涂层接触疲劳损伤过程中的声发射小波分析

采集铁基合金涂层在不同接触疲劳损伤阶段的声发射信号,并采用dB10基本小波对其进行5层小波分解和重构,分析了疲劳损伤声发射信号的波形和频率特征。结果表明:裂纹萌生阶段的原始声发射信号以连续型为主,裂纹的稳定扩展阶段以混合型为主,裂纹的失稳扩展阶段以突发型为主;通过小波变换实现了将疲劳损伤声发射信号与干扰波分离,获得了高信噪比的疲劳损伤特征信息;在不同的疲劳损伤阶段,声发射信号的频率分布各不相同。随着疲劳损伤的加剧,各层的波形幅值呈增大的趋势,并且疲劳损伤频率分布范围也更加的广泛。     

等离子喷涂Fe基合金涂层组织及接触疲劳损伤性能的研究

使用超音速等离子喷涂设备在45钢基体上制备了铁基合金涂层,采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪等设备对涂层的组织结构进行了表征,借助显微硬度仪测定了涂层截面的硬度分布,以球盘式接触疲劳试验机为平台,利用声发射技术实时监测涂层的接触疲劳损伤过程。结果表明,涂层组织主要是由α(Fe,Cr)相和网状的Cr7C3组成,纳米级α(Fe,Cr)相分布于裂纹周围。声发射特征参数RMS可以反映涂层的接触疲劳损伤程度,在转速为2500r/min和应力水平为1.8489GPa实验条件下,分层是涂层失效的最终形式。     

涂层疲劳损伤声发射特征参数及损伤机理

使用超音速等离子喷涂设备在1045钢基体上制备了铁基合金涂层。以球盘式接触疲劳试验机为平台,研究了涂层接触疲劳损伤过程中声发射特征参数的变化规律,并分析了涂层的接触疲劳损伤机理。结果表明,在转速为2500r/min和应力水平为1.58GPa实验条件下,点蚀是涂层的主要失效形式,表现为在涂层磨痕轨迹范围内出现大量的点蚀坑,点蚀坑深度为20～30μm。涂层表面粗糙的微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损,以及涂层、磨粒、滚动轴承三者形成三体磨料磨损是点蚀失效产生的主要原因。声发射幅值、有效值(Root Mean Square,RMS)、能量、计数和平均频率对涂层表面粗糙微凸体去除、弹塑性变形、裂纹萌生、裂纹稳定扩展和失稳扩展过程比较敏感,并且在不同的疲劳损伤阶段具有不同的信号反馈特点。     

基于声发射技术的热障涂层损伤行为

热障涂层以优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中。由于热障涂层体系内部结构复杂,服役环境苛刻,导致其失效不可预测。热障涂层系统内的表面开裂和界面分层是限制热障涂层长时间使用的瓶颈问题,且热障涂层的过早剥落失效会导致合金基体暴露在高温燃气中,这可能引起灾难性的后果。针对涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个失效过程进行实时无损检测,为寿命预测提供最直接的证据。声发射技术是一种实时动态的无损检测方法,可直接检测热障涂层失效过程中的裂纹扩展行为,因此在热障涂层失效检测领域得到了广泛的应用。然而,造成热障涂层损伤失效的因素较多,如失效机理复杂、失效形式多样,以及声发射信号本身的随机性和不可逆性,使得利用声发射技术检测热障涂层失效整个过程的研究还不够全面。目前,已通过声发射技术的参数分析和波形分析实现了对热障涂层损伤失效的定性、定量和定位分析,并对涂层寿命进行了预测。参数分析是以多个简化的波形特征参数来表示声发射信号的特征,即对一些特征量进行统计的过程,如能量、频率、幅度等。采用声发射特征参数法可定量评估热障涂层的损伤程度并对涂层的寿命进行预测。目前人们从连续损伤累计、某一特定参量变化等多个角度预测热障涂层的寿命,但是各种寿命预测模型主要是根据实验结果的经验或半经验公式,随着热障涂层的发展以及对热障涂层失效机理认识的不断加深,寿命预测模型也在不断发展与完善。波形分析是通过对声发射信号的时域波形或频谱特征分析来获取缺陷信息的一种信号处理方法。从理论上讲,波形分析应当能给出任何所需的信息,因而波形也是表达声发射源特征最精确的方法,目前主要通过小波变换把声发射波形信号从时域变换到频域,进而识别其损伤模式并实现声发射源的定位。本文对声发射技术进行了简要的介绍,总结了声发射技术参数分析和波形分析在热障涂层损伤模式识别、损伤位置的定位、损伤程度的定量评估和剩余寿命预测方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

