基于Teager算子的柴油機活塞-氣缸磨損故障特征增強方法

周 斌， 靳世久， 梅檢民, 沈 虹

(1. 天津大學(xué) 精儀學(xué)院，天津 300072； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

基于Teager算子的柴油機活塞-氣缸磨損故障特征增強方法

周 斌1,2， 靳世久1， 梅檢民2, 沈 虹2

(1. 天津大學(xué) 精儀學(xué)院，天津 300072； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

柴油機活塞與氣缸磨損情況是判斷柴油機技術(shù)狀態(tài)的主要指標(biāo)，也是柴油機大修送修的主要條件，其監(jiān)測診斷一直是柴油機維修的重點。由于柴油機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作狀態(tài)激烈，活塞-氣缸磨損故障很難有效監(jiān)測診斷，尤其是活塞-氣缸早期磨損故障，更是監(jiān)測診斷一直是研究的重點和難點。根據(jù)活塞-氣缸磨損后在工作中產(chǎn)生沖擊的特點，利用Teager算子提取瞬態(tài)沖擊信號的優(yōu)勢，對柴油機怠速時缸體上部左側(cè)振動信號進(jìn)行Teager算子增強，通過提取出的Teager算子能量最大值，判斷是否存在活塞-氣缸磨損故障以及故障的嚴(yán)重程度。通過兩種不同型號柴油機、不同故障缸的機體振動實測信號分析表明，該方法簡便有效。

故障診斷；Teager算子；特征增強；柴油機

柴油機活塞-氣缸磨損將使活塞與氣缸的配合間隙變大，當(dāng)其配合間隙超過極限尺寸時，柴油機缸體上部兩側(cè)將發(fā)出清脆有節(jié)奏的“當(dāng)當(dāng)”的金屬敲擊聲，俗稱活塞敲缸響。該異響故障屬惡性異響，必須及早發(fā)現(xiàn)，是柴油機故障診斷中的重點[1]。由于柴油機工作狀態(tài)激烈,當(dāng)活塞-氣缸磨損較輕微時，異響很難用人工經(jīng)驗方法發(fā)現(xiàn)，因此大多采用分析機體振動信號進(jìn)行診斷[2-6]，并在實驗室試驗中獲得驗證。但因柴油機機體振動信號具有非平穩(wěn)瞬態(tài)沖擊特征，噪聲信號干擾使其信噪比較低，且柴油機工作時既有離心力引起的振動，又有慣性力和氣體力引起的振動，同時轉(zhuǎn)速和負(fù)荷不能恒定，故其機身的振動信號是由一系列頻率、幅值差別較大的瞬態(tài)響應(yīng)組成的復(fù)雜典型時變非平穩(wěn)信號，因此能實際應(yīng)用于活塞-氣缸早期磨損故障的監(jiān)測診斷方法還不多見。

Teager能量算子是由Kaiser提出的一種非線性差分算子[7]，通過信號的瞬時值及其微分的非線性組合估計信號源產(chǎn)生動態(tài)信號所需的總能量，可以計算信號的瞬時幅值和瞬時頻率，并能有效地提取信號中的“瞬時能量”，對于高頻信號成分的檢測效果更佳[8]，適合檢測信號中的沖擊成分。該方法的時間分辨率高，對信號的瞬時變化具有良好的自適應(yīng)能力，且其計算簡單，算法效率高，已廣泛應(yīng)用于語音識別[9]、軸承故障[10-11]、齒輪故障[12]的檢測診斷中，并取得了較好的效果。但在柴油機故障診斷中卻發(fā)現(xiàn)僅有極少量應(yīng)用到如診斷失火故障等方面[13]。

由于活塞-氣缸磨損后在工作中具有產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊的特點，本文嘗試?yán)肨eager算子提取瞬態(tài)沖擊信號的優(yōu)勢，對柴油機怠速時缸體上部左側(cè)振動信號進(jìn)行Teager算子增強，通過提取出的Teager算子能量最大值，判斷是否存在活塞-氣缸磨損故障以及故障的嚴(yán)重程度。通過兩種不同型號柴油機、不同故障缸的機體振動實測信號分析表明，該方法可以實現(xiàn)柴油機機體振動信號的瞬態(tài)沖擊特征增強與提取，并對柴油機活塞-氣缸早期磨損故障也能實現(xiàn)監(jiān)測診斷。

