基于扭振信號(hào)的柴油機(jī)單缸熄火故障診斷與監(jiān)測(cè)

蔡鵬飛，顧 含，劉 昕，張松陽(yáng)，王孝霖

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

基于扭振信號(hào)的柴油機(jī)單缸熄火故障診斷與監(jiān)測(cè)

蔡鵬飛，顧 含，劉 昕，張松陽(yáng)，王孝霖

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

利用曲軸扭振波形參數(shù)對(duì)柴油機(jī)熄火故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障定位分析，并開發(fā)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過試驗(yàn)?zāi)M柴油機(jī)熄火故障，利用曲軸扭角峰峰值、各諧次幅值和峭度值可準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)熄火故障。對(duì)扭角時(shí)域波形進(jìn)行濾波處理后，與上止點(diǎn)參考信號(hào)和發(fā)火間隔角結(jié)合分析，可準(zhǔn)確定位發(fā)生熄火故障的氣缸，開發(fā)的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)對(duì)熄火故障進(jìn)行報(bào)警。

船舶工程；柴油機(jī)；熄火；扭振；濾波；監(jiān)測(cè)；定位

柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于船舶、汽車等領(lǐng)域中，受工作原理影響，其曲軸在工作過程中始終受不均勻扭矩的作用。[1]單缸熄火是柴油機(jī)運(yùn)行過程中常見的故障，會(huì)導(dǎo)致扭矩的不均勻性加劇，甚至?xí)l(fā)曲軸裂紋、拉缸等重大事故。因此，對(duì)單缸熄火故障進(jìn)行診斷和定位對(duì)保障柴油機(jī)安全工作意義重大。

大中型柴油機(jī)普遍安裝有測(cè)量各缸排氣溫度的溫度傳感器，可用來監(jiān)測(cè)各缸的燃燒情況，進(jìn)而對(duì)熄火故障進(jìn)行報(bào)警。[2]同時(shí)，利用瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)診斷熄火故障也是一種常用的方法，通過瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的時(shí)域波形分析和頻域分析，可判斷出熄火故障和定位熄火氣缸。[3-4]此外，通過建立柴油機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)反演各氣缸的壓力或做功能量,也可分析熄火故障。[5-7]

軸系的扭振是受到不均勻的氣缸壓力引起的，因此軸系的扭振信號(hào)能反映氣缸的工作狀況，相關(guān)學(xué)者[8-10]已對(duì)利用軸系扭振的諧次參數(shù)和波形參數(shù)來診斷熄火故障進(jìn)行研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)識(shí)別等技術(shù)逐漸應(yīng)用到柴油機(jī)的熄火故障診斷中，使得熄火故障的診斷正向著智能化方向發(fā)展。[11-12]扭振傳感器的價(jià)格低廉、安裝方便、工作可靠，因此這里利用軸系的扭振信號(hào)對(duì)柴油機(jī)的單缸熄火故障進(jìn)行研究，提取扭振信號(hào)的特征參數(shù)對(duì)熄火故障進(jìn)行判斷和定位，通過在柴油機(jī)上模擬熄火故障工況，對(duì)所提出方法的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。此外，開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的故障診斷系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的扭振進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而監(jiān)測(cè)單缸熄火故障。

1 扭振信號(hào)特征參數(shù)提取

1.1扭振測(cè)試原理

扭振信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、整形電路和扭振儀組成，由扭振儀輸出時(shí)域扭角信號(hào)(見圖1)。當(dāng)選用磁電傳感器時(shí)，需在被測(cè)軸系上安裝齒盤；當(dāng)選用編碼器時(shí)，需將其安裝在軸系的自由端，保證編碼器的旋轉(zhuǎn)軸和被測(cè)軸系的同軸度。無源磁電傳感器輸出正弦信號(hào)，有源磁電傳感器和編碼器輸出方波信號(hào)，但受干擾等因素影響，傳感器輸出的波形可能會(huì)不規(guī)則，經(jīng)整形電路變換為規(guī)則的方波信號(hào)。扭振儀將采集到的方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)域扭角信號(hào)，進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域和幅值域分析。

