯棒從金具中拉脫時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際拉力值應(yīng)大于斷裂試驗值，故試驗拉力驗證值已不能準(zhǔn)確反映金具與芯棒的壓緊程度，繪圖時去除了這部分數(shù)據(jù)。

3.2 纖維斷裂與芯棒彈性變形信號分析

通過對保壓過程的聲發(fā)射參數(shù)進行特征分析，會發(fā)現(xiàn)其中有幾個能量值極大的撞擊，其單個撞擊的能量值與整個過程中其他所有撞擊的能量總和相當(dāng)。其典型的撞擊時域與頻域波形如圖9所示。

圖9 典型玻璃纖維斷裂信號的時域和頻域圖

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

統(tǒng)計所有玻璃纖維斷裂信號的幅度，其均在95 dB 以上，相對能量在10 000～50 000 mV·μs間，持續(xù)時間在6～21 ms間，屬于高強度信號。

試驗中，最后一個芯棒在壓接中發(fā)生斷裂，回放數(shù)據(jù)時找到對應(yīng)數(shù)據(jù)，其持續(xù)時間達到59 ms，能量為11 2647 mV·μs，遠大于斷纖的特征值。典型芯棒彈性變形信號時域和頻域圖如圖10所示。

圖10 典型芯棒彈性變形信號時域和頻域圖

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

芯棒彈性變形信號與玻璃纖維斷裂信號，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 玻璃纖維斷裂信號數(shù)量與壓接壓強的關(guān)系曲線

玻璃纖維斷裂信號的數(shù)量與驗證拉力的關(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后再分析剩余信號。

圖12 玻璃纖維斷裂信號的數(shù)量與驗證拉力的關(guān)系曲線

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

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

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

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

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

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

圖15 各試驗得出的相關(guān)系數(shù)

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

4 結(jié)論

(1) 剔除玻璃纖維斷絲信號后，能提高利用聲發(fā)射信號能量進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)用于儀器自動判定。

(2) 保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號能量之和，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)用于儀器自動判定是最佳的選擇。

(3) 芯棒在壓接過程中破裂信號比其他信號強，可以用于直接設(shè)定門限以辨別芯棒是否壓裂。

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