1 基于Teager算子的特征增強方法[7,11]

對于任意信號x(t)，Teager能量算子ψ定義為

(1)

x(t)=Acos(ωt+φ)

(2)

式中:x(t)為質(zhì)量塊相對于平衡位置的位移;A為振動幅值;ω為固有(圓)頻率;φ為初始相位。將式(2)中的x(t)代入式(1)得

ψ[x(t)]=ψ[Acos(ωt+φ)]=A2ω2

(3)

對比式(2)和(3)，可見Teager能量算子的輸出和簡諧振動的瞬時總能量只差一個常數(shù)m/2，因此它能跟蹤產(chǎn)生簡諧振動所需的總能量。

對于某離散時間信號x(n),應(yīng)用差分代替微分，則Teager能量算子可以描述為

ψ[x(n)]=[x(n)]2-x(n+1)x(n-1)

(4)

式中，n為離散時間信號的序號。

對于離散時間信號，Teager能量算子只需要三個樣本數(shù)據(jù)就可以計算任意時刻n處的信號源能量，故Teager能量算子對于信號的瞬時變化具有良好的時間分辨率，能夠檢測信號中的瞬態(tài)成分。同時，Teager能力算子輸出為振動瞬時幅值和瞬時頻率的平方之積，相對于傳統(tǒng)能量定義，增加了和頻率平方的乘積，由于瞬態(tài)沖擊的振動頻率較高，因此Teager能量算子輸出能有效增強瞬態(tài)沖擊成分，從而明顯抑制噪聲。

2 活塞-氣缸磨損故障特征增強試驗

2.1 試驗數(shù)據(jù)的獲取

本文以東風(fēng)EQ2102汽車裝用的EQ6BT型柴油機(做功順序為1-5-3-6-2-4)活塞-氣缸磨損故障特征提取為例說明論文所述方法的工程應(yīng)用。為了真正找到其故障特征，分析時選擇了EQ6BT型柴油機的正常工作、活塞-氣缸磨損故障和故障現(xiàn)象特別接近的活塞銷-銷座孔磨損故障(故障缸均為第三缸)等三種技術(shù)狀態(tài)下(見表1)的缸體振動信號。為了比較不同工況、不同測點位置對信號特征提取的影響，試驗中設(shè)置了4種不同轉(zhuǎn)速(見表2)和5個測試點，將5個振動傳感器分別放置在第三缸缸體上部左側(cè)和右側(cè)(從柴油機前端向后看，下同)、第三與第四道曲軸主軸承中間位置的左側(cè)和右側(cè)、油底殼底部正對第三缸處(見表3)。同步由夾持在一缸高壓油管上的外卡式壓力傳感器測取柴油機第1缸上止點信號作為鍵相信號。為了得到分析對象更多的信息，取采樣頻率為25.6 kHz，采樣點數(shù)為8 192，使其在規(guī)定的采樣點內(nèi)至少采集到柴油機較低轉(zhuǎn)速時一組完整工作循環(huán)的信號。

表1 EQ6BT型柴油機技術(shù)狀態(tài)

表2 EQ6BT型柴油機工作狀況

表3 振動傳感器測點部位

2.2 試驗數(shù)據(jù)的分析與處理

圖1所示為柴油機轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時機體上部左側(cè)所采集到的振動信號的時域波形、頻域波形和經(jīng)Teager能量算子增強的波形圖。

從圖1中可以看到，時域波形中瞬態(tài)沖擊特性明顯，其頻率集中在2 kHz～4 kHz，但很難從中提取故障特征。Teager能量算子增強后，噪聲得到有效抑制，瞬態(tài)沖擊特性更加明顯。