圖1 扭振測(cè)試原理

若軸系在旋轉(zhuǎn)時(shí)沒有扭振，則其瞬時(shí)轉(zhuǎn)速等于平均轉(zhuǎn)速，傳感器輸出的方波信號(hào)的周期恒定。若軸系發(fā)生扭振，則其轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，相當(dāng)于在軸系平均轉(zhuǎn)速上疊加一個(gè)扭振的波動(dòng)，此時(shí)傳感器輸出的脈沖序列不再是均勻間隔(如圖1所示)。這樣的信號(hào)相當(dāng)于一個(gè)載波頻率被扭振信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)，可用脈沖計(jì)數(shù)法進(jìn)行解調(diào)。

傳感器輸出的脈沖信號(hào)可轉(zhuǎn)化為軸系的瞬時(shí)扭角值[13]，即

(1)

式(1)中：ω為瞬時(shí)角速度；tc為軸系旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間；ωc為平均角速度；N為齒盤的齒數(shù)；tn為輸出n個(gè)脈沖信號(hào)所用時(shí)間；n為脈沖個(gè)數(shù)。

1.2扭振特征信號(hào)提取

柴油機(jī)是一種往復(fù)機(jī)械，其曲軸始終受不均勻的氣缸爆發(fā)壓力的作用，當(dāng)發(fā)生熄火故障時(shí)，氣缸爆發(fā)壓力的不均勻性增強(qiáng)，軸系的扭振會(huì)加劇，與正常工況相比，扭角的峰峰值會(huì)增大。此外，從頻域的角度看，扭角的諧次分量也會(huì)增大。

若將柴油機(jī)的氣缸爆發(fā)壓力近似看作一個(gè)脈沖激勵(lì)，峭度對(duì)沖擊脈沖類故障比較敏感，對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化不敏感，則可利用扭振波形的峭度來診斷柴油機(jī)的熄火故障。扭振波形峭度的計(jì)算式為

(2)

(3)

在以上分析中，根據(jù)扭振波形的峰峰值、各諧次幅值及峭度等參數(shù)可初步判斷熄火故障是否發(fā)生，但不能準(zhǔn)確定位發(fā)生熄火故障的氣缸。因此，需進(jìn)一步提取扭振波形特征參數(shù)進(jìn)行熄火氣缸定位。

盡管軸系受不均勻激勵(lì)力的作用，但其扭振波形在柴油機(jī)工作過程中仍呈周期性變換規(guī)律。當(dāng)發(fā)生熄火故障時(shí)，扭振波形會(huì)發(fā)生變化，通過對(duì)正常工況和熄火工況下的扭振時(shí)域波形進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)比較典型的波形變化特征(見圖2)。由圖2a可知，在圓圈標(biāo)注的位置處扭角值突然下降，致使扭角峰峰值θv-v明顯增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在發(fā)生熄火故障時(shí)扭矩的不均勻性加劇，而這種扭矩的波動(dòng)方向與正常扭角的變化方向相同，使得扭角值突然下降。由于扭角的正負(fù)代表方向，因此由扭角值突然上升也可判斷熄火故障。由圖2b可知，在圓圈標(biāo)注的位置處扭角波形發(fā)生突變，即扭角曲線的斜率突然發(fā)生變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在發(fā)生熄火故障時(shí)扭矩的不均勻性加劇，但這種扭矩的波動(dòng)方向與正常扭角的變化方向相反，使得扭角曲線的斜率發(fā)生突變。

a)特征1b)特征2

圖2 故障工況下扭角時(shí)域信號(hào)特征示意

根據(jù)以上分析，將同一工況下測(cè)得的扭角曲線與正常工況下的軸系扭角曲線相對(duì)比可知，當(dāng)扭角的峰值明顯增大或扭角曲線的斜率突變時(shí)，說明該時(shí)刻發(fā)生熄火故障。此外，結(jié)合上止點(diǎn)信號(hào)和發(fā)火間隔角可判斷發(fā)生熄火故障的氣缸。

