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        高壓電絕緣子壓接工藝的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

        2018-06-25 03:36:06,
        無(wú)損檢測(cè) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:芯棒金具拉力

        ,

        (1.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)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(jī)器設(shè)定壓力作為標(biāo)準(zhǔn)的,由于金具與芯棒的個(gè)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(jī)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(duì)此多年來(lái)工廠的技術(shù)人員一直無(wú)法找到規(guī)律可循。

        利用聲發(fā)射信號(hào)來(lái)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(jì)數(shù)等參數(shù)的走勢(shì)圖為主,這個(gè)方法目前尚存在以下的問題。

        (1) 纖維斷裂對(duì)檢測(cè)信號(hào)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(hào)應(yīng)該是監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。但過程中如有很強(qiáng)的纖維斷裂信號(hào),會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)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(jì)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(shí)間與聲發(fā)射參數(shù)作經(jīng)歷曲線圖,時(shí)間經(jīng)歷圖雖然比較直觀,作為研究方法有較高的參考價(jià)值,但此方法屬于模糊判斷,對(duì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高,不利于將判定標(biāo)準(zhǔn)植入自動(dòng)判定的儀器。

        圖1 典型聲發(fā)射參數(shù)統(tǒng)計(jì)走勢(shì)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(shí)間更短。實(shí)施時(shí),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(gè)工藝過程,靠時(shí)間軸上的位置進(jìn)行估計(jì)容易看錯(cuò)位置。

        2 試驗(yàn)方法

        2.1 試驗(yàn)儀器與布置

        試驗(yàn)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(cè)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(cè)儀及前置放大器外觀如圖2所示。

        圖2 聲發(fā)射檢測(cè)儀及前置放大器外觀

        傳感器安放的位置為壓力機(jī)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(jī)壓力輸出4~20 mA信號(hào),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(cè)儀外參通道,采集壓力信號(hào),用以識(shí)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(yàn)芯棒,其兩頭分別壓接對(duì)應(yīng)型號(hào)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(duì)多組短芯試棒做包圍試驗(yàn)。多組短芯棒及配套金具實(shí)物如圖4所示。

        圖4 多組短芯棒及配套金具實(shí)物圖片

        壓接過程中,采集1個(gè)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(duì)時(shí)間的積分,是北京聲華興業(yè)定義的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度。

        2.3 拉力驗(yàn)證試驗(yàn)

        對(duì)壓接完成的試驗(yàn)芯棒進(jìn)行拉力試驗(yàn),直到拉脫、拉斷,記錄最大拉力。試驗(yàn)開始前和結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖5所示。

        圖5 拉力驗(yàn)證試驗(yàn)開始前和結(jié)束后的現(xiàn)場(chǎng)圖片

        3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        驗(yàn)證拉力與壓接壓強(qiáng)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(yàn)證拉力與壓接壓強(qiáng)有一定的關(guān)聯(lián)性趨勢(shì),但比較分散。

        圖6 驗(yàn)證拉力與壓接壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

        3.1 驗(yàn)證拉力與保壓、泄壓期間聲發(fā)射信號(hào)總能量的關(guān)系

        由于升壓過程中金具的金屬會(huì)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(hào)難以分離,此次試驗(yàn)不做進(jìn)一步分析。

        保壓過程中的聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與壓接壓強(qiáng)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(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與壓接壓強(qiáng)的關(guān)系曲線

        保壓過程的聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生較大比例的誤判。

        圖8 聲發(fā)射信號(hào)能量統(tǒng)計(jì)值與驗(yàn)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(yàn)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(hào)能量統(tǒng)計(jì)值,來(lái)判定壓接質(zhì)量。但實(shí)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(rèn)為還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

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

        3.2 纖維斷裂與芯棒彈性變形信號(hào)分析

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

        圖9 典型玻璃纖維斷裂信號(hào)的時(shí)域和頻域圖

        典型玻璃纖維斷裂信號(hào)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(cè),其應(yīng)該為玻璃纖維斷裂信號(hào)。

        統(tǒng)計(jì)所有玻璃纖維斷裂信號(hào)的幅度,其均在95 dB 以上,相對(duì)能量在10 000~50 000 mV·μs間,持續(xù)時(shí)間在6~21 ms間,屬于高強(qiáng)度信號(hào)。

        試驗(yàn)中,最后一個(gè)芯棒在壓接中發(fā)生斷裂,回放數(shù)據(jù)時(shí)找到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),其持續(xù)時(shí)間達(dá)到59 ms,能量為11 2647 mV·μs,遠(yuǎn)大于斷纖的特征值。典型芯棒彈性變形信號(hào)時(shí)域和頻域圖如圖10所示。

        圖10 典型芯棒彈性變形信號(hào)時(shí)域和頻域圖

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

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

        玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量與驗(yàn)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(hào)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(hào)后再分析剩余信號(hào)。

        圖12 玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量與驗(yàn)證拉力的關(guān)系曲線

        玻璃纖維斷裂信號(hào)的數(shù)量與壓接壓強(qiáng)及驗(yàn)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(jí)都達(dá)到了整個(gè)保壓過程所有芯棒相關(guān)能量累加值的數(shù)量級(jí),這給利用芯棒彈性變形產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)來(lái)判斷壓接效果,帶來(lái)了極大的干擾。

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

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

        驗(yàn)證拉力與保壓期間的聲發(fā)射信號(hào)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(hào)之前有所提高。

        驗(yàn)證拉力與保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號(hào)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(dú)保壓期間的要再高一些。

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

        圖15 各試驗(yàn)得出的相關(guān)系數(shù)

        以上7種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)的匯總?cè)鐖D15所示,可見驗(yàn)證拉力與保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號(hào)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(hào)后,能提高利用聲發(fā)射信號(hào)能量進(jìn)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(dòng)判定。

        (2) 保壓及泄壓期間的聲發(fā)射信號(hào)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(dòng)判定是最佳的選擇。

        (3) 芯棒在壓接過程中破裂信號(hào)比其他信號(hào)強(qiáng),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(hào),高頻成分比較豐富,采用高頻傳感器會(huì)提高儀器的靈敏度及信噪比。

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