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(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)
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。
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
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。
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
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
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)。
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。
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。
(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。