0.5諧次相位在非均勻發(fā)火柴油機(jī)故障定位上的應(yīng)用研究

袁 揚(yáng)，向 陽，王 帥

（1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063）

0.5諧次相位在非均勻發(fā)火柴油機(jī)故障定位上的應(yīng)用研究

袁 揚(yáng)1,2，向 陽1,2，王 帥1,2

（1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063）

為探究非均勻發(fā)火多缸柴油機(jī)燃燒故障的診斷和定位方法，以軸系扭振理論為基礎(chǔ)，首先分析非均勻發(fā)火柴油機(jī)諧波相位與發(fā)火間隔角的關(guān)系。接著基于AVL-EXCITE建立以50°/70°間隔發(fā)火的某V12柴油機(jī)軸系扭振集總參數(shù)計(jì)算模型，并設(shè)置不同負(fù)荷下各缸單缸失火故障，仿真計(jì)算其0.5諧次的相位和幅值，然后對(duì)該V12柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。仿真計(jì)算結(jié)果和部分缸失火故障試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明該V12機(jī)的0.5諧波相位以25°/35°交替轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了理論分析的正確性?；诖颂岢龈鶕?jù)0.5諧次幅值判斷有無故障、A1缸基準(zhǔn)相位差定位故障位置的故障診斷規(guī)則。

振動(dòng)與波；0.5諧次相位；非均勻發(fā)火；扭振；故障定位

柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒情況是其做功性能和工作性能的根本決定因素，直接決定了柴油機(jī)的工作狀態(tài)是否正常。監(jiān)測(cè)缸內(nèi)燃燒狀況最直接有效的方法是測(cè)取缸壓信號(hào)，然而缸壓傳感器存在價(jià)格昂貴、安裝不便、安裝需破壞柴油機(jī)原本結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境惡劣、使用壽命較短等缺點(diǎn)[1]。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)呐ふ竦慕嵌确从沉瞬裼蜋C(jī)缸內(nèi)燃燒情況，本質(zhì)上是發(fā)動(dòng)機(jī)軸系扭振在飛輪處的體現(xiàn)[2，10]。因此，可以通過瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)來完成對(duì)缸內(nèi)燃燒情況的監(jiān)測(cè)診斷。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速診斷方法較為繁多，如瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)增量法、瞬時(shí)轉(zhuǎn)速極坐標(biāo)圖法、波形分析法和單諧次扭振法等等[3-8]。目前的研究主要是針對(duì)各缸均勻發(fā)火的柴油機(jī)，有關(guān)多缸機(jī)尤其是V型機(jī)非均勻發(fā)火的研究相對(duì)較少。本文通過理論分析和仿真計(jì)算對(duì)非均勻發(fā)火的某V12柴油機(jī)0.5諧波幅值相位在缸內(nèi)燃燒故障診斷和定位方面開展研究，提出非均勻發(fā)火柴油機(jī)0.5諧次診斷規(guī)則，并對(duì)部分缸斷油來設(shè)置失火故障進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了理論分析和仿真計(jì)算的正確性。

1 諧次診斷理論

正常工況下，缸數(shù)較少、發(fā)火均勻的柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的波動(dòng)個(gè)數(shù)等于其缸數(shù)，在頻域內(nèi)只有其發(fā)火頻率的整數(shù)倍頻處諧波幅值相對(duì)較大，其他諧波幅值等于或接近于零；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的時(shí)域信號(hào)波動(dòng)和各諧次幅值相位會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，可據(jù)此來分析缸內(nèi)的燃燒情況以及定位故障缸位置所在，這就是基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的診斷機(jī)理。但對(duì)于缸數(shù)較多、發(fā)火間隔角不均勻的柴油機(jī)，在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)其瞬時(shí)轉(zhuǎn)速時(shí)域波動(dòng)個(gè)數(shù)不再與發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)一致；并且由于缸數(shù)的增加，發(fā)火間隔角的非均勻性使曲軸變得更為復(fù)雜，在頻域內(nèi)的診斷規(guī)律較之前的有所不同，這使得基于波形分析的診斷方法不再直接適用。