断铅试验声发射信号处理与损伤源定位研究

以断铅试验为例模拟材料的断裂损伤事件,进行声发射特征参数和损伤源定位的试验研究,采用小波变换对声发射信号进行分解和重构。结果表明:声发射计数、能量和有效值对断铅具有较高的检测灵敏度;仅依据声发射幅值并不能判断铅芯断裂释放的声发射信号能量的高低。采用4层小波变换将断铅声发射信号分解到不同的频率段并进行重构,将高频接触摩擦信号和低频噪音信号滤除,能准确提取铅芯断裂特征信息。通过布置多个传感器对断铅位置进行定位的方法完全可行,时差线定位偏差不超过10 mm。     

基于统计分析的等离子喷涂层接触疲劳寿命和失效模式

在不同应力水平下考察等离子喷涂镍基合金涂层的滚动接触疲劳寿命和失效模式。以R-3.1.1软件为平台,采用统计分析方法(方差分析、回归分析、判别分析等)对其进行分析和讨论。结果表明:涂层的滚动接触疲劳寿命呈正态分布;随着接触应力的增加,涂层的均值寿命和方差都减小,并且疲劳寿命的分布更加集中;方差分析表明,接触应力对涂层的滚动接触疲劳寿命有显著性影响,且寿命均值与接触应力具有高度的线性相关性;建立了涂层失效模式的判别准则,当指定接触应力和疲劳寿命时可以预测涂层的失效模式,且预测正确率在65%以上;疲劳寿命对失效模式的累积贡献率明显高于接触应力对失效模式的累积贡献率,因此疲劳寿命是决定涂层失效模式的主要因素。     

一种新的声发射信号消噪及故障诊断方法

在旋转机械故障诊断中,声发射信号极易受到噪声的干扰。针对经验模态分解(EMD)易产生模态混叠现象,提出了一种基于经验小波变换(Empirical Wavelet Transform,EWT)的消噪和旋转机械声发射碰摩故障诊断的方法。利用了EMD和小波变换的优点,通过对傅里叶频谱进行自适应划分,并构建小波滤波器组来提取声发射信号所包含的不同固有模态分量,可有效消除模态混叠现象,同时对分量进行Hilbert变换从而实现声发射信号的消噪和故障诊断。采用该方法对仿真信号进行加噪声和消噪处理,在同信号源下,对比基于d B4全阈值消噪、d B4默认软阈值消噪、d B4对高频系数处理消噪和EMD消噪效果。并将该方法应用到实际的声发射碰摩信号中。仿真和实验分析结果表明:EWT方法可以有效地分解出信号的固有模态,分解出的模态少,并且不存在难以解释的虚假模态,消噪效果优于其他方法,并且在声发射故障诊断中也有较大的优势。     

基于小波包能量谱的声发射信号处理技术

为实现材料早期结构疲劳损伤程度的监测与评价,提出采用小波包能量谱的声发射信号处理方法.首先,搭建金属疲劳损伤在线声发射监测系统,采集金属材料早期结构疲劳损伤产生的裂纹扩展与闭合的声发射信号;其次,选取适用于该声发射信号的小波函数和小波包分解层数,从而得到小波包分解后的各个频带的能量随疲劳周期数增加的变化情况的小波包能量谱图.实验表明:上述信号处理方法可获得能表征金属材料随着疲劳周期数增加的早期结构疲劳损伤程度变化的频带特征,为桥梁结构、建筑工程结构构件中常用钢材疲劳过程的声发射监测及早期疲劳损伤程度的加剧提供参考依据.     

