多諧次相位法在柴油機故障診斷上的應用

肖小勇，向陽，錢思沖，李瑞，周強

(武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢430063)

柴油機氣缸內(nèi)的燃燒情況是決定柴油機做功情況和工作性能的重要因素。傳統(tǒng)檢測缸內(nèi)燃燒情況的手段是采用氣缸壓力監(jiān)測技術，然而缸壓傳感器存在價格昂貴、安裝不便以及使用壽命較短等缺點。瞬時轉(zhuǎn)速是柴油機各激振力矩綜合作用的結(jié)果，能有效地反映缸內(nèi)燃燒情況，由于瞬時轉(zhuǎn)速傳感器安裝便捷、工作環(huán)境良好，因而在實際工作上應用較廣。目前國內(nèi)外關于瞬時轉(zhuǎn)速診斷方法較為豐富，如瞬時轉(zhuǎn)速波動增量法［1］、瞬時轉(zhuǎn)速極坐標圖法［2］、波形分析法［3-4］和單諧次扭振法［5-9］，其中波動增量法、極坐標圖法與波形分析法屬于時域分析方法，只適用于缸數(shù)較少的柴油機，而單諧次分析法只考慮單一諧次，沒有充分研究多缸故障態(tài)下方法的適用性。為了解決上述問題，作者依據(jù)內(nèi)燃機扭振理論，深入研究了瞬時轉(zhuǎn)速的諧次診斷機理，分析了單缸與多缸故障態(tài)下各諧次特征的變化規(guī)律，在理論分析和試驗研究的基礎上，明確提出了多諧次診斷規(guī)則，并成功應用于實船12缸機的故障診斷。

1 瞬時轉(zhuǎn)速諧次診斷理論

對于多缸內(nèi)燃機，激振力矩主要包括氣體力矩、重力和慣性力矩以及非均勻吸收力矩(如螺旋槳等)，上述扭振激振力矩除了重力所引起的簡諧力矩外，大多為復雜的周期力矩。根據(jù)傅里葉分析可知，任何一種周期信號都可以分解為一系列簡諧波，這樣就可以分別考慮各簡諧激振力矩對內(nèi)燃機系統(tǒng)所產(chǎn)生的激振作用，即稱之為諧次分析［10］。

根據(jù)內(nèi)燃機扭振理論，在多缸內(nèi)燃機的系統(tǒng)中，每一個氣缸就作用著一個由若干次簡諧力矩所組成的復諧力矩，假設軸系在某一振型上振動，則第v諧次激振力作用下系統(tǒng)輸入總能量為

式中:M1v，M2v，…，Mkv為各缸第v次簡諧力矩幅值;Aiv為第i缸第v次簡諧扭轉(zhuǎn)幅值;φiv為第i缸簡諧力矩與扭轉(zhuǎn)角位移之間的相位差。

通常，內(nèi)燃機各缸扭轉(zhuǎn)振幅是根據(jù)無阻尼自由振動固有振型確定，各相對扭轉(zhuǎn)振幅矢量之間不是同相位就是反相位。因此，由于發(fā)火間隔不同使得各缸激振力矩具有不同的初始相位。

若以某缸上止點為始點，并且用ξ12表示第1缸與第2缸的發(fā)火間隔角。當?shù)?曲柄轉(zhuǎn)過ωt時，第1缸的v次簡諧力矩M1與起始點的相位角為vωt+φv，而第2缸v次簡諧力矩M2與起始點的相位角為v(ωt+ ξ12)+ φv，這樣，M1與 M2之間的相位夾角為

以此類推，可知第i缸簡諧力矩Mi與M1之間的相位角為vξ1i，因此上式可化為

軸系在某振型上振動是在這一諧次下各缸簡諧力矩產(chǎn)生的簡諧振動之和，并且振動的能量全部消耗在克服阻尼做功上。通常，阻尼力矩可用阻尼系數(shù)和部件的運動速度來表示，由于阻尼力矩與振動速度反向，因此阻尼力矩可表示為