對(duì)于多缸內(nèi)燃機(jī)，激振力矩主要包括氣體力矩、負(fù)載力矩和往復(fù)慣性力矩。由柴油機(jī)的工作特性可知，激振力矩是周期性變化的復(fù)雜力矩。將其展開成傅里葉級(jí)數(shù)，可以得到一系列簡(jiǎn)諧力矩，可根據(jù)各簡(jiǎn)諧激振力矩對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的激振作用來分析激振力矩，也就是諧次分析。

圖1是柴油機(jī)單缸簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型。

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖

圖中R為曲柄半徑；L為連桿長(zhǎng)度；λ為曲柄連桿比；D為氣缸直徑；θ為曲柄轉(zhuǎn)角；ω為角速度；Pg為氣缸壓力。

根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性可以得到氣體激勵(lì)力矩

以θ為變量展開成傅里葉級(jí)數(shù)，可得

式中T0為氣體激勵(lì)力矩產(chǎn)生的平均扭矩；n為諧次（n=0,1,2,3…）；Tn為n諧次力矩的幅值；an、bn為傅里葉系數(shù)；ψn為n諧次力矩的初相位。

對(duì)二沖程機(jī)而言，一個(gè)工作循環(huán)是一周，所以其基頻等于轉(zhuǎn)頻；對(duì)于四沖程機(jī)，一個(gè)完整的工作循環(huán)是兩周，所以其基頻是轉(zhuǎn)頻的一半，即存在0.5諧次。對(duì)于四沖程機(jī)上式可改寫為

激振力矩使曲軸產(chǎn)生兩種運(yùn)動(dòng)：勻速旋轉(zhuǎn)；在各諧次力矩作用下以不同頻率扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。瞬時(shí)轉(zhuǎn)速實(shí)質(zhì)上就是這兩種運(yùn)動(dòng)的合成。

以上討論的是單缸的激振力矩，多缸柴油機(jī)工作過程就是把各缸的氣體力矩按著一定的相位（發(fā)火順序）進(jìn)行整合。將同諧次各缸的激振力用矢量表示出來并進(jìn)行合成，根據(jù)合成矢量的幅值、相位進(jìn)行故障判斷和定位，這是諧次分析法故障監(jiān)測(cè)診斷的基本手段。

2 非均勻發(fā)火機(jī)型諧次相位分析

均勻發(fā)火的柴油機(jī)在特定諧次疊加時(shí)相鄰發(fā)火缸的諧波相位差是一樣的，非均勻發(fā)火的柴油機(jī)其相鄰發(fā)火缸的同一諧波相位差因發(fā)火間隔角而異，具體分析如下：

圖2 物理相位與諧波相位關(guān)系圖

相鄰發(fā)火兩缸產(chǎn)生的氣體力矩（其物理相位差等于該兩缸發(fā)火間隔角）分別按傅里葉級(jí)數(shù)展開并提取0.5諧次和1諧次進(jìn)行分析[5]。由圖2可以看出，0.5諧次的一個(gè)完整波形對(duì)應(yīng)的物理相位是720°；1.0諧波的一個(gè)完整波形對(duì)應(yīng)的物理相位是360°。任意諧次所對(duì)應(yīng)的一個(gè)完整波形的諧波相位都是360°。依照這種分析規(guī)律可以得到物理相位（發(fā)火間隔角）與諧波相位的關(guān)系（以發(fā)火間隔角為175°的相鄰兩缸為例）：

根據(jù)發(fā)火間隔角與某諧次下的諧波相位的關(guān)系可知，發(fā)火不均勻的柴油機(jī)在發(fā)火間隔角為δ時(shí)，k諧次的諧波相位為k δ；發(fā)火間隔角為θ時(shí)，k諧次的諧波相位為k θ。這是非均勻發(fā)火多缸機(jī)諧波相位的一般規(guī)律，也是利用諧次相位法對(duì)非均勻發(fā)火多缸機(jī)進(jìn)行故障診斷定位的基礎(chǔ)。

