根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與沖擊信號(hào)診斷柴油機(jī)故障的方法

高志龍，霍柏琦，唐松林，么子云，張進(jìn)杰

（1.高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京化工大學(xué)，北京 100029；2.海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161；　3.中石油云南石化有限公司，昆明 650300）

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根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速與沖擊信號(hào)診斷柴油機(jī)故障的方法

高志龍1，霍柏琦2，唐松林3，么子云1，張進(jìn)杰1

（1.高端機(jī)械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京化工大學(xué)，北京 100029；2.海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161；3.中石油云南石化有限公司，昆明 650300）

建立多缸柴油機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型，理論上模擬柴油機(jī)正常以及異常發(fā)火情況下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖，分析其故障特征。以WP10.340E32型柴油機(jī)為研究對(duì)象，搭建柴油機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及柴油機(jī)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，模擬、捕捉柴油機(jī)單缸不點(diǎn)火故障。從得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速、特定相位缸體振動(dòng)信號(hào)入手，對(duì)比正常情況下信號(hào)特征，分析失火故障與特征信號(hào)的內(nèi)在聯(lián)系。通過仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明瞬時(shí)轉(zhuǎn)速結(jié)合振動(dòng)沖擊相位信號(hào)可有效識(shí)別柴油機(jī)失火故障并且能準(zhǔn)確定位故障缸所在位置，從而實(shí)現(xiàn)診斷過程的簡化。

振動(dòng)與波；柴油機(jī)；失火；瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；發(fā)火相位沖擊；故障診斷

柴油機(jī)作為最常用的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備之一，在船舶、車輛、各類工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)中發(fā)揮重要作用。其部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，往往會(huì)停工停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至使得關(guān)鍵設(shè)備受損，危及人身安全。

柴油機(jī)故障診斷一直以來都是研究的熱點(diǎn)。目前，診斷方法主要有以下幾種：通過儀表監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的油溫、水溫、壓力等熱力性能參數(shù)［1］；應(yīng)用信號(hào)處理方法對(duì)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)、動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行分析，通過信號(hào)特征的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)［2］；應(yīng)用油液分析技術(shù)，定期對(duì)潤滑油中金屬微粒成分、含量及顆粒度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)機(jī)體內(nèi)部磨損程度和磨損部位做出判定［3］。失火是柴油機(jī)常見故障之一，對(duì)于動(dòng)力輸出、扭矩傳遞、軸系受力平衡有嚴(yán)重影響。柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速可反映機(jī)組輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況，借此可得知各個(gè)氣缸燃燒做功情況［4］；缸體振動(dòng)信號(hào)中蘊(yùn)含著大量機(jī)器運(yùn)行信息，是柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)最直觀的特征信號(hào)［5］。目前，柴油機(jī)失火故障監(jiān)測(cè)方法中應(yīng)用較廣泛的主要有發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)方法、缸內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)法和火花塞離子流監(jiān)測(cè)法等［6］。缸內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)法需要在缸內(nèi)安裝動(dòng)態(tài)壓力傳感器，成本較高，安裝不便，對(duì)于一般的機(jī)組無法推廣使用；而火花塞離子流監(jiān)測(cè)僅適用于汽油機(jī)，柴油機(jī)屬壓燃機(jī)，沒有火花塞，無法使用該方法。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)方法最常用，其信號(hào)提取容易，但發(fā)動(dòng)機(jī)工況復(fù)雜多變，轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻繁，容易造成誤判。

文中通過理論分析與仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，研究多缸柴油機(jī)正常與失火故障情況下缸體振動(dòng)特定相位沖擊信號(hào)以及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖。并將二者進(jìn)行對(duì)比，得出發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的一般規(guī)律現(xiàn)象，并將該規(guī)律應(yīng)用于柴油機(jī)故障在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，取得到較好的實(shí)驗(yàn)效果，可對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)失火故障的診斷提供相關(guān)參考。