為了找到柴油機活塞-氣缸磨損故障特征提取的最佳測試部位和轉(zhuǎn)速，分別將EQ6BT型柴油機活塞-氣缸磨損故障、活塞銷-座孔磨損故障在不同轉(zhuǎn)速、不同測取部位所采集到的缸體振動信號分別進(jìn)行Teager特征增強，并提取出各信號的Teager能量極值，如表4和圖2所示。

圖1 Teager特征增強效果

從表4和圖2中可以清楚地看到，活塞銷-銷座孔磨損故障Teager能量極值變化無明顯規(guī)律。但活塞-氣缸磨損故障在柴油機轉(zhuǎn)速為800 r/min(怠速)時，隨著故障嚴(yán)重程度的增加(間隙增大)，位置2(三缸缸體上部左側(cè))處所采集到的缸體振動信號經(jīng)Teager特征增強后所得到的能量極值成倍增大，由正常狀態(tài)時的1.045 497分別增加到17.450 77(輕微活塞-氣缸磨損故障)、118.053(嚴(yán)重活塞-氣缸磨損故障)，并與活塞銷-銷座孔磨損故障(僅為0.598 519、1.449 596)有明顯的區(qū)別。這也與柴油機的結(jié)構(gòu)和工作特點是完全吻合的?；钊c氣缸配合間隙正常時，活塞運動比較平穩(wěn)，運行過程中所產(chǎn)生的側(cè)向力很小，活塞對缸壁產(chǎn)生的沖擊力也就很??；當(dāng)活塞與氣缸的配合間隙增大到一定程度時，尤其是在柴油機中速以下運轉(zhuǎn)時，活塞的橫向位移和橫向加速度最大，其最大值位于活塞壓縮行程上止點附近，此時活塞即將換向，其受提前點火做功氣體的劇烈沖擊而對缸壁產(chǎn)生較大的沖擊力，如將振動傳感器安裝在此，就能夠感受到最大的沖擊力[14]。

表4 EQ6BT型柴油機Teager能量極值

圖3所示分別為柴油機轉(zhuǎn)速為800 r/min、位置2處所采集到的缸體振動信號中一個工作循環(huán)的時域波形(已結(jié)合鍵相信號將橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成曲軸轉(zhuǎn)角)、頻域波形和經(jīng)Teager特征增強后的能量譜。從圖3中可以更加清楚地看到，故障缸第三缸(曲軸轉(zhuǎn)角240°附近)Teager能量譜特征明顯，并隨故障的嚴(yán)重程度而顯著變化。因此其可以作為活塞-氣缸磨損故障診斷的特征值。

(a) 800 r/min

(b) 1 300 r/min

(c) 1 800 r/min

(d) 2 300 r/min

(a) 正常(配合間隙0.08 mm)

(b) 輕微(配合間隙0.20 mm)

(c) 嚴(yán)重(配合間隙0.40 mm)

4 Teager算子增強方法的普適性

為了進(jìn)一步驗證本文所述方法在工程實際應(yīng)用中的普適性，選取了一輛陜汽SX2190汽車，在該車裝用的WD615型六缸柴油機(做功順序為1-5-3-6-2-4)上，設(shè)置活塞-氣缸磨損故障后進(jìn)行故障特征提取驗證。

為了更貼近工程實際，并檢驗各參數(shù)對特征提取的影響，驗證時對數(shù)據(jù)采集時的個別參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整：柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)整為1 000、1 400、1 800、2 300 r/min；采樣頻率調(diào)整為20 kHz；故障缸調(diào)整為第二缸；活塞與氣缸的配合間隙調(diào)整為0.08、0.22、0.30、0.40 mm，對應(yīng)于正常、活塞敲缸響(輕微)、活塞敲缸響(中等)、活塞敲缸響(嚴(yán)重)等四種技術(shù)狀態(tài)。其他參數(shù)保持不變。

對WD615型柴油機缸體振動情況進(jìn)行了檢測，對其在不同轉(zhuǎn)速、不同技術(shù)狀態(tài)、不同測取部位所采集到的試驗數(shù)據(jù)分別進(jìn)行Teager特征增強，提取其Teager能量極值，在柴油機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，位置2(三缸缸體上部左側(cè))處Teager能量極值如表5和圖4所示。