依據(jù)諧次相位理論，正常穩(wěn)定工作時(shí)，除了激勵(lì)力矩主頻和共振頻率外，軸系各諧次扭矩會(huì)保持平衡，即諧次幅值等于或接近于0（如圖3）。

圖3 無故障時(shí)0.5諧次相位矢量表示圖

當(dāng)某一缸燃燒發(fā)生故障時(shí)，原來的平衡就會(huì)被打破，各諧次幅值和相位發(fā)生相應(yīng)的變化（如圖4）。

圖4 A2缸失火時(shí)0.5諧次相位矢量表示圖

對(duì)這些變化進(jìn)行研究可以實(shí)現(xiàn)故障的診斷和定位。通常低諧次有故障時(shí)幅值變化較為明顯，并且大于等于1的諧波相位在一個(gè)工作循環(huán)中，同一個(gè)相位對(duì)應(yīng)不止1個(gè)缸的信息，理論上無法對(duì)故障缸進(jìn)行定位。因此只有采用0.5諧次相位才能進(jìn)行故障定位。本研究所用的V12機(jī)型是四沖程機(jī)，采用其0.5諧次進(jìn)行診斷和定位。

對(duì)于該V12機(jī)，各缸物理參數(shù)和燃燒過程基本一致，發(fā)火順序是A1-B6-A5-B2-A3-B4-A6-B1-A2-B5-A4-B3，發(fā)火間隔角為50°/70°。根據(jù)諧波相位的一般規(guī)律知，發(fā)火間隔角為50°時(shí)，0.5諧次相位角是25°；發(fā)火間隔角為70°時(shí)，其0.5諧次相位角是35°。所以0.5諧次相位25°/35°交替變換，這是此V12型發(fā)動(dòng)機(jī)故障定位的依據(jù)。

3 V12 機(jī)故障仿真與試驗(yàn)研究

根據(jù)該V12柴油機(jī)的參數(shù)建立軸系扭振計(jì)算Excite模型如圖5所示。

圖5 V12扭振計(jì)算Excite模型

仿真計(jì)算1 000 r/min下10%和50%負(fù)荷正常工況的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和諧次譜，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)所計(jì)算的進(jìn)行對(duì)比，仿真、試驗(yàn)結(jié)果見圖6-圖9。

圖6 10%負(fù)荷下仿真瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及諧次譜

圖7 10%負(fù)荷下實(shí)測(cè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及諧次譜

圖8 50%負(fù)荷下仿真瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及諧次譜

由仿真、試驗(yàn)可知，在發(fā)火頻率以下，只有0.5、1、4、5、5.5諧次振幅矢量和達(dá)到平衡，其他諧次由于次諧共振平衡被打破。利用這些諧次的幅值都可以進(jìn)行故障診斷，利用0.5諧次的相位可以進(jìn)行故障定位。從仿真數(shù)據(jù)上看，正常工作時(shí)0.5諧次的幅值很小，理論上無論幅值還是相位都應(yīng)該為零，但實(shí)際中各缸的氣體力矩還是存在有一定的大小差異，這使得正常工況下0.5諧次的幅值并不為零。從仿真數(shù)據(jù)中還可以看出發(fā)火相鄰的兩缸的0.5諧波相位（表中絕對(duì)間隔角）以25°/35°交替變換，這與前文分析的非均勻發(fā)火柴油機(jī)諧波相位一致。根據(jù)10%和50%負(fù)荷下仿真與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比可知依據(jù)柴油機(jī)參數(shù)所建立的Excite模型能夠反映柴油機(jī)的實(shí)際工作情況，此仿真模型有效。在此基礎(chǔ)上，依次從10%負(fù)荷到100%負(fù)荷分別仿真正常工作和各缸失火故障并提取相應(yīng)的幅值和相位。