1　理論及數(shù)學(xué)模型分析

1.1柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型簡化

在發(fā)動(dòng)機(jī)的理論模型中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是分析其動(dòng)力學(xué)性能的重要部分，其中活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，連桿作平面運(yùn)動(dòng)，曲軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。忽略活塞與缸壁之間的摩擦力，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單缸內(nèi)作用在活塞上的力主要有：往復(fù)慣性力Pj，氣體作用力Pg。曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析如圖1所示。

圖1　柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析

1.2活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

設(shè)x為活塞位移（上止點(diǎn)位置為起點(diǎn)），ν為活塞速度，則有

1.3瞬時(shí)轉(zhuǎn)速仿真簡化模型計(jì)算原理

將式（1）、式（10）分別代入式（4）后化簡可得

A為活塞燃燒室作用面積，以單缸柴油機(jī)為例，根據(jù)簡化柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，可以得到運(yùn)動(dòng)方程為［7］

式中θ為曲軸轉(zhuǎn)角；TL為負(fù)載力矩；TX為總切向力矩；I0為柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在柴油機(jī)穩(wěn)定工況下TL=-TX。由連桿、活塞機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系，多缸機(jī)的動(dòng)力方程為

其中i為氣缸號(hào)；n為氣缸數(shù)量；pi為第i缸曲軸轉(zhuǎn)角θ時(shí)的氣體壓力；?i為第i缸點(diǎn)火角度；m為往復(fù)質(zhì)量

上式中d·θ/dθ為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，表示柴油機(jī)在一個(gè)較小曲柄轉(zhuǎn)角內(nèi)的角速度平均值［8］，恒定工況下ω為常量，故瞬時(shí)轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)，呈現(xiàn)周期性變化。通過觀察瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大小，可初步判斷柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒是否正常。

2　三維實(shí)體建模及仿真

2.1PRO/E與Adams聯(lián)合仿真

以TBD620V16型號(hào)的V型16缸柴油機(jī)為建模仿真對(duì)象。首先在PRO/E中建立柴油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)三維實(shí)體零件模型，主要包括：飛輪、曲軸、活塞連桿組件以及正時(shí)齒輪系。其中，正時(shí)齒輪系包括曲軸傳動(dòng)齒輪、凸輪軸傳動(dòng)齒輪、冷卻水泵傳動(dòng)齒輪、潤滑油泵傳動(dòng)齒輪等8個(gè)齒輪部件。然后把裝配好的模型以實(shí)體格式導(dǎo)入到Adams軟件中，按照實(shí)體運(yùn)動(dòng)形式在導(dǎo)入的模型上添加齒輪副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、固定副等運(yùn)動(dòng)副。裝配好的三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2　TBD620V16傳動(dòng)系統(tǒng)三維圖

2.2單缸氣體壓力模擬

利用AVL BOOST建立工作過程模型，根據(jù)該柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)（如表1所示）通過軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，最后模擬得到額定工況下單缸氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線［9］。

表1　TBD620柴油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及沖擊信號(hào)模擬

將模擬得到的氣體壓力變化曲線，按照式（13）建立驅(qū)動(dòng)力矩函數(shù)，并添加到Admas所建立的三維實(shí)體模型中。在上述驅(qū)動(dòng)力矩作用下，模擬TBD620V16柴油機(jī)額定工況下，工作一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的波動(dòng)情況以及發(fā)火相位上振動(dòng)沖擊隨曲軸轉(zhuǎn)角變化情況。模擬得到正常情況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及振動(dòng)沖擊波形如圖3所示；B2缸單缸失火故障情況下，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及振動(dòng)沖擊波形如圖4所示。

圖3　額定工況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及缸體振動(dòng)波形圖

圖4　B2缸失火情況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及振動(dòng)沖擊波形圖

TBD620V16柴油機(jī)按照A1—B2—A6—B5—A8—B7—A3—A7—B6—A4—B8—A2—B3—A5—B1—B4的點(diǎn)火順序依次做功，且相鄰兩個(gè)點(diǎn)火缸之間相位相差45°。從圖上可知：

（1）正常點(diǎn)火情況下，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和相位振動(dòng)沖擊波形圖上均能看到16個(gè)點(diǎn)火波峰。