基于声发射技术的Si-Cr-Ti高温抗氧化涂层弯曲失效机理研究

本研究借助声发射技术对铌基高温抗氧化涂层在常温下的弯曲失效过程进行了研究。利用k均值聚类方法对信号进行了分类, 结合截面扫描电镜观测结果确定高温抗氧化涂层在弯曲载荷下的信号分别对应基体变形、表面垂直裂纹、滑动型界面裂纹和张开型界面裂纹, 通过快速傅里叶变换得到了各类信号的主频分别为100、310、590和450 kHz, 借助小波分析得到了各信号的小波能量系数。涂层弯曲失效过程主要包括四个阶段, 分别为受拉侧表面垂直裂纹萌生的初始损伤阶段、表面垂直裂纹增殖阶段、两侧界面裂纹快速扩展的损伤积累阶段和受压侧涂层明显剥落的宏观剥落阶段。     

EMD信号分析方法的声发射管道泄漏检测研究

针对管道泄漏声发射检测信号的非平稳特征,提出了基于经验模态分解(EMD)的信号分析方法。该信号分析方法将管道泄漏产生的声发射信号通过EMD分解为多个平稳的固有模态函数(IMF)之和,选择包含声发射特征的若干IMF分量进行重构,可以提取到管道泄漏声发射信号的本质特征,消除噪声信号的干扰。通过对重构后的信号进行互相关分析计算,使基于声发射方法的管道泄漏检测的定位精度得到较大提高,验证了Hilbert-Huang变换是表征声发射信号的非平稳特征及信号参数提取的有效工具。     

模态声发射技术在构件疲劳裂纹检测中的应用

疲劳裂纹的萌生和扩展是机械零件在变载荷作用下的主要失效形式,在变载荷下出现疲劳裂纹的同时往往伴随着弹性波的扩散,以迅速释放其内部积累的应变能。使用近几年来得到迅速发展的模态声发射技术真实地获取疲劳裂纹的声发射波形,使接收到的声发射信号较完整地反映了声发射源的物理状态。在波形分析中采用参数分析法提取声发射波形特征,建立模态声发射参数和裂纹扩展速度之间的数学关系。由于综合采用了多种技术的优点进行信号分析、处理,因此根据声发射信号特征得到的结果将更加逼近实际状态。     

滚动接触条件下铁基涂层的疲劳磨损寿命实验研究

利用超音速等离子喷涂技术在45钢表面制备了铁基合金涂层,利用球盘式疲劳磨损实验机评价了铁基涂层在两种载荷条件下的疲劳磨损性能,利用两参数Weibull分布表征了涂层的疲劳寿命,采用扫描电子显微镜(SEM)分析了涂层的微观结构和失效形貌,利用有限元方法研究了涂层内部应力分布.实验结果表明,载荷条件可以显著地影响涂层的寿命和失效形貌,高载下涂层的寿命明显降低;随着载荷的增加,主要失效形式由表面磨损失效转换成剥层失效,其中表面磨损是由于粗糙接触引起,而剥层则与应力分布机制有关.     

受载混凝土破坏全过程声发射信号频带能量特征

为寻找更有效的混凝土工程破坏前兆判据,开展混凝土单轴加载破坏全过程声发射试验。通过SAEU2S型数字声发射采集系统直接采集破坏全过程声发射信号波形,分别用FFT变换及小波包变换对不同破坏阶段声发射信号分析处理,发现不同破坏阶段声发射信号频率分布、频带能量变化规律,并从声发射信号频率变迁与裂纹扩展关系角度阐释混凝土破坏机理。采用小波包变换频带能量计算方法在Matlab中计算并绘制不同破坏阶段声发射信号频带能量分布直方图,重点分析0~26 kHz低频带能量占比及随加载时间变化规律,提出低频能量占比达某门限值即为破坏临界点的重要判据指标。此规律可作为混凝土工程稳定性监测预警前兆判据,对评估混凝土内部损伤具有理论指导意义。     

基于HHT的管道阀门内漏声发射检测研究

针对管道阀门内漏声发射信号的非平稳特征,提出将总体平均经验模式分解(EEMD)和希尔伯特变换相结合的希尔伯特黄变换(HHT)方法应用于管道阀门内漏声发射检测中。利用EEMD方法将阀门内漏声发射信号自适应分解为一簇本征模态函数(IMF),并对分解后的信号进行Hilbert谱和HHT边际谱分析,可以提取到阀门内漏声发射信号的本质特征,突破常规时频分析的非线性信号局限性以及经验模式分解(EMD)造成的模态混叠现象;相比于STFT频谱,Hilbert谱具有较高的时频分辨率,最后对信号的Hilbert边际谱分析确定了内漏信号的主要作用频率。该方法可以有效的应用于阀门内漏声发射检测中。     