2 試驗(yàn)裝置與系統(tǒng)

2.1柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

選取16缸四沖程柴油機(jī)作為研究對(duì)象。該柴油機(jī)通過彈性聯(lián)軸器與測(cè)功機(jī)連接，額定轉(zhuǎn)速為1 050 r/min，氣缸呈V形排列，A列與B列之間的夾角為60°；各氣缸之間的發(fā)火間隔角不均勻，分別為30°和60°。由于該柴油機(jī)的氣缸較多，因此在同一作功行程中會(huì)有多個(gè)氣缸作功，曲軸受力較為復(fù)雜。

2.2測(cè)試系統(tǒng)

該試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)見圖3。在柴油機(jī)的自由端安裝編碼器，該編碼器的信號(hào)分別輸入給數(shù)據(jù)采集儀和故障監(jiān)測(cè)儀。為對(duì)發(fā)生熄火故障的氣缸進(jìn)行準(zhǔn)確定位，在凸輪軸處安裝磁電傳感器，在凸輪軸上安裝基準(zhǔn)感應(yīng)箍，凸輪軸每旋轉(zhuǎn)一周，磁電傳感器輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)代表該氣缸處于上止點(diǎn)位置，依據(jù)發(fā)火間隔角便可推算出任意氣缸在任意時(shí)刻的位置，由此進(jìn)行故障氣缸定位。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)

3 單缸熄火故障試驗(yàn)分析

3.1熄火故障診斷分析

該試驗(yàn)分別選取A1缸熄火和A7缸熄火2種故障工況。正常工況與熄火工況下的扭角和峭度值對(duì)比見表1。

表1 正常工況與熄火工況下的扭角和峭度值對(duì)比

由表1可知，熄火工況下的各諧次扭角幅值和峭度值均明顯大于正常工況，因此利用扭角和峭度可準(zhǔn)確判斷熄火故障是否發(fā)生。

3.2熄火故障氣缸定位分析

扭角的時(shí)域信號(hào)可通過參照上止點(diǎn)信號(hào)和發(fā)火間隔角將各時(shí)刻的扭角與各氣缸的爆發(fā)時(shí)刻建立聯(lián)系，當(dāng)在某氣缸的爆發(fā)時(shí)刻扭角波形與正常工況波形相比出現(xiàn)異常時(shí)，可由此定位熄火氣缸。

圖4為正常工況與A1缸熄火工況的扭角波形對(duì)比。由圖4可知，在A1缸熄火工況下，在圓圈標(biāo)示的位置處，扭角值較正常工況下降明顯，峰值增大，在465°曲柄轉(zhuǎn)角處扭角達(dá)到最小值，且在該位置之后波形出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)。A1缸的爆發(fā)時(shí)刻處于435°～480°曲柄轉(zhuǎn)角，465°曲柄轉(zhuǎn)角恰好在該區(qū)間內(nèi)，說明波形的異常是由A1缸的發(fā)火異常(即A1缸熄火)引起的。

圖4 正常工況與A1缸熄火工況的扭角波形對(duì)比

圖5為正常工況與A7缸熄火工況的扭角波形對(duì)比，2條曲線雖然有所差別，但并沒有明顯的熄火故障特征出現(xiàn)。在圓圈標(biāo)示的位置處，曲線的斜率雖然有微小變化，但并不能由此判斷該位置是熄火故障發(fā)生的位置。因此，通過扭角波形對(duì)比，無法定位熄火氣缸。

圖5 正常工況與A7缸熄火工況的扭角波形對(duì)比

由圖4和圖5可知，利用扭角波形對(duì)比的方法可定位熄火氣缸，但不能完全涵蓋所有的熄火情況。這是由于柴油機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，扭角的時(shí)域波形中包含十分復(fù)雜的頻率成分，一些波形特征會(huì)被高頻的成分所干擾或掩蓋。

