基于異常聲發(fā)射信號的柴油機早期故障診斷

張虎 谷豐收 王鐵 王歡歡 黨軒 李國興 魏娜莎

摘要：為診斷某新型單缸柴油機缸體表面異常聲發(fā)射信號，將聲發(fā)射傳感器布置在柴油機不同部位進行定位分析，通過對比不同位置及不同機油壓力下聲發(fā)射信號的峰值響應(yīng)，結(jié)合限壓閥的工作原理，最終確定異常聲發(fā)射信號來源于機油壓力的異常，并通過倒拖試驗進行驗證，實現(xiàn)柴油機早期故障的診斷。診斷結(jié)果表明：該型單缸柴油機預(yù)設(shè)機油壓力偏高。當機油壓力設(shè)置過高時，限壓閥回位力隨之增大，閥芯落座時，對閥體的沖擊力變強，從而產(chǎn)生尖銳的異常聲發(fā)射信號，與此同時，證明聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)對柴油機早期故障診斷的有效性，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：柴油機；故障診斷；聲發(fā)射；機油壓力

0引言

聲發(fā)射（acoustic emission，AE），是指材料、結(jié)構(gòu)受到內(nèi)力或者外力從而產(chǎn)生形變或是破壞.并以彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種新的無損檢測手段，具有高靈敏度，能夠?qū)O其微弱的信號進行在線無損檢測。

柴油機故障類型繁多，早期故障信號極其微弱、信噪比低、不易檢測和識別。聲發(fā)射檢測技術(shù)因其具有診斷速度快、準確率高、故障定位性強、適用范圍廣、能夠?qū)崿F(xiàn)早期預(yù)測和在線診斷等特點，受到了國內(nèi)外故障診斷工作者的重視，朱奧輝通過建立的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提取的聲發(fā)射特征進行識別，可以很好地識別機械密封在工作過程中所處的摩擦狀態(tài)，實現(xiàn)了潤滑狀態(tài)的實時監(jiān)測；龍小江等通過動態(tài)彎曲疲勞實驗獲得材料疲勞裂紋萌生、擴展和斷裂全過程的聲發(fā)射檢測信號，為材料的損傷以及壽命預(yù)測提供了參考：張宇等基于聲發(fā)射的衰減特性實現(xiàn)了故障行星輪的定位分析，證明了信號幅值隨傳播距離增加而呈指數(shù)衰減，而且該方法相對簡單，準確度也較高。

在發(fā)動機研究領(lǐng)域，史強等通過對缸套一活塞環(huán)模型建立與實驗驗證，證明了聲發(fā)射技術(shù)對缸內(nèi)潤滑狀態(tài)診斷的有效性，為本文的研究提供了一定的基礎(chǔ)。Nivesrangsan和Steel等研究了典型的機械復(fù)雜結(jié)構(gòu)中多源信號的信號源定位技術(shù)，但是基于速度或者是能量的定位都具有一定的局限性：Elamin闡述了采用聲發(fā)射技術(shù)診斷JC B444-T2型柴油機的噴油器故障法，從頻率角度出發(fā)，實現(xiàn)了在線檢測，但由于發(fā)動機工作過程中事件較多，頻率分辨難度較大。胡磊等將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解應(yīng)用于處理柴油機氣閥的聲發(fā)射信號，提高了聲發(fā)射應(yīng)用于柴油機氣閥漏氣診斷方法的靈敏度，但工作量較大。本文通過對比不同位置聲發(fā)射信號的峰值響應(yīng)，實現(xiàn)了故障的準確定位，與此同時，為了排除工作過程中的其他干擾因素，利用倒拖試驗對結(jié)果進行了驗證，證實了結(jié)論的準確性。

1缸體表面正常聲發(fā)射信號

發(fā)動機正常工作情況下，單位工作循環(huán)中聲發(fā)射信號能量偏大部分多集中在排氣門關(guān)閉（EVC）、進氣門關(guān)閉（IVC）和燃燒做功（Power）等位置，將采集到的聲發(fā)射信號，轉(zhuǎn)換到720°曲軸轉(zhuǎn)角（crankangle，CA）的角域中如圖1所示。

在試驗臺架調(diào)試運行的過程中，缸體表面測得的聲發(fā)射信號中出現(xiàn)了一系列具有周期性特征的異常信號，在90°CA及其整數(shù)倍角度處均出現(xiàn)未知的異常聲發(fā)射信號，嚴重影響摩擦潤滑狀態(tài)相關(guān)的聲發(fā)射特征提取與分析工作。