（2）相比正常情況，B2缸失火時(shí)在曲軸轉(zhuǎn)角為40°—100°范圍內(nèi)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形出現(xiàn)凹陷（見圖4中黑色圓圈部分）。

（3）相比正常情況，B2缸失火時(shí)在40—100°區(qū)域內(nèi)，發(fā)火相位振動(dòng)沖擊波形峰值明顯小于波形圖上其他點(diǎn)火相位峰值（見圖4中黑色圓圈部分）。

分析可知，波形圖上每一個(gè)波峰分別代表相應(yīng)氣缸發(fā)火沖擊。B2缸的點(diǎn)火相位為45°，位于40—100°相位范圍，屬于其做功沖程。B2缸失火可導(dǎo)致瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形在其點(diǎn)火相位附近出現(xiàn)異常凹陷，且振動(dòng)沖擊加速度波形同樣在該點(diǎn)火相位處發(fā)生凹陷。

3　柴油機(jī)失火故障實(shí)驗(yàn)研究

3.1故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

以WP10.340型柴油機(jī)為主體搭建發(fā)動(dòng)機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)，并采集故障特征參數(shù)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由柴油機(jī)、中冷器、渦輪增壓器及其附屬設(shè)備組成。柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，主要參數(shù)如表2所示。

圖5　故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表2　柴油機(jī)主要參數(shù)

3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和缸體振動(dòng)信號(hào)，搭建一個(gè)具備軟硬件的數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器、顯示器以及數(shù)據(jù)采集軟件組成，具體配置如表3所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)及傳感器布置如圖6所示。

表3　實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置

圖6　系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置圖

通過電渦流傳感器來實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。具體做法是：將電渦流傳感器通過螺母、墊片固定到柴油機(jī)機(jī)體上的預(yù)留孔中，使傳感器探頭正對(duì)著發(fā)動(dòng)機(jī)同軸聯(lián)接的啟動(dòng)飛輪齒圈。用電渦流傳感器傳送出轉(zhuǎn)角信號(hào)，然后用計(jì)數(shù)器記錄轉(zhuǎn)角信號(hào)之間的時(shí)間間隔，用每一角度分辨率下的平均轉(zhuǎn)速近似代替瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；通過加速度傳感器來測(cè)量振動(dòng)沖擊相位信號(hào)。具體做法是：在柴油機(jī)每個(gè)缸的缸體上方加裝一個(gè)加速度傳感器，根據(jù)振動(dòng)傳遞規(guī)律，各個(gè)傳感器測(cè)得的最大振動(dòng)沖擊即為其所在位置缸的點(diǎn)火爆發(fā)沖擊。結(jié)合鍵相信號(hào)標(biāo)記的起始缸活塞上止點(diǎn)位置以及柴油機(jī)的點(diǎn)火順序即可得到振動(dòng)沖擊相位信號(hào)。

傳感器采集到的物理信號(hào)，通過數(shù)采器進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器上，再經(jīng)過數(shù)采軟件、中間軟件最終顯示到電腦客戶端上?？蛻舳司哂袛?shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理功能，可顯示機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)圖、歷史比較圖，進(jìn)行頻譜、功率分析等?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3故障模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.3.1故障模擬實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用的是6缸直列式柴油機(jī)，噴油泵上每個(gè)汽缸都單獨(dú)對(duì)應(yīng)有一個(gè)噴油孔。任選一缸，采用單缸斷油法模擬其失火故障。以6號(hào)缸為例模擬失火故障，開展實(shí)驗(yàn)。圖7為正常點(diǎn)火情況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)圖與缸體振動(dòng)波形圖。圖8為單缸失火情況時(shí)低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖與缸體振動(dòng)波形圖。

3.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

六缸柴油機(jī)的點(diǎn)火順序?yàn)?-5-3-6-2-4，相鄰點(diǎn)火缸之間有120°相位差。對(duì)比分析可得：

（1）正常工作情況下，柴油機(jī)輸出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以及缸體振動(dòng)沖擊均能看到間隔120°相位的6個(gè)點(diǎn)火沖擊波。