式中:C為阻尼系數(shù)，φ為部件的振動位移，q為指數(shù)，通常取1～3。

由于部件的振動位移是簡諧性的，而實際扭振系統(tǒng)大部分阻尼接近線性阻尼。因此為了簡化計算，取q=1，阻尼功可表示為

根據(jù)軸系扭振能量觀點即阻尼力矩所做功等于激振力矩輸入系統(tǒng)的總能量，結(jié)合式(3)與(5)可得

式中:φv為第v諧次各缸扭轉(zhuǎn)角矢量和，ω為角頻率，Cv是與阻尼和振型相關的常數(shù)，ξ1k為第k缸相對第1缸的發(fā)火相位差，αkv為在第v諧次下第k缸相對振動幅值。

對式(6)一次求導可得扭轉(zhuǎn)角速度或瞬時轉(zhuǎn)速的波動量:

由式(7)可知，扭轉(zhuǎn)角速度各諧次成分的幅值特性與相位特征與各缸簡諧力矩幅值、簡諧力矩與扭轉(zhuǎn)角的初始相位差、發(fā)火間隔角、發(fā)火次序以及阻尼和振型有關，而這些通常都是常量，因此內(nèi)燃機的扭轉(zhuǎn)諧次特性與激振力矩幅值以及相位角有著確定的函數(shù)關系。綜上可知，只要知道柴油機的沖程數(shù)和發(fā)火順序，就能合成扭振角速度矢量圖，并據(jù)此進行定性故障診斷。

2 柴油機故障試驗研究

正常工況下內(nèi)燃機的扭轉(zhuǎn)諧次特性會保持相對平衡狀態(tài)，如果某缸出現(xiàn)功率不足或失火故障，該缸扭轉(zhuǎn)角速度諧次幅值和相位均會發(fā)生相應的變化。為了研究故障態(tài)下瞬時轉(zhuǎn)速的幅頻特性與相頻特性，以4120SG柴油機為研究對象，進行了單缸斷油、供油提前角異常、氣閥漏氣與雙缸斷油試驗，試驗現(xiàn)場布置如圖1所示，測試平臺選用NI 9172機箱和9205電壓采集模塊，試驗同步測取了瞬時轉(zhuǎn)速、上止點以及氣缸壓力信號。

圖1 4120SG現(xiàn)場測試布置圖Fig.1 Layout of the 4120SG diesel engine testing platform

2.1 單缸失火故障

4120SG柴油機的發(fā)火順序是1-3-4-2，當某缸發(fā)生做功故障時，柴油機的動平衡會發(fā)生破壞，扭轉(zhuǎn)角速度會失去原有平衡關系，其諧次幅值和相位角會發(fā)生相應的變化，以1號缸斷油為例，圖2列舉了故障態(tài)下各諧次矢量分布情況，雖然四缸機合成2次往復慣性力不為零，但合成往復力矩會自相平衡，因此箭頭代表由氣體激振力矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)幅值，由圖2看出，1號缸斷油時各次諧波矢量和均發(fā)生變化，主諧次矢量幅值略有減小，而其余各次諧波矢量和失去原有平衡，沿失火缸反向矢量增大。

圖2 1號缸斷油狀態(tài)下各次扭轉(zhuǎn)角速度諧波矢量圖Fig.2 The vectors of each harmonic toque speed under 1#cylinder misfiring

柴油機運行在1500 r/min低負荷工況下，以50 kHz采樣率測取了不同斷油工況的瞬時轉(zhuǎn)速、4號缸的氣缸壓力與上止點信號，并利用上止點截取了25個整循環(huán)瞬時轉(zhuǎn)速差信號進行諧次分析，如圖3所示。

