瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在柴油機(jī)故障檢測(cè)中的應(yīng)用

姜耀華，鄧 軍，王 斌，王 靜

（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 內(nèi)燃機(jī)教研室，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是保證柴油機(jī)安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要手段。某些故障會(huì)導(dǎo)致各缸做功能力不均勻，如活塞環(huán)密封失效，氣門(mén)漏氣，噴油定時(shí)不正確，均會(huì)使柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，從而導(dǎo)致瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。因此柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速蘊(yùn)含了豐富的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的有用信息，通過(guò)分析瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化可以診斷柴油機(jī)故障。關(guān)于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量以及轉(zhuǎn)速信號(hào)的處理已有很多研究?，F(xiàn)以康明斯NTA855-M350柴油機(jī)為例，利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)診斷柴油機(jī)故障。

1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)

利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)進(jìn)行柴油機(jī)故障的診斷關(guān)鍵是掌握柴油機(jī)實(shí)測(cè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波形，為此，采用圖1所示的測(cè)量系統(tǒng)。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理計(jì)算得到各缸均勻工作時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 各缸均勻工作時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)

2 故障診斷

2.1 基于數(shù)值計(jì)算的故障診斷

對(duì)于N缸柴油機(jī)，將每循環(huán)采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)等分成N組，對(duì)于每一組（某一缸）的數(shù)據(jù)定義

式中：Mn——一組數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；

xi（k）——瞬時(shí)轉(zhuǎn)速采樣值；

xim、σi——xi（k）的均值和均方差；

xjm、σj——xj（k）的均值和方差。

將每個(gè)氣缸的工作狀態(tài)分為正常和故障兩種，對(duì)兩個(gè)處于正常狀態(tài)的氣缸i和j作互相關(guān)分析，則Sij應(yīng)接近1；否則Sij較小。

Ti對(duì)應(yīng)著第i缸和每缸作相關(guān)分析，但是在不同工況下直接比較Ti易形成較大的誤差。定義單缸狀態(tài)判別值ti＝，式中T為T(mén)的平均值。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定ti的限值til。如果某次測(cè)試的ti≥til，則判定第i缸處于正常工作狀態(tài)，否則判定第i缸處于故障工作狀態(tài)［1］。以NTA855-M350柴油機(jī)為例，確定til為0.8時(shí)測(cè)定單缸失火故障是可靠的。

2.2 基于診斷模型的故障診斷

根據(jù)曲軸飛輪系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，有轉(zhuǎn)矩平衡方程：

式中：θ——曲軸轉(zhuǎn)角；

θ..——角加速度；

J——整個(gè)軸系運(yùn)動(dòng)部分的有效集中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Te（θ）——整個(gè)軸系的旋轉(zhuǎn)慣性轉(zhuǎn)矩；

Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）——分別為所有氣缸總的氣體力轉(zhuǎn)矩、總的往復(fù)慣性轉(zhuǎn)矩、總的阻力轉(zhuǎn)矩。

將Tp（θ）、Te（θ）、Tr（θ）、TL（θ）、θ..進(jìn)行傅立葉變換得到Tp（ω）、Te（ω）、Tr（ω）、TL（ω）、A（ω）；轉(zhuǎn)角頻率ω與曲軸轉(zhuǎn)角θ互為傅立葉變換對(duì)。從而有：

通過(guò)分析可知，Tp（ω）中的低階諧波分量反映了各缸氣體轉(zhuǎn)矩力的不均勻度，據(jù)此可以定義無(wú)量綱的轉(zhuǎn)矩諧波分量比R作為衡量柴油機(jī)工作不均勻性的特征參數(shù)：

式中：N——?dú)飧讛?shù)；

Tp（nωc）——循環(huán)內(nèi)氣體力轉(zhuǎn)矩的n階諧波分量；

ωc——內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)頻率；

Nωc——內(nèi)燃機(jī)發(fā)火頻率。

利用R設(shè)定一個(gè)簡(jiǎn)單的閾檻值，即可識(shí)別和診斷出柴油機(jī)的失火或工作的不均勻性［2］。

2.3 基于波形的故障診斷

若柴油機(jī)正常工作，則每缸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)間隔和幅度大致相同，如果某缸發(fā)生故障就會(huì)影響瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，從而在轉(zhuǎn)速波形上有所反應(yīng)?？扇」收咸卣鞅容^明顯的參數(shù)作為特征參數(shù)，如一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)第i缸作功行程對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的峰值nit與前一個(gè)谷值nib之差，即

Δni越小，說(shuō)明第i缸作功越少或密封性越差［3］。為了盡可能減小循環(huán)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化對(duì)診斷的影響，定義第i缸作功行程對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)Δni與循環(huán)內(nèi)所有缸對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的平均值之比為第i缸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率fi，則有：

fi越小說(shuō)明第i缸作功越少；各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率差值越小說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)各缸工作均勻性越好。

圖3為NTA855-M350柴油機(jī)在4號(hào)缸斷油時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖。顯然4號(hào)缸的轉(zhuǎn)速的最大波動(dòng)值相對(duì)于其它缸而言最為明顯，即Δn4最小，即可判定4號(hào)缸發(fā)生故障。

圖3 4號(hào)缸斷油時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖

3 結(jié)論

通過(guò)測(cè)量柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)可以監(jiān)測(cè)和診斷其運(yùn)行故障。相比而言基于計(jì)算和模型的故障診斷計(jì)算量大，但是對(duì)故障判斷的可靠性高。基于波形的故障診斷計(jì)算量小、通用性較好，能滿(mǎn)足在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)診斷。

［1］于明進(jìn)，孟祥錄.瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)性能與故障檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（2）：18-21.

［2］郭文勇，樸甲哲.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的內(nèi)燃機(jī)故障診斷方法［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（6）：55-58.

［3］濮立俊，楊建國(guó).利用發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)診斷氣門(mén)漏氣故障［J］.武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（1）：59-63.