基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)早期弱故障診斷實(shí)驗(yàn)研究

孫云嶺，田洪祥，王勝杰

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)早期弱故障診斷實(shí)驗(yàn)研究

孫云嶺，田洪祥，王勝杰

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

瞬時(shí)轉(zhuǎn)速蘊(yùn)含了大量柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，已經(jīng)成功用于失火嚴(yán)重故障的診斷，但對于早期弱故障的診斷尚缺乏進(jìn)一步的研究。針對6-135型柴油機(jī)，通過在不同程度上調(diào)整氣缸噴油量、調(diào)整氣閥間隙、模擬氣閥泄漏等方法模擬柴油機(jī)早期故障，在不同工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，計(jì)算柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號，并分析其不同狀態(tài)下的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號可以用于判斷多種早期故障，各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速升程歸一化比值P是較直接的特征參數(shù)。正常狀態(tài)下，各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速P值在0.9～1.1以內(nèi)，若某缸升程P值下降超過10%，可認(rèn)為該氣缸存在故障。該方法對于影響缸內(nèi)壓力的故障如各氣缸噴油量不均勻、氣閥泄漏等比較敏感，對于活塞-缸套間隙過大等對缸內(nèi)壓力影響程度小的故障不敏感。

柴油機(jī)；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；故障診斷

0 概述

柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號蘊(yùn)含了大量機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)信息[1]，可以間接反映缸內(nèi)壓力，逐漸成為柴油機(jī)故障診斷的重要信息源之一[2-3]，并成功應(yīng)用于失火故障的診斷[4-5]。氣缸失火屬于嚴(yán)重故障，發(fā)生率極低，并可較容易地通過其他信息源如氣缸爆炸壓力檢測、高壓油管壓力測試來診斷。而柴油機(jī)早期微弱故障發(fā)生率高，例如個(gè)別氣缸由于噴油量偏少、燃燒不良、輕微密封性不良而造成的做功能力下降故障經(jīng)常發(fā)生，并且難以采用其他信息源如油液分析、振動(dòng)監(jiān)測來診斷。這些故障都是通過影響缸內(nèi)壓力來造成性能下降的，而瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與缸內(nèi)壓力有著直接的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，且具有測試方便、易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，所以研究柴油機(jī)早期微弱故障下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律具有極高的研究價(jià)值。由于對這些微弱故障難以建立有效、精確的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行瞬時(shí)轉(zhuǎn)速仿真，而且仿真結(jié)果與實(shí)際狀況往往有著極大的差距，所以本文主要進(jìn)行模擬故障實(shí)驗(yàn)研究。通過各種方法來實(shí)際模擬這些故障，在不同工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，計(jì)算出不同故障下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行分析，以探尋早期弱故障條件下柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號的變化規(guī)律，為日后的故障診斷工作奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 柴油機(jī)早期弱故障模擬實(shí)驗(yàn)方案

本文以6-135G型柴油機(jī)為實(shí)驗(yàn)研究對象進(jìn)行早期弱故障模擬。6-135G型柴油機(jī)的基本參數(shù)為：單列立式、六缸水冷、四沖程，氣缸直徑135 mm，活塞行程140 mm，壓縮比16.5:1，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率88 kW，發(fā)火順序1-5-3-6-2-4，采用水力測功器進(jìn)行功率加載和測量。

在故障模擬方法上，通過多種方式來模擬柴油機(jī)早期故障。根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的機(jī)理，在理論上應(yīng)能反映影響缸內(nèi)壓力的機(jī)器故障，在此選擇有針對性的早期故障進(jìn)行模擬，主要分為兩類。（1）功率不平衡故障。由于噴油量不一致、油氣混合不好等各種原因?qū)е赂鞲鬃龉顟B(tài)均不相同，這使機(jī)件受力不勻，造成柴油機(jī)振動(dòng)加劇，不能發(fā)出額定功率，更嚴(yán)重時(shí)可造成某缸不發(fā)火。分為以下幾種狀態(tài)進(jìn)行模擬：不同程度單缸減油狀態(tài)、單缸斷油狀態(tài)。（2）氣缸密封性故障。由于氣閥間隙異常、氣閥泄漏、缸套磨損等原因會(huì)導(dǎo)致氣缸密封性不好，致使缸內(nèi)壓力降低，發(fā)不出足夠的功率。對此分為以下幾種狀態(tài)進(jìn)行模擬：氣閥間隙過小狀態(tài)、氣閥泄漏狀態(tài)和活塞-缸套間隙過大狀態(tài)。