压力管道泄漏声发射信号频谱特性实验研究

以水为实验介质,进行了充液压力管道泄漏声发射信号的实验研究。利用小波变换对不同流量、不同泄漏孔径条件下检测到的声发射信号频谱特性进行了分析研究,结果表明充液管道泄漏信号经小波分解后a6级信号的能量占总能量的绝大部分,信号的主要频率成分集中在3.05kHz-3.81kHz左右。     

微缺陷对热喷涂涂层接触疲劳性能的影响

采用超音速等离子喷涂设备在45号钢基体上制备了三种含有不同微缺陷的NiCrBSi合金涂层。使用球盘式接触疲劳实验机对涂层的接触疲劳性能进行了测试,建立了Weibull失效概率图;使用扫描电子显微镜对涂层的微观结构和失效形貌进行了表征;比较了三种涂层的接触疲劳寿命及涂层的主要疲劳失效模式。结果表明,涂层内的微缺陷主要由微孔隙和微裂纹构成,涂层接触疲劳寿命的长短与这些微缺陷含量的多少成反比,涂层的孔隙率为2.5%,1.3%和2.1%,对应的接触疲劳寿命分别为7.77×105,8.99×105,7.81×105周次。同时,涂层微缺陷含量较少时涂层的失效模式主要以剥落失效为主;涂层微缺陷含量较多、结合强度较差时主要以分层失效为主;涂层内存在较大的孔隙可致使涂层的提早失效,同时涂层表面磨损失效的概率增加。     

小波变换和EEMD-马氏距离的轴承故障诊断

机械故障的声发射信号中往往掺杂着各种干扰和噪声,为解决这一问题,提出了小波变换、集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)和马氏距离相结合的滚动轴承故障诊断方法;首次将马氏距离引入到轴承声发射信号的故障诊断中。该方法首先对故障轴承的声发射信号进行小波去噪处理,再对去噪后的信号进行EEMD分解,将其分解为多个固有模式函数(简称IMF)。其次采用马氏距离的方法消除EEMD分解结果中的虚假分量,提取能够反映轴承故障特征的IMF分量,突出高频共振成分。最后,通过瞬时Teager能量的Fourier频谱识别轴承故障的特征频率。仿真信号和滚动轴承外圈声发射信号的实例分析表明:此方法能很好地去除混杂在轴承声发射信号中的噪声,准确地识别出轴承故障的部位。     

等离子喷涂铁基涂层的接触疲劳失效机理研究

对超音速等离子喷涂铁基涂层的接触疲劳失效机理进行了研究.使用球盘式接触疲劳试验机进行了涂层的接触疲劳实验,并通过对失效试样表面形貌的观察,总结出了涂层三种典型的失效形式,即点蚀、剥落和分层.分别研究了三种失效形式的相应的失效机理,结果表明:点蚀失效是由粗糙的表面引起的;剥落失效是由于表层与次表层的微观缺陷引起的;而分层失效则由涂层内部的剪切应力机制决定.     

基于EMD与相关系数原理的故障声发射信号降噪研究

声发射信号经常受到许多非平稳非线性噪声的干扰,这给对有用声发射信号的识别增加了困难。依据相关系数原理提出了一种基于经验模态分解的旋转机械碰摩声发射信号的去噪方法,通过求出含噪信号经过经验模态分解后所得到的各阶本征模态函数与含噪信号自身的相关系数,根据其变化规律并结合经验模态分解的滤波特性,选取被噪声污染程度较低的本征模态函数对信号重构以达到去噪目的。该方法应用于被不同种类噪声污染的碰摩声发射信号的去噪,实验结果表明此方法能有效的去除噪声,并具有不受主观参数影响,结果稳定,自适应等优点。     

声发射技术监测疲劳损伤探讨

在实验室的高频疲劳试验机上,对紧凑拉伸试样进行疲劳损伤试验,用声发射技术记录声发射参数的变化.使用小波分析识别降噪方法和外触发采集卡(只在裂纹扩展时才采集数据,裂纹闭合时不采集数据)等措施,将各种噪音分离出去,最后只有试样的疲劳损伤裂纹起裂和扩展的声发射波形信号,经处理后获得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系,接近于人工测得的疲劳裂纹扩展长度与应力循环次数关系曲线.