基于振動信號的柴油機(jī)氣門間隙異常故障診斷

王春林,梅衛(wèi)江,邊金英,趙永滿,吳 疆

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子 832003)

基于振動信號的柴油機(jī)氣門間隙異常故障診斷

王春林,梅衛(wèi)江,邊金英,趙永滿,吳 疆

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院,石河子 832003)

為探討簡易診斷柴油機(jī)氣門間隙異常的有效方法,采用柴油機(jī)缸蓋表面的振動信號進(jìn)行試驗研究。采集了柴油機(jī)在不同氣門間隙下的振動信號,用時域法和頻域法相結(jié)合的分析方法對故障特征信號進(jìn)行分析,得出了氣門間隙異常的頻率特性和判斷依據(jù)。結(jié)果表明,采用振動檢測技術(shù)可以實現(xiàn)不拆卸配氣機(jī)構(gòu)就可簡易診斷柴油機(jī)氣門間隙異常故障。

柴油機(jī);振動信號;氣門間隙異常;故障;診斷

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)換氣過程的控制機(jī)構(gòu),對發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)有很大的影響。發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu),特別是經(jīng)常處在高溫和高速氣流沖擊下工作的氣門,是發(fā)動機(jī)最容易發(fā)生故障的零部件之一,主要故障有氣門間隙異常、氣門漏氣、彈簧折斷、閥頭翹曲變形等,其中最常見的一種故障是氣門間隙異常。氣門間隙出現(xiàn)異常時,會改變氣門的開關(guān)定時,影響氣缸內(nèi)的換氣質(zhì)量,嚴(yán)重時可導(dǎo)致燃燒惡化。

目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中,常用的檢查氣門間隙是否異常的方法仍然是打開搖臂室蓋,用規(guī)定間隙的厚薄片分別塞入進(jìn)、排氣門桿末端與搖臂頭之間檢查。這種方法的缺點是費(fèi)時費(fèi)力,不能進(jìn)行在線檢測,且在運(yùn)行狀態(tài)下無法檢查,封裝及有載荷時轉(zhuǎn)動曲軸困難。

本試驗針對S195柴油機(jī)氣門間隙異常故障進(jìn)行了試驗研究,利用氣缸蓋表面的振動信號來判斷發(fā)動機(jī)氣門間隙是否處于異常狀態(tài)。該方法是直接利用傳感器采集工作過程中氣缸蓋表面的振動信號,再運(yùn)用配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)方程及時域法和頻域法相結(jié)合的分析法得出氣門間隙異常狀態(tài)的判斷依據(jù)。

1 測試方法

1.1 測試系統(tǒng)

本試驗所用發(fā)動機(jī)為單缸自然吸氣式渦流室S195型柴油機(jī)(山東德州柴油機(jī)廠)。主要加載設(shè)備為:SG115M型水力測功機(jī)(保定新生農(nóng)業(yè)機(jī)械廠),SYZZ-1型油耗轉(zhuǎn)速自動測量儀 (江南測試儀器廠)。

測試與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由加速度傳感器、磁電傳感器、電荷放大器、INV306多功能信號采集處理分析儀等組成。其中數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)是由北京東方振動與噪聲研究提供的INV306智能信號采集處理分析儀、DLF多通道系列電荷電壓四合一放大器、INV YJ9A壓電式加速度傳感器以及DASP2006(data acquisition&signal processing)專業(yè)版數(shù)據(jù)采集分析軟件組成。磁電傳感器采用的是桑塔納2000車速傳感器,主要作用是用來測取上止點信號。

圖1 測試分析系統(tǒng)Fig.1 Testing and analysing system

1.2 測點選擇

加速度傳感器的安裝位置是獲取準(zhǔn)確信號的關(guān)鍵。柴油機(jī)的缸蓋和機(jī)身對振動最敏感,由于要獲得的是氣門產(chǎn)生的激勵信號,因此把測試點放在缸蓋上方,磁電式傳感器安裝在凸輪軸前端的正時齒輪蓋上。根據(jù)采樣定理[1]以及綜合考慮測試系統(tǒng)的性能、柴油機(jī)實際工作狀況等各種因素,振動信號的采樣頻率選用20.48k Hz。為了提高信號的信噪比,缸蓋振動信號的采集選用整周期采樣的方法[3]。

1.3 參數(shù)確定

為了模擬柴油機(jī)氣門間隙異常故障,在試驗中人為地將排氣門冷態(tài)間隙調(diào)到0.20mm、0.35mm、0.45mm、0.55mm和 0.60mm五種狀態(tài),其中0.45mm為正常間隙,在轉(zhuǎn)速為2000r/min,負(fù)荷為4.5k W的工況下進(jìn)行振動測試。由于所用的加速度傳感器為接觸式傳感器,檢測對象的溫度對傳感器有較大干擾,且氣門響應(yīng)與內(nèi)燃機(jī)水溫有密切關(guān)系,因此,為了便于比較與控制,試驗時通過水力測功機(jī)上自帶的水溫表監(jiān)測柴油機(jī)的水溫,始終保持在80℃～90℃。