表5 WD615型柴油機Teager能量極值(1 000 r/min)

圖4 WD615型柴油機Teager能量極值

分別作出WD615型柴油機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、位置2處所采集到的缸體振動信號中一個工作循環(huán)(做功順序為1-5-3-6-2-4)的時域波形(結(jié)合鍵相信號將橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成曲軸轉(zhuǎn)角)、頻域波形和經(jīng)Teager特征增強后的能量譜，如圖5所示。

雖然改變了采樣頻率和柴油機轉(zhuǎn)速，即使檢測點位于第三缸處，不在故障缸所對應(yīng)的位置，但仍然可以從圖5中清楚地看到，故障缸第二缸(曲軸轉(zhuǎn)角480°附近)Teager能量譜特征明顯，并隨故障的嚴(yán)重程度而顯著變化，振幅較大的頻率范圍仍然是2 kHz～4 kHz。因此其可以作為活塞-氣缸磨損故障診斷的特征值。

(a) 正常(配合間隙0.08 mm)

(b) 輕微(配合間隙0.22 mm)

(c) 中度(配合間隙0.30 mm)

(d) 嚴(yán)重(配合間隙0.40 mm)

同時，從表4和圖5中也可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下，柴油機轉(zhuǎn)速越高，所提取得到的最大能量值越大。因此，在實際應(yīng)用時，一定要按要求控制好檢測時柴油機的轉(zhuǎn)速，提取得到的特征值也要與相對應(yīng)的特征標(biāo)準(zhǔn)相比較，進(jìn)而判斷故障的嚴(yán)重程度。

5 結(jié) 論

(1) 基于Teager算子的柴油機活塞-氣缸磨損故障特征增強方法通過Teager能量算子增強柴油機怠速時缸體上部左側(cè)振動信號的瞬態(tài)沖擊特征，可以作為柴油機活塞-氣缸磨損故障監(jiān)測診斷的特征值。

(2) 應(yīng)用該方法對實車上裝用的兩種不同型號柴油機的活塞-氣缸磨損故障監(jiān)測診斷結(jié)果表明，該方法可以消除缸體振動信號中的非周期分量和隨機干擾，顯著增強故障特征，對輕微故障以及故障缸均能作出準(zhǔn)確判斷，為柴油機活塞-氣缸配合間隙監(jiān)測診斷提供了有效手段。但轉(zhuǎn)速的影響較大，需在應(yīng)用時注意。

(3) 該方法對活塞銷-銷座孔磨損故障特征增強不顯著，無法進(jìn)行直接診斷，需進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理。

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Feature enhancement of diesel engine’ piston-cylinder wear-out faults based on teager energy operator

ZHOU Bin1,2, JIN Shijiu1, MEI Jianmin2, SHEN Hong2

(1. College of Precision Instrument and Opto-Electronic Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China；2. Department of Automobile Engineering, College of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

The wear status of piston-cylinder is the main index to diagnose the technical status of a Diesel engine, and the main condition for a Diesel engine’s overhaul and repair. Monitoring and diagnosing piston-cylinder faults, especially, early wear fault are a key of a Diesel engine’s repair. As a Diesel engine’s structure is complicate and its working condition is rude, so diagnosing piston-cylinder faults is difficult. Here, according to the impulse feature of piston-cylinder’s wear faults, Teager operator with an advantage to extract instantaneous impulse signals was adopted to enhance features of vibration signals sampled from the left-top position of its cylinder when a Diesel engine idling. The maximum value of Teager operator energy extracted was used to diagnose if there existed piston-cylinder faults and their serious level. The Analysis results of actual vibration signals for two different types of Diesel engine and different faulty cylinders showed that the proposed method is simple and effective.

fault diagnosis; Teager energy operator; feature enhancement; Diesel engine

2016-08-30 修改稿收到日期：2016-10-29

周斌 男，碩士，副教授，1970年11月生

TK428

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.013