圖3 各缸斷油諧次圖Fig.3 Harmonic spectra of every cylinder

由圖3可知，單缸斷油時除了主諧次略微下降外，其余諧次幅值均增大，尤其是0.5次、1.0次增幅最為明顯，分別增至2和2.5，其次是1.5諧次，這與扭轉(zhuǎn)諧次矢量分析結(jié)果基本吻合?？紤]到0.5次諧波變化規(guī)律簡單，故障特征明顯，因此選用0.5次諧波幅值作為故障特征量。

然而僅利用諧次幅值譜是無法識別故障缸號，由前面扭轉(zhuǎn)角速度矢量諧次圖可知，某缸失火必然會破壞0.5諧次矢量平衡，使合矢量指向失火缸的反方向，故障缸號不同，其合矢量指向性也不同即0.5諧次相位角不同。根據(jù)扭振諧次理論可知，各故障缸的相位間隔角是按照發(fā)火間隔角固定不變的，因此只要知道某缸發(fā)生故障時相對基準上止點的相位角，就可推出其它缸發(fā)生故障的相位角，即通過檢測單缸故障時瞬時轉(zhuǎn)速0.5次諧波的相位角就可以來定位故障缸號。

試驗以1號缸發(fā)火上止點為基準，通過快速傅里葉變換分析了各缸故障態(tài)下瞬時角速度差的諧次相位特性，分析長度為25個整周期。為了使相位角反映扭轉(zhuǎn)理論正弦展開特征并指向故障缸，設φ為所測相位角，則按照180°－(90°+φ)將其進行變換，進而獲得了0.5諧次對應的相位角如表1所示。

由表1可知，單缸失火故障態(tài)下，相鄰發(fā)火缸(如1、3)的瞬時轉(zhuǎn)速相位差都接近90°，這與0.5次諧波分析理論基本吻合，因此0.5諧次相位角可用于定位失火故障缸號。

表1 實測單缸停油工況下0.5諧次瞬時速度差相位角Table 1 0.5 order phase of instantaneous speed variations under the single-cylinder fault

2.2 供油提前角與氣閥漏氣故障

如圖4所示，各故障態(tài)下0.5諧次與1.0諧次均有所增大，但增幅不大。因此從0.5和1.0諧次幅值上就反映出上述故障的嚴重程度較低。

綜上所述，對于供油提前角異常、氣閥漏氣以及單缸失火等故障，0.5次或1.0諧次幅值可以作為缸內(nèi)做功故障嚴重程度評價指標，0.5諧次相位可以用來定位失火故障缸，因此基于0.5諧次相位分析法能有效地用于單缸缸內(nèi)做功故障程度辨別以及失火故障缸的定位。

圖4 供油提前角與排氣閥漏氣諧次圖Fig.4 Harmonic spectra of advance angle and valve leakage

2.3 雙缸故障試驗

根據(jù)前面分析，0.5諧次相位分析能有效地診斷單缸故障以及定位故障缸，但對于雙缸乃至多缸故障顯然無法辨別，鑒于此，提出了基于多諧次分析的雙缸故障診斷法。根據(jù)前面扭振理論分析，繪制了4120SG型柴油機連續(xù)發(fā)火缸雙缸失火和間隔發(fā)火缸雙缸失火2種狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)角速度的諧次矢量圖，如下圖5、6所示。

由圖5 可知，雙缸連續(xù)失火時，0.5、1.5、2.5、3.5諧次失去原有平衡關系，諧次幅值會急劇增加，1.0、3.0諧次維持原有平衡，主諧次幅值稍微降低。從圖6可以看出，雙缸間隔失火狀態(tài)下，0.5、1.5、2.5、3.5諧次依然維持平衡，而1.0、3.0諧次幅值急劇增加，主諧次幅值略有降低。

圖5 1、3缸連續(xù)失火扭轉(zhuǎn)角速度各次諧波矢量圖Fig.5 Harmonic diagram under No.1 and No.3 cylinder misfire

圖6 2、3缸連續(xù)失火扭轉(zhuǎn)角速度各次諧波矢量圖Fig.6 Harmonic diagram under No.2 and No.3 cylinder misfire