圖9 50%負(fù)荷下實(shí)測(cè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速及諧次譜

基于仿真所得的數(shù)據(jù)分別作出不同缸失火以及無故障時(shí)0.5諧次幅值隨負(fù)荷變化的曲線見圖10，相位隨負(fù)荷變化的曲線見圖11，基于A1缸失火的0.5諧次A1缸相位差隨負(fù)荷的變化曲線見圖12。

圖10 0.5諧次幅值隨負(fù)荷變化圖

圖11 0.5諧次相位隨負(fù)荷變化圖

圖12 0.5諧次A1缸基準(zhǔn)相位差隨負(fù)荷變化圖

由圖10可知，0.5諧次的幅值在有無故障的區(qū)別還是比較明顯的，故可以通過該幅值判斷有無故障存在；由圖11可以看出，0.5諧次的相位隨著負(fù)荷的增加有少許的變化，這是因?yàn)樨?fù)荷的增加會(huì)使曲軸的扭轉(zhuǎn)角度有一定程度的增加，這在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速諧次分析時(shí)會(huì)對(duì)0.5諧次相位產(chǎn)生一定的影響，因此僅利用0.5諧次的相位進(jìn)行故障定位可信度存在一定問題；而同一負(fù)荷不同工況下曲軸的扭轉(zhuǎn)角基本保持不變，故其相互間的相位差也基本保持不變，也就是說以某一缸故障時(shí)相位為基準(zhǔn)的基準(zhǔn)相位差幾乎不隨負(fù)荷變化(如圖12)。所采取的0.5諧次A1缸基準(zhǔn)相位差即實(shí)際所提取的0.5諧次相位與A1缸失火故障發(fā)生時(shí)所提取的0.5諧次相位的差值，各個(gè)故障缸的這個(gè)值不會(huì)隨負(fù)荷而變；故可以以A1缸基準(zhǔn)相位差為故障定位特征值進(jìn)行故障定位。本文提出了利用0.5諧次A1缸基準(zhǔn)相位差為故障定位特征值來定位故障的故障定位方法。

為進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)該V12機(jī)部分缸進(jìn)行單缸斷油來模擬失火故障，試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)以及磁電傳感器安裝見圖13，處理后所得數(shù)據(jù)見表1。

圖13 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)幅值：?jiǎn)胃资Щ鸸收习l(fā)生時(shí)，0.5諧次的幅值變?yōu)檎顟B(tài)下的兩倍有余；試驗(yàn)數(shù)據(jù)相位：絕對(duì)間隔角與理論分析的25°/35°和仿真計(jì)算得到的數(shù)值基本一致，為V12機(jī)故障定位提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。僅從0.5諧次相位上看仿真和故障試驗(yàn)的結(jié)果是有些差異的，但從A1缸基準(zhǔn)相位差上來看仿真和試驗(yàn)結(jié)果出入不大，因此可以根據(jù)0.5諧次下的幅值判定有無故障、依據(jù)A1缸基準(zhǔn)相位差來定位失火故障缸的位置。

表1 部分缸失火實(shí)測(cè)0.5諧次數(shù)據(jù)

圖14 非均勻發(fā)火柴油機(jī)故障診斷流程

4 非均勻發(fā)火柴油機(jī)故障診斷規(guī)則

根據(jù)V12非均勻發(fā)火機(jī)型的理論分析、仿真計(jì)算和故障試驗(yàn)研究，提出了利用0.5諧次幅值判定有無故障、A1缸基準(zhǔn)相位差定位故障所在的非均勻發(fā)火諧次診斷規(guī)則。此規(guī)則適用于單缸燃燒故障的判定和定位。