各狀態(tài)模擬方法如下。

（1）正常狀態(tài)。作為故障的對比狀態(tài)，首先要測量正常狀態(tài)的參數(shù)。對實(shí)驗(yàn)柴油機(jī)進(jìn)行各缸油量均衡試驗(yàn)、噴油壓力測試、氣閥間隙測試、氣閥-缸套間隙測量等調(diào)整，從而保證機(jī)器處于良好狀態(tài)，進(jìn)行正常狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

（2）單缸減油狀態(tài)。拆下噴油泵，在油量調(diào)整臺(tái)上調(diào)整某一氣缸噴油量，使其噴油量低于正常油量，為了試驗(yàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速反映缸內(nèi)壓力變化的程度，調(diào)整的幅度分別為15%、20%和100%（即單缸斷油狀態(tài)）。

（3）氣閥間隙過小狀態(tài)。調(diào)小排氣閥間隙模擬氣閥泄漏，6-135Z型柴油機(jī)正常狀態(tài)間隙應(yīng)為0.35 mm，將其分別調(diào)整為0.04 mm和負(fù)值，負(fù)值調(diào)整方法為：擰調(diào)節(jié)螺釘?shù)介g隙為零之后分別再繼續(xù)擰1/8圈和1/4圈。

（4）氣閥泄漏狀態(tài)。在排氣閥邊緣位置處用銼刀銼一個(gè)小缺口，缺口截面尺寸為0.6 mm× 1.5 mm，模擬氣閥泄漏故障。

（5）活塞-缸套間隙過大狀態(tài)。加工不同尺寸的加大缸套，與標(biāo)準(zhǔn)活塞配合，形成不同的氣缸-活塞間隙，模擬氣缸泄漏故障。正常間隙應(yīng)該≤0.45 mm，這里分別取嚴(yán)重磨損間隙（0.60 mm）和臨近報(bào)廢間隙（0.75 mm）兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

柴油機(jī)每種故障狀態(tài)都按照表1工況進(jìn)行測量。

表1 柴油機(jī)模擬故障實(shí)驗(yàn)工況表

2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測量和計(jì)算方法

柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速通過磁電傳感器測取，采用軟件計(jì)數(shù)法結(jié)合插值法進(jìn)行瞬時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算[6]。磁電式傳感器安裝在飛輪齒圈附近，固定在齒圈架上。為判斷故障缸位置，需要同步測量上止點(diǎn)信號。由于6-135柴油機(jī)沖程數(shù)為4，飛輪每轉(zhuǎn)兩圈是一個(gè)工作循環(huán)，所以本文采用的上止點(diǎn)位置確定方法如下：在供油凸輪軸相對于第一缸做功上止點(diǎn)處和飛輪相對于第一缸上止點(diǎn)刻度處各粘接一微型磁鋼，各安裝一個(gè)磁電傳感器，結(jié)合兩個(gè)上止點(diǎn)傳感器的輸出脈沖電壓，可以精確確定第一缸的做功上止點(diǎn)。