為確定具體的異常聲發(fā)射源，本文根據(jù)聲發(fā)射定位分析，展開試驗研究。

2試驗設(shè)備和試驗方案

2.1試驗設(shè)備

試驗中采用測控系統(tǒng)和DW40型電渦流測功機，曲軸轉(zhuǎn)角信號與上止點信號由曲軸位置傳感器測得，聲發(fā)射信號由SR 800型聲發(fā)射傳感器（采樣頻率50～800 kHz）測得并由其配套的SEAU2S-1016-08型的聲發(fā)射檢測儀采集記錄，發(fā)動機的上止點（TDC）和曲軸轉(zhuǎn)角信號由YE6232B型16通道數(shù)據(jù)采集儀采集記錄。倒拖試驗所用設(shè)備包括：Y 160M-4型電機，DH600型變頻器，L4700型機油壓力傳感器。柴油機技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.2試驗方案

為了診斷這些異常的聲發(fā)射源，將聲發(fā)射傳感器布置于表2所示不同測點位置，進行對比分析，試驗轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，驗證試驗采用倒拖法進行驗證，倒拖轉(zhuǎn)速同樣恒定在1 400 r/min。

3數(shù)據(jù)分析與討論

由圖2可知，缸蓋和缸體的EVC、IVC和Power處的峰值響應(yīng)較大，而飛輪側(cè)和主油道較小，這是因為缸蓋和缸體兩個位置與進、排氣閥和燃燒室距離較近，而飛輪側(cè)和主油道與其距離較遠。此外，在90°CA及其整數(shù)倍位置均出現(xiàn)異常聲發(fā)射信號，且主油道附近的聲發(fā)射相應(yīng)明顯大于其他3種測點，說明異常聲發(fā)射位于主油道附近，且應(yīng)該是規(guī)律的機械事件所致。

3.1機油泵

柴油機的機械事件眾多，根據(jù)異常聲發(fā)射信號的特征推測可能是轉(zhuǎn)子式機油泵異常所致，試驗用柴油機的機油泵外轉(zhuǎn)子齒數(shù)為5，內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4，并且曲軸與機油泵的內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，機油泵每隔90°CA向外擠壓一次機油，這與異常聲發(fā)射信號峰值響應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置高度吻合?；谝陨戏治觯茰y缸體表面測得異常AE信號的產(chǎn)生可能與泵油系統(tǒng)運行異常有關(guān)，因而在機油泵附近又測量了相應(yīng)的AE信號。

從圖3可知，機油泵附近的AE信號峰值響應(yīng)小于主油道附近的AE信號峰值響應(yīng)，這說明異常的聲發(fā)射并非由機油泵直接引起。觀察異常AE信號發(fā)現(xiàn)：該信號與EVC、IVC、Power等信號相似，均屬于突發(fā)型AE信號，此類型信號呈脈沖波形，信號峰值較大，且衰減速度快。柴油機的突發(fā)型AE信號多為一些瞬態(tài)激勵（比如沖擊、碰撞等）所造成的，由于機油泵的泵油周期也是90°CA，推測這些異常AE信號的產(chǎn)生可能與機油泵所在的潤滑系統(tǒng)有關(guān)。

潤滑系統(tǒng)中各個閥的落座均為瞬態(tài)事件，且均可產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射信號，潤滑系統(tǒng)中各個閥的落座都是瞬態(tài)事件，此類瞬態(tài)事件也可以產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射信號。據(jù)此推測，可能是潤滑系統(tǒng)中某個閥的閥芯落座，產(chǎn)生了尖銳且規(guī)律分布的異常AE信號。

3.2閥事件

由圖4可知，聲發(fā)射傳感器周圍有限壓閥和內(nèi)置于機油濾清器的旁通閥以及止回閥。因為止回閥只有在停機時起作用，所以排除止回閥造成異常聲發(fā)射信號的可能性。

旁通閥安裝在機油濾清器里面，目的是防止機油濾清器的濾芯被堵時，機油無法輸送到主油道，從而出現(xiàn)發(fā)動機斷油而不能潤滑的現(xiàn)象。如果濾芯嚴重被堵，機油無法通過濾芯，那么濾清器進口壓力就會上升，當達到規(guī)定的壓力值時，旁通閥開啟，經(jīng)旁通閥將機油送進主油道。限壓閥的作用是保證機油油路的壓力穩(wěn)定并且保護機油泵。本機型上的限壓閥兼有調(diào)壓的功能?，F(xiàn)將聲發(fā)射傳感器同時布置在機油濾清器和限壓閥上，采集一組同工況的數(shù)據(jù)和測點4的信號進行對比分析。

如圖5所示，AE信號的峰值響應(yīng)由大到小依次是：限壓閥、主油道和旁通閥?？芍酝ㄩy的可能性被排除。限壓閥處的AE信號的峰值響應(yīng)最大，即限壓閥處AE傳感器離AE信號源最近，此外，主油道和限壓閥處的異常AE信號特征一致，為同一AE信號源所致，所以疑似限壓閥閥芯落座造成了所有測點的異常AE信號。正常機油壓力的限壓閥閥芯落座事件，通常不會出現(xiàn)在柴油機AE信號中，但當機油壓力偏高，限壓閥閥芯落座沖擊力變強，便會引起異常AE信號。