5 結(jié)語

0.5 諧次相位分析法對(duì)于柴油機(jī)具有良好的診斷效果。根據(jù)0.5諧次的幅值來判斷是否有故障存在，如有故障存在則根據(jù)其0.5諧次A1缸基準(zhǔn)相位差進(jìn)行故障定位。由于V12機(jī)發(fā)火間隔角50°/70°交替變換，其0.5諧次相位的變化規(guī)律也因缸而異。經(jīng)理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比可知，此V12機(jī)0.5諧次相位以25°/35°交替變換，可據(jù)此設(shè)定A1缸基準(zhǔn)相位差標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)V12機(jī)失火故障的定位。

[1]肖小勇，向陽，錢思沖，等.多諧次相位法在柴油機(jī)故障診斷上的應(yīng)用[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(8)：954-960.

[2]CHARLES P,SINHA J K,GU F,et al.Detecting the crankshafttorsionalvibration ofdieselenginesfor combustion related diagnosis[J].Journal of Sound and Vibration,2009,321(3):1171-1185.

[3]馬晉，江志農(nóng)，高金吉.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率的內(nèi)燃機(jī)故障診斷方法研究[J].振動(dòng)與沖擊，2012，31(13)：119-124.

[4]王磊，向陽.二沖程柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速法診斷機(jī)理研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2016，36(3)：142-146.

[5]程利軍，張英堂，李志寧，等.基于瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)各缸工作均勻性在線監(jiān)測(cè)方法研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2011，31(6)：183-187.

[6]王海，尹朧，彭憶強(qiáng)，等.多缸柴油機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速特征參數(shù)提取[J].內(nèi)燃機(jī)，2015(6)：49-52.

[7]RéMOND D,ANTONI J,RANDALL R B.Instantaneous angular speed (IAS)processing and related angular applications[J].MechanicalSystemsandSignal Processing,2014,45(1):24-27.

[8]毛茂林.工況變化對(duì)0.5諧次角振動(dòng)相位的影響[J].機(jī)械，2008，35(6)：68-71.

[9]陳之炎.推進(jìn)軸系振動(dòng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

[10]華春蓉，閆兵，董大偉，等.基于0.5諧次扭振的內(nèi)燃機(jī)故障診斷研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2006，28(4)：480-484.

Application Research of the Harmonic Phase of Order 0.5 to the Fault Location of the Non-uniform Ignition of Diesel Engines

YUAN Yang1,2,XIANG Yang1,2,WANG Shuai1,2
(1.College of Energy Source and Power Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China; 2.Key Laboratory of Marine Power SystemApplication Technology,Wuhan 430063,China)

The method of fault diagnosis and location of non-uniform ignition multi-cylinder diesel engines is studied. The relationship between the harmonic phase and the firing interval angle of the non-uniform ignition diesel engines is analyzed based on the shafting torsional vibration theory.Then,the lumped parameter model of a V12 diesel engine shafting torsional vibration at 50/70 degree interval ignition is established with AVL software.Meanwhile,the misfire fault of each single cylinder under different loading is set,and the simulation calculation for 0.5-order harmonic phase and amplitude is done.Finally,the V12 diesel engine is tested.The comparison of simulation results with some cylinder misfire tests results shows that the 0.5-order harmonic phase of the V12 machine can be alternated between 25 degree and 35 degree.So,the correctness of the theoretical analysis is verified.On this Basis,a fault diagnosis method is proposed.In this method,the 0.5-order harmonic amplitude is utilized to determine whether the fault occurs and locate the fault according to A1 cylinder’s reference phase-difference.

vibration and wave;harmonic phase of order 0.5;non-uniform ignition;torsional vibration;fault location

TP206+.3

：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.032

1006-1355(2016)06-0164-05

2016-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51279148）

袁揚(yáng)（1989-）男，河南省駐馬店市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)噪聲控制、動(dòng)力機(jī)械監(jiān)測(cè)診斷。E-mail:yuanyang20111002@163.com

向陽（1962-）女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制技術(shù)、動(dòng)力機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)。E-mail:yxiang@whut.edu.cn