3 各狀態(tài)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號的對比

通過各種故障和工況下的模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了大量瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。以1 000 r/min、40 kW工況為例，各故障狀態(tài)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線如圖1(a)～(j)所示，其中(a)～(i)分別對應(yīng)正常、3#氣缸減油15%、3#氣缸減油20%、5#氣缸斷油、5#氣缸排氣閥間隙-1/8圈、5#氣缸排氣閥間隙-1/ 4圈、5#氣缸排氣閥泄漏、5#氣缸活塞-缸套間隙0.6 mm、5#氣缸活塞-缸套間隙0.75 mm狀態(tài)，圖(j)對應(yīng)的是一個(gè)組合故障狀態(tài)：3#、5#氣缸減油20%且4#氣缸狀態(tài)排氣閥間隙0.04 mm。其中每幅曲線都經(jīng)過了多個(gè)工作循環(huán)的同步平均，各圖橫坐標(biāo)為曲軸轉(zhuǎn)角，單位為0CA，均以1#缸做功上止點(diǎn)為起點(diǎn)，縱坐標(biāo)為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)值（瞬時(shí)轉(zhuǎn)速值減去平均轉(zhuǎn)速值），單位為r/min。

圖1 各種狀態(tài)下的柴油機(jī)單循環(huán)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線

各狀態(tài)下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)最為明顯的規(guī)律：各缸的做功沖程都對應(yīng)著一段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波峰的上升區(qū)間曲線，在不同狀態(tài)下故障缸對應(yīng)的波峰上升區(qū)間曲線與正常狀態(tài)有著規(guī)律性的差別。正常狀態(tài)下，各缸的上升幅度基本均勻一致；單缸減油15%狀態(tài)下，故障缸的上升幅度將正常狀態(tài)有降低；單缸減油20%狀態(tài)下，故障缸的上升幅度明顯降低；5#氣缸斷油狀態(tài)下，故障缸已經(jīng)完全沒有了上升幅度；排氣閥間隙-1/8圈狀態(tài)下，故障缸的上升幅度明顯降低，降低幅度大致相當(dāng)于單缸減油20%狀態(tài)；排氣閥間隙-1/4圈狀態(tài)下，故障缸的上升幅度的降低更加明顯；排氣閥泄漏狀態(tài)下，故障缸的降低程度介于排氣閥間隙-1/8圈和-1/4圈之間；活塞-缸套間隙0.6 mm、0.75 mm狀態(tài)下，故障缸對應(yīng)上升幅度與正常狀態(tài)相比有極小的下降，區(qū)別不大；3#、5#氣缸減油20%且4#氣缸狀態(tài)排氣閥間隙0.04 mm組合故障狀態(tài)下，減油故障缸上升幅度下降明顯，而排氣閥間隙異常故障缸則與1#、2#、6#非故障缸大致相同。

這說明很多早期故障發(fā)展到一定程度即可在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號中體現(xiàn)出來，而是否能體現(xiàn)關(guān)鍵在于該故障對缸內(nèi)壓力的影響程度有多大[7]。減油故障直接減少供油量，導(dǎo)致燃燒熱量減少，缸內(nèi)壓力降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明減油達(dá)到15%即可由瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號來診斷；氣閥泄漏也會(huì)直接導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣閥間隙為負(fù)值或漏氣截面達(dá)到0.9 mm2時(shí)可由瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號來診斷，而氣閥間隙為0.04 mm時(shí)則無法在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號中體現(xiàn)；活塞-缸套間隙偏大狀態(tài)下，由于活塞環(huán)的密封作用，導(dǎo)致對缸內(nèi)壓力影響不大，該故障無法在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號中體現(xiàn)。

4 故障特征指標(biāo)的提取

通過上文的分析，各氣缸做功沖程對應(yīng)的一段瞬時(shí)轉(zhuǎn)速曲線的上升幅度是一個(gè)較直接的判斷指標(biāo)。根據(jù)缸內(nèi)壓力和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，當(dāng)某一缸處于做功沖程時(shí)，曲軸處于加速狀態(tài)，該氣缸狀態(tài)越好，該沖程內(nèi)曲軸累計(jì)加速值就越高，反之就越低，所以做功沖程內(nèi)曲軸累計(jì)加速值從很大程度上反映了該氣缸的狀態(tài)。這里將某一缸做功沖程期間瞬時(shí)轉(zhuǎn)速上升值定義為該缸的升程，如圖2所示，6-135柴油機(jī)各氣缸對應(yīng)升程分別為S1～S6。將其進(jìn)行無量綱歸一化處理，把各缸升程與所有6個(gè)氣缸平均升程的比值P作為反映各缸狀態(tài)的指標(biāo)：