柴油機(jī)的氣體爆發(fā)激勵(lì)是扭振的一個(gè)重要激勵(lì)源，對(duì)于4沖程柴油機(jī)，一個(gè)工作循環(huán)曲軸旋轉(zhuǎn)2周，設(shè)各個(gè)氣缸間的發(fā)火間隔角為φc，柴油機(jī)的氣缸發(fā)火頻率[4]為

(4)

對(duì)于均勻發(fā)火間隔的柴油機(jī)，發(fā)火間隔角φc為定值；而對(duì)于選用的發(fā)火間隔不均勻的機(jī)型，其發(fā)火間隔角分別為30°和60°，可將這2個(gè)值分別代入到式(4)中，求得2個(gè)發(fā)火頻率，最后求平均值。這里選用發(fā)火頻率的1/2作為上限截止頻率，對(duì)扭角波形進(jìn)行濾波。

圖6為濾波后A1缸熄火工況與正常工況的扭角波形對(duì)比，曲線的趨勢(shì)與圖4中曲線的趨勢(shì)基本一致，可判斷扭角曲線的異常與A1缸熄火有關(guān)，與圖4中的結(jié)論一致。

圖6 濾波后A1缸熄火工況與正常工況的扭角波形對(duì)比

圖7為濾波后A7缸熄火工況與正常工況的扭角對(duì)比。與圖5相比，在圖7中圓圈標(biāo)示的位置處，扭角曲線的斜率突變現(xiàn)象更加明顯，這是由于濾波后扭角中不包含高頻成分的干擾。曲線斜率發(fā)生突變的位置在287°曲柄轉(zhuǎn)角處，A7缸的爆發(fā)時(shí)刻在255°～300°曲柄轉(zhuǎn)角處，突變位置恰好在該區(qū)間內(nèi)，因此可判定是A7缸熄火導(dǎo)致曲線異常。

圖7 濾波后A7缸熄火工況與正常工況的扭角波形對(duì)比

通過對(duì)比分析圖4～圖7，對(duì)扭角信號(hào)進(jìn)行濾波后，去除原波形的高頻成分干擾，有利于故障信號(hào)的發(fā)現(xiàn)和判斷，說明利用濾波后的扭角波形定位單缸熄火是可行、有效的。

4 結(jié)束語

通過對(duì)柴油機(jī)單缸熄火故障進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，進(jìn)行熄火故障監(jiān)測(cè)和故障氣缸定位研究，得到以下結(jié)論：

1) 利用曲軸扭角的峰峰值、各諧次幅值和峭度值可快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)熄火故障。

2) 利用濾波后的扭振波形，結(jié)合上止點(diǎn)參考信號(hào)和發(fā)火間隔角，可準(zhǔn)確定位發(fā)生熄火故障的氣缸。

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DiagnosisandMonitoringofMisfireforDieselEngineBasedonTorsionalVibration

CAIPengfei,GUHan,LIUXin,ZHANGSongyang,WANGXiaolin

(China Satellite Maritime Tracking and Control Department,Jiangyin 214431,China)

A misfire detection and alarming system is developed in which misfire of a diesel engine is monitored and the fault cylinder is identified according to the parameters of the torsional vibration.Studying on the simulative diesel engine misfire phenomenon reveals that observing the peak-peak values of torsional vibration and the harmonic amplitudes/ kurtosis values of the vibration can detect the misfire.The filtered torsional vibration waveform in time domain,combined with the signal of TDC and firing angle,can be used to identify fault cylinder.

ship engineering; diesel engine; misfire; torsional vibration; filter; monitoring; identification

TK422; U664.121

A

2017-02-16

蔡鵬飛(1984—)，男，遼寧阜新人，工程師，碩士，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力機(jī)械。E-mail:dcxjcpf@sina.com

1000-4653(2017)02-0034-04