為了驗證上述扭振理論分析結(jié)論，進行了組合式雙缸失火故障試驗，試驗分為連續(xù)發(fā)火雙缸失火和間隔發(fā)火雙缸失火2個類別，共4個組合。

柴油機運行在1 500 r/min低負荷工況下，試驗以1號缸發(fā)火上止點為基準，采樣率設置為50 kHz，截取了25個整周期的瞬時轉(zhuǎn)速差信號進行頻譜分析，圖7與圖8列舉了不同類別斷油組合狀態(tài)下的諧次分析圖，從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在雙缸連續(xù)失火狀態(tài)下，0.5、1.5、2.0諧次幅值較大，其中 0.5諧次最大，高達4.5，1.0、3.0諧次維持平衡，而在雙缸間隔失火狀態(tài)下，1.0次升幅顯著，高達6.5，0.5、1.5諧次保持平衡，主諧次較正常值略有下降，這與扭振矢量分析結(jié)果基本吻合。

圖7 1、2號缸斷油諧次分析圖Fig.7 Harmonic spectra of No.1 and No.2 misfire

圖8 2、3號缸斷油諧次分析圖Fig.8 Harmonic spectra of No.2 and No.3 misfire

考慮到0.5與1.0諧次幅值故障特征明顯，便于區(qū)分連續(xù)失火與間隔失火，因此可選用0.5、1.0諧次幅值作為故障特征量。然而雙缸連續(xù)失火與間隔失火的缸號組合有多種，單純靠0.5與1.0諧次幅值還是無法定位故障缸。根據(jù)扭轉(zhuǎn)矢量分析可知，雙缸故障的諧次相位角特征與組合形式有關，因此選用0.5諧次與1.0諧次相位角分別用來辨別雙缸連續(xù)失火與間隔失火缸號，試驗分析結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，1、2雙缸失火0.5諧次相位超前3、4缸失火相位170.53°，1、4雙缸失火1.0諧次相位與2、3缸失火相位相差171.05°，雙缸失火與相應單缸失火的相位間隔45°的整數(shù)倍左右，這與扭轉(zhuǎn)矢量圖分析基本吻合，以此類推，其他故障組合也能獲得一致性結(jié)果，即通過提取0.5與1.0諧次幅值和相位角就可辨別雙缸失火故障缸。

綜上所述，0.5諧次與1.0諧次幅頻特性與相頻特性具有明顯的雙缸失火特征，綜合0.5與1.0諧次幅值就能區(qū)分是雙缸連續(xù)失火還是雙缸間隔失火，再根據(jù)0.5諧次相位與1.0諧次相位就可以定位故障缸號，以雙缸故障類推，多缸故障也能得到一致性結(jié)論?？偠灾?.5與1.0諧次相位分析法不僅是理論與實踐的結(jié)合，而且在一定程度上突破了傳統(tǒng)觀念的診斷思維，建立了精確的定位診斷理念，為柴油機的故障診斷提供了強有力的支撐。

表2 雙缸故障諧次特征值Table 2 The harmonic characteristic under two different combination cylinders misfiring

3 瞬時轉(zhuǎn)速諧次診斷規(guī)則

針對上述4120SG型柴油機的試驗研究分析，提出了基于0.5與1.0諧次相位分析法的故障診斷規(guī)則(如圖9所示)，根據(jù)內(nèi)燃機扭轉(zhuǎn)諧次分析理論可知，對于單缸做功故障，主要依據(jù)0.5諧次幅值和相位信息，1.0諧次因機型而異，可以作為輔助判斷信息。一般來講，基于0.5諧次相位分析法能適用于不同類型柴油機的單缸與0.5階非對角發(fā)火雙缸的故障診斷，而對于對角發(fā)火雙缸的故障診斷則與機型和缸數(shù)有關，圖中所提間隔發(fā)火雙缸的診斷規(guī)則只適用于4缸機。