1.4 缸蓋的振動特性

發(fā)動機(jī)缸蓋系統(tǒng)在工作狀態(tài)下主要承受的激勵力有5個:缸內(nèi)氣體壓力以及進(jìn)、排氣門的開啟和關(guān)閉的4個沖擊力。文獻(xiàn)[4]研究表明:盡管缸蓋結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,但可認(rèn)為激振信號在傳播的過程中頻率變化很小,仍可近似地把它看成是一個頻率不變的系統(tǒng)。

雖然缸蓋受到的作用力是多個頻率特性各不相同的沖擊載荷,缸蓋振動信號是由一系列頻率、幅值差別較大的瞬態(tài)響應(yīng)所組成,情況比較復(fù)雜。但有實際影響的只有燃燒氣體力和氣門落座沖擊力,且發(fā)動機(jī)的各部件工作是按一定周期性順序進(jìn)行的,振動信號不是同時出現(xiàn),而是先后有序。本試驗測得的S195型柴油機(jī)缸蓋表面振動信號的時域波形(圖2)可證實這一點。根據(jù)S195型柴油機(jī)的工作過程相位圖以及配氣機(jī)構(gòu)配氣定時規(guī)律,并結(jié)合運(yùn)行轉(zhuǎn)速和采樣頻率,可以很容易區(qū)分圖2中的各激勵力響應(yīng)信號:A為氣體燃燒壓力激勵響應(yīng),B為排氣門開啟,C為排氣門落座沖擊,D為進(jìn)氣門落座沖擊(由于進(jìn)氣門開啟時的振動響應(yīng)不大,所以圖2中未標(biāo)出此時刻)。當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)某種故障時,相應(yīng)的激勵力響應(yīng)信號在作用時間和能量強(qiáng)度等方面將發(fā)生改變,據(jù)此可以獲取特征參數(shù)并進(jìn)行故障診斷。

圖2 S195型柴油機(jī)缸蓋表面振動信號的時域波形Fig.2 Time domain waveform of model S195 diesel engine eylinder cap's surface vibration signal

因缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,振動從底面?zhèn)鞯巾斆娴耐緩胶芏?為了進(jìn)一步探討氣缸內(nèi)外表面的振動特性,先拆去活塞連桿,再用電動機(jī)倒拖S195柴油機(jī),然后測定缸蓋頂面和底面對氣門沖擊響應(yīng)的振動信號,測得的振動頻譜如圖3所示。

圖3 S195型柴油機(jī)缸蓋頂面(a)和底面(b)的振動頻譜Fig.3 Frequency spectrum graph of model S195 diesel engine cylinder cap's top(a)and underside(b)vibration signal

由圖3可以看出,兩者圖形非常接近,說明由氣門落座沖擊產(chǎn)生的振動在傳播的過程中頻率變化很小,其內(nèi)外表面具有非常接近的頻率特征。因此,缸蓋頂面的振動信號能較完整地反映缸內(nèi)氣體力和氣門沖擊等激振源的特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 時域分析

圖4為S195型柴油機(jī)排氣門間隙為0.20mm、0.35mm、0.45mm、0.55mm和0.60mm五種狀態(tài)時所測信號的時域波形圖。

從圖4可以看出,缸蓋振動信號對排氣門間隙的變化反映明顯,當(dāng)氣門間隙為0.20mm時,排氣門開啟和落座振動響應(yīng)的幅值都很小;當(dāng)氣門間隙增大時,排氣門開啟和落座振動響應(yīng)的幅度也隨著增大;當(dāng)氣門間隙達(dá)到0.55mm以后振動響應(yīng)發(fā)生突變,排氣門開啟和落座響應(yīng)的幅值很大,超過了氣體燃燒激勵的響應(yīng);隨著氣門間隙的增大,氣門的排氣提前角和排氣遲閉角都將滯后。同時根據(jù)氣門機(jī)構(gòu)的配氣定時規(guī)律,在時域波形中可以識別振動信號是由哪一缸的哪個氣門間隙異常造成的,對于多缸發(fā)動機(jī)可結(jié)合其發(fā)火順序來判斷。振動信號幅值大小及在上止點前的角度是判斷某缸某個氣門有無間隙異常的特征參數(shù)。

圖4 不同氣門間隙下缸蓋振動響應(yīng)的時域波形Fig.4 Time domain waveform of cylinder cap's vibration signal in diferent valve clearances