本機型采用的是柱塞閥芯結(jié)構(gòu)的限壓閥，閥中彈簧的回位力直接決定了潤滑系統(tǒng)油壓的高低，發(fā)動機一個工作循環(huán)內(nèi)，限壓閥伴隨著機油泵的8次供油，產(chǎn)生8次脈動式開閉，如果機油壓力偏高，則限壓閥閥芯落座時，對閥體產(chǎn)生8次沖擊力會變強。

基于以上分析，推測機油壓力偏高可能是造成異常AE信號的主要原因。

3.3機油壓力故障診斷

3.3.1機油壓力

本文所診斷的發(fā)動機正常的油壓范圍應(yīng)在（0.08-0.4MPa）區(qū)間內(nèi)。但怠速時實測油壓高達0.4MPa，顯然油壓高于正常壓力范圍。因此將機油壓力調(diào)整到正常壓力范圍后，再次以同樣工況采集限壓閥處的聲發(fā)射信號，進行對比。

如圖6所示，機油壓力調(diào)節(jié)到正常范圍后，間隔90°CA出現(xiàn)的異常聲發(fā)射信號徹底消失。

3.3.2試驗驗證

由于柴油機的聲發(fā)射源眾多，為進一步驗證異常聲發(fā)射信號源，現(xiàn)采用發(fā)動機倒拖試驗來驗證上述的推論。將聲發(fā)射傳感器置于燃燒室外的缸體上，即測點2的位置。

由圖7可知異常聲發(fā)射信號發(fā)生在機油壓力0.75 MPa附近，且均處于機油壓力變化率曲線的波谷處。說明該限壓閥的限制壓力閾值即為0.75 MPa。

如圖8所示，順時針轉(zhuǎn)動調(diào)壓螺桿，限壓閥的開啟壓力增大，與此同時，也縮短彈簧的壓縮行程，柱塞的運動距離也變短，泄壓時，柱塞停留的位置阻礙了泄油口流通面積，造成泄壓能力不足，加之轉(zhuǎn)子式機油泵造成的迅速上升的壓力波動.最終達到機油壓力峰值，此時柱塞并未與閥體產(chǎn)生碰撞，因此壓力最大時并無明顯的聲發(fā)射信號。

機油壓力峰值過后，在轉(zhuǎn)子式機油泵造成的迅速下降的壓力波動和泄油孔泄油雙重作用下，承受了高油壓彈簧的回位力大于柱塞面上的油壓作用力，導致柱塞撞擊在閥體上的沖擊力變強，在機油壓力變化率最大處，產(chǎn)生沖擊，因此限壓閥在機油壓力變化率曲線的波谷處落座，并產(chǎn)生聲發(fā)射信號。

發(fā)動機潤滑系統(tǒng)通常是低速時供油不足，高速時供油過量，本文所診斷的發(fā)動機為了滿足低速時的供油需求，提高了限壓閥的開啟壓力。根據(jù)統(tǒng)計經(jīng)驗，熱負荷較高的高速柴油機所需的機油泵的泵油量為

此型號柴油機的標定功率是20.5 kW，帶入式（1）得出額定機油泵流量為13.94～16.195 L/min。而本機的機油泵實測流量為20 L/min.顯然機油泵的流量高于柴油機所需要的流量。由此，在供大于需的情況下，限壓閥伴隨機油泵的泵油周期脈動式的開閉，會造成潤滑系統(tǒng)壓力大幅波動，在這種情況下會損傷潤滑系統(tǒng)中的液壓元件，同時，也造成了不必要的能量浪費。

4結(jié)束語

本文通過對柴油機機體表面不同位置異常聲發(fā)射信號的峰值響應(yīng)進行對比分析，確定了異常聲發(fā)射信號來源于機油壓力異常所導致的限壓閥閥芯落座事件，在調(diào)節(jié)油壓后使得聲發(fā)射信號恢復(fù)正常，并通過倒拖試驗驗證了結(jié)論的準確性。

1）單缸柴油機機油壓力異常并未直接影響到整機的使用性能，但過高的機油壓力必然會對設(shè)備的日常維護與使用壽命產(chǎn)生負面的影響。本文的診斷結(jié)論為該型柴油機的優(yōu)化設(shè)計提供了堅實的理論依據(jù)與明晰的改進方向。

2）聲發(fā)射檢測技術(shù)針對機油壓力異常而引起的限壓閥閥芯落座等微弱異常事件具有優(yōu)異的檢測識別能力，是一種研究分析柴油機早期故障的有效技術(shù)手段。