（2）不同工況下，單缸失火對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形圖都出現(xiàn)抖動(dòng)且第四個(gè)波峰出現(xiàn)明顯削峰現(xiàn)象，該位置為6號(hào)缸點(diǎn)火相位處。

（3）單缸失火情況下，不同缸的振動(dòng)波形圖中第四個(gè)沖擊缺失，正對(duì)應(yīng)6號(hào)缸點(diǎn)火相位處。

圖7　正常點(diǎn)火情況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及6號(hào)缸振動(dòng)波形圖

圖8　單缸失火情況下不同轉(zhuǎn)速時(shí)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及缸體振動(dòng)圖

分析可知，缺失的波峰是由于6號(hào)缸失火造成。故根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波形以及振動(dòng)沖擊相位波形圖變化情況可以判斷柴油機(jī)失火故障并準(zhǔn)確定位故障缸位置。這與理論模擬結(jié)論是一致的。

4　結(jié)語

首先通過理論分析研究柴油機(jī)力學(xué)模型，推導(dǎo)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速表達(dá)式，從理論上證明了瞬時(shí)轉(zhuǎn)速可反映缸內(nèi)燃燒做功情況。然后建立復(fù)雜多缸柴油機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得出了瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以及缸體振動(dòng)波形圖在失火情況下的故障特征。最后，搭建故障模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法對(duì)于一般多缸柴油機(jī)的有效性。得到的主要結(jié)論如下：

（1）建立復(fù)雜多缸柴油機(jī)模型，仿真模擬正常及失火故障情況下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及缸體振動(dòng)波形圖，證明了瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及缸體振動(dòng)對(duì)于失火類故障診斷、準(zhǔn)確定位的有效性。

（2）搭建的柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，為基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及缸內(nèi)發(fā)火相位上振動(dòng)沖擊信號(hào)的柴油機(jī)失火故障診斷方法的實(shí)際應(yīng)用打下了一定基礎(chǔ)。

［1］盧志美，曹熙武，梁進(jìn)奕，等.柴油機(jī)智能故障診斷技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.裝備制造技術(shù)，2010（1）：107-109.

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Study on Fault Diagnosis Method for Diesel Engines Based on Instantaneous Speed and Impact Signal

GAO Zhi-long1，HUO Bai-qi2，TANG Song-lin3，YAO Zi-yun1，Zhang Jin-jie1

（1.Beijing Key Laboratory of Health Monitoring Control and Fault Self-recovery for High-end Machinery，Beijing University of Chemical Technology，Beijing，100029，China；2.NavalAcademy ofArmament，Beijing 100161，China；3.Petro China Yunnan Petrochemical Co.Ltd.，Yunnan 650300，China）

A three-dimensional solid model of a multi-cylinder diesel engine is established.The instantaneous speed waveform diagrams under normal and abnormal combustion situations are simulated.The fault characteristics are analyzed. With the WP10.340E32 diesel engine as the object，a test bench for diesel engine fault simulation is built，and an on-line monitoring system for monitoring the operation condition of the engine is established to simulate and capture misfire fault of the diesel engine.Comparing the normal signals with the abnormal signals of the acquired instantaneous speed and cylinder vibration signals，the internal relation between the misfire fault and the characteristics signals is analyzed.The simulation and experimental results show that the combination of the instantaneous speed with the vibration signals can effectively identify the misfire fault of the diesel engine and locate the faulty cylinder accurately.And the diagnostic process is also simplified.

vibration and wave；diesel engine；misfire；instantaneous speed；impact of firing phase；fault diagnosis

TH165+.3

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.033

1006-1355（2016）04-0156-05+182

2016-01-21

973計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012CB026005）；863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014AA041806）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（JD1506）

高志龍（1989-），男，陜西省漢中市人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能在線監(jiān)測(cè)及故障診斷。

張進(jìn)杰，男，博士后，研究方向?yàn)橥鶑?fù)機(jī)械故障監(jiān)測(cè)診斷與節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)。E-mail:zjj87427@163.com