2.2 頻域分析

不同氣門間隙振動信號的頻譜如圖5所示。

從圖5可以看出,正常狀態(tài)(0.45mm)時,振動的能量主要集中在高頻段3～4k Hz內(nèi);氣門間隙較小時,能量主要集中在頻帶2～3k Hz內(nèi),間隙較大時則分布在頻帶3～4k Hz及8～9k Hz。根據(jù)發(fā)動機(jī)工作原理可知,低于0.5k Hz的中低頻振動信號應(yīng)為燃爆響應(yīng)。隨著氣門間隙的增大,頻域總能量增加且高頻分量在整個頻率分量中所占比例增大,可以利用頻域的這種特性來診斷氣門間隙的故障。且隨著氣門間隙的增大,在2～4k Hz范圍內(nèi)積聚的能量越來越多,峰值越來越大。8～9k Hz的高頻成分的幅值也在增加。一般說來,氣門落座的速度較大、落座沖擊力為高頻激振源,且隨間隙的增加,落座速度變大,缸蓋振動急劇增加,故可認(rèn)為 2～4k Hz的高頻成分是由氣門落座引起的缸蓋振動。將這一反映氣門間隙異常的頻率段稱之為氣門響應(yīng)的特征頻帶,在該頻率段的振動能量及頻譜峰值成為判斷氣門間隙異常的特征參數(shù)。

圖5 不同氣門間隙振動信號的頻譜Fig.5 Frequency spectrum graph of cylinder cap's vibration signal in diferent valve clearances

另外,根據(jù)隨著氣門間隙的增大,頻域總能量增加且高頻分量在整個頻率分量中所占比例增大這種特性,可以采用響應(yīng)的高頻能量 Eh和總能量 E之比γv來判斷氣門的間隙狀況,具體的計算公式為:γv=Eh/E[5]。

本文選定 Eh為2～4k Hz內(nèi)的高頻能量,計算結(jié)果見表1。

由表1可知,隨著氣門間隙的增大,高頻分量在整個頻率分量中所占比例明顯增大,這與前面的分析結(jié)果是一致的。但是能量比γv容易受柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和載荷的影響,故γv不能作為判斷氣門間隙狀態(tài)的唯一根據(jù)。

表1 不同間隙下的氣缸蓋振動信號能量比Tab.1 Energy ratio of cylinder cap's vibration signal in diferent valve clearances

3 結(jié)論

1)柴油機(jī)氣缸蓋系統(tǒng)的振動是由一系列具有不同的頻率特征的瞬態(tài)振動組成,這些瞬態(tài)信號中包含了大量反映氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)和柴油機(jī)工作狀態(tài)的有用信息。判斷氣門機(jī)構(gòu)間隙是否異常,應(yīng)著重從氣缸蓋對氣門落座沖擊的響應(yīng)信號中獲取信息。本文利用柴油機(jī)氣缸蓋表面的振動信號可分析時域波形中的振幅大小,根據(jù)頻域中在2～4k Hz范圍內(nèi)的能量及幅值大小,可較準(zhǔn)確地診斷出發(fā)動機(jī)氣門間隙是否發(fā)生異常,并可預(yù)見故障的程度。

2)采用缸蓋振動信號時域、頻域分析法比靜態(tài)塞規(guī)檢查法更能及時發(fā)現(xiàn)故障,而且不需要操作人員具備過多的信號處理知識,只需要其能識別最簡單的時域圖和頻譜圖,便能不拆卸配氣機(jī)構(gòu)而進(jìn)行簡易的診斷。利用柴油機(jī)氣缸蓋表面的振動信號實現(xiàn)柴油機(jī)氣門間隙異常故障的簡易診斷是可行的。

3)在柴油機(jī)全程的工作速度范圍內(nèi),可利用缸蓋的振動信號對氣門間隙的工作狀態(tài)進(jìn)行在線不拆線的監(jiān)測識別,從而能實現(xiàn)對柴油機(jī)運(yùn)行狀況的監(jiān)測。

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Abnormal State Fault Diagnosis of Diesel Engine Valve Clearances based on Vibration Signal

WANG Chunlin,MEI Weijiang,BIAN Jinying,ZHAO Yongman,WU Jiang
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

In order to find effective methods of easily diagnosing the abnormal state of diesel engine valve clearances,an experimental study on using cylinder cap’s surface vibration signal has been shown in this paper.The vibration signals at different valve clearances are mainly tested and measured.The methods of time-domain and f requency-domain are used to analyze them.Frequency characteristics and identif ying methods of the abnormal state of engine valve clearances are brought out.The results show that vibration monitor can diagnose the troubles of abnormal state of diesel engine valve clearance without disassemblage and easy to be used in on-line monitoring.

diesel engine;vibration signal;valve clearance;fault diagnosis

TK407

A

1007-7383(2010)01-0113-05

2009-07-16

王春林(1984-),女,碩士生,專業(yè)方向為機(jī)械工程測試與故障診斷;e-mail:wangchunlin1984@163.com。

梅衛(wèi)江(1968-),男,副教授,從事內(nèi)燃機(jī)節(jié)能研究;e-mail:mwj?mac@shzu.edu.cn。