其中：Sn為第n缸的升程。

圖2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的故障特征提取

表2 不同故障下各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速升程歸一化比值P

計(jì)算不同狀態(tài)下各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速升程歸一化比值P，結(jié)果如表2所示。正常狀態(tài)下各缸P值比較均勻，分布在0.9～1.1之間，這也說明即使正常狀態(tài)下各缸做功能力也略有差別；所模擬的單缸減油、排氣閥泄漏的五種情況下，故障缸的P值下降明顯，均超過15%；對于嚴(yán)重故障——單缸斷油情況，故障缸的P值甚至接近零；而活塞-缸套間隙過大的磨損故障則在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號中不能得到有效體現(xiàn)，故障缸的P值幾乎沒有變化，這應(yīng)該是活塞環(huán)的密封效果造成的；最后一個(gè)組合故障情況中，減油缸的P值下降明顯，其余4個(gè)正常缸則需要多做功來抵消功率損失，導(dǎo)致另一個(gè)故障缸4#氣缸的P值為1.12，與非故障缸大致相同，這也說明排氣閥間隙略偏小的情況下無法在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號中得到有效體現(xiàn)。

經(jīng)過其他不同工況各組數(shù)據(jù)的分析，雖然變化值與表2有小范圍的個(gè)體差異，但始終保持一點(diǎn)基本規(guī)律：若某氣缸P值下降超過10%，該氣缸一定是模擬的故障缸。

5 結(jié)論

本文通過6-135型柴油機(jī)多種早期故障的模擬實(shí)驗(yàn)研究，得到了如下結(jié)論：利用柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號可以用于判斷多種早期故障，各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速升程歸一化比值P是較直接的特征參數(shù)。正常狀態(tài)下，各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速P值在0.9～1.1以內(nèi)，若某缸升程P值下降超過10%，可認(rèn)為該氣缸存在故障。該方法對于影響缸內(nèi)壓力的故障如各氣缸噴油量不均勻、氣閥泄漏等比較敏感，對于活塞-缸套間隙過大等對缸內(nèi)壓力影響程度小的故障不敏感。

［1］William J.Swanson.Determination of diesel engine cylin?der gas torques from speed fluctuations with a High-Fi?delity crankshaft torsional model［D］.Master's degree dissertation paper of United States Navy B.S.，Califor?nia Institute of Technology，1998.

［2］李可順，孫培廷，魏海軍.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號的柴油機(jī)故障診斷［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（2）：85-88.

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The Experiment Research on Early Weak Diesel Fault Diagnosis Based on Instantaneous Speed

SUN Yun-ling，TIAN Hong-xiang，WANG Sheng-jie
（Power Eng.College，Naval Univ.of Engineering，Wuhan430033，China）

Instantaneous speed signal included much working status information of diesel，and it has been used in severe misfire fault diagnosis successfully，but there is still lack of further research on early weak fault diagnosis.In this paper，several early faults are simulated in 6-135 type diesel through adjust cylinder fuel eject quantity，adjust exhaust valve clearance，simulate exhaust valve leak in differ degree.Experiment data is acquired at different running status，and instantaneous speed signal of diesel is calculated.Through analyzing the change rule of instantaneous speed signal in different status，it is found that the diesel instantaneous speed signal could be used in several early fault diagnosis，and the instantaneous speed unitary rise amplitude ratio P of every cylinder is a direct character parameter.At normal status，P value of every cylinder are in the range of 0.9～1.1.If the P value of certain cylinder descend over 10%，then it could be think as a fault cylinder.The method is sensitive to some fault which could influence gas press in cylinder such as fuel eject quantity not uniformity and valve leaking，and it is not sensitive to some fault which couldn’t influence gas press in cylinder such as cylinder liner wear.

diesel；instantaneous speed；fault diagnosis

TK268

：A

：1009－9492(2014)10－0076－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.021

孫云嶺，男，1976年生，山東臨清人，博士后，副教授。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。已發(fā)表論文20篇。

(編輯：向 飛)

2014－04－29