圖9 基于0.5、1.0諧次相位法的故障診斷流程Fig.9 The harmonic phase diagnosis rule of 0.5 and 1.0

4 瞬時轉(zhuǎn)速諧次相位診斷法的應用

船舶柴油機是整個船舶的核心動力設備，對其進行在線監(jiān)測與故障診斷，能及時有效地避免故障的發(fā)生，保證柴油機的正常運行。瞬時轉(zhuǎn)速診斷法由于具備傳感器安裝簡單、工作時間長以及抗干擾能力強等優(yōu)點，因而廣泛地應用于實船柴油機的故障診斷。該船配備4臺12V280型號柴油機，瞬時轉(zhuǎn)速傳感器正對飛輪齒安裝，上止點傳感器以B6缸為基準，正對飛輪側(cè)面上的尖劈安裝，柴油機基本技術參數(shù)信息如表3所示。為了檢驗諧次相位法在實船上的應用，對12V280型號柴油機進行了單缸停油與雙缸停油試驗。發(fā)火次序:A1-B6-A5-B2-A3-B4-A6-B1-A2-B5-A4-B3。

表3 12V280型柴油機主要技術參數(shù)Table 3 The main technical parameters of the marine diesel engine

試驗以51.2 kHz采樣率分別測取了1000 r/min、25%負荷正常工況與故障工況的瞬時轉(zhuǎn)速與上止點信號，諧次數(shù)據(jù)分析長度為20個整循環(huán)。

由圖11可知，12缸機的瞬時轉(zhuǎn)速時域波形較為復雜，并沒有出現(xiàn)12次波動，因此從時域波形上不能有效地進行故障定位診斷，但從諧次譜上可以明顯看出正常態(tài)與故障態(tài)下0.5諧次與1.0諧次的變化，尤其是前者變化較大，特征明顯，如下圖12所示。

圖11 正常工況下時域圖及對應諧次譜Fig.11 Normal IAS time waveform and harmonic spectra

圖12 失火諧次譜Fig.12 Harmonic spectra of misfire

表4列舉了各缸斷油工況下瞬時轉(zhuǎn)速0.5諧次幅值、1.0諧次幅值以及0.5諧次相位的變化情況。

表4 單缸與雙缸停油故障瞬時轉(zhuǎn)速特征值Tab le 4 The analysis results of single-cylinder and two combustion cylinder misfire

表4中0.5諧次幅值均較正常值大，單缸斷油達0.21，而雙缸斷油幅值達0.38，1.0諧次變化并不顯著，因此根據(jù)0.5諧次幅值可判斷故障的嚴重程度。然而，僅靠0.5次幅值還不能準確定位故障類型和故障缸號，為此，表中列舉了各缸相對基準缸的失火相位差，從表中可知，在失火故障態(tài)，相鄰發(fā)火缸失火相位相差30°左右，雙缸失火相位與相應單缸失火相位相差15°，上述結(jié)果與諧次矢量理論分析結(jié)論基本吻合。

5 結(jié)束語

0.5諧次相位分析法對于12缸柴油機具有良好的診斷效果，能有效地辨別單缸與0.5階非對角發(fā)火雙缸故障，并準確地定位故障缸號，以此類推，0.5諧次相位分析法也能適用于0.5階非對角發(fā)火的多缸做功故障，對于矢量圖中對角布置的多缸做功故障，只要進行相關的諧次矢量合成分析，仍然可以得到對應的諧次診斷規(guī)則，由此可知，基于瞬時轉(zhuǎn)速的諧次相位分析法能有效地識別故障嚴重程度和定位失火故障缸，但對于輕微類做功故障的辨別還需要結(jié)合其他診斷方法(如缸蓋振動診斷技術、熱力參數(shù)診斷技術、智能診斷技術等)，形成多參數(shù)多方法的綜合診斷技術，進一步提高診斷的可靠性。

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