基于加窗和EEMD的船用柴油機拉缸故障診斷?

王 宇 張永祥 姚曉山

（1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）（2.空軍預(yù)警學(xué)院軍械技術(shù)系 武漢 430021）

1 引言

拉缸故障是船用柴油機極易發(fā)生的故障之一，發(fā)生嚴(yán)重拉缸故障時，不僅會使柴油機損壞，還會引起人員安全事故。因此柴油機拉缸故障一直引起人們的高度關(guān)注，并進行了廣泛研究。早在二十世紀(jì)八十年代，國內(nèi)外就對拉缸故障進行了理論分析和試驗研究。近年來，許多專家學(xué)者從拉缸產(chǎn)生機理、拉缸的信號特征、降低拉缸的活塞環(huán)材料選配等方面進行了基礎(chǔ)性研究。文獻(xiàn)［1］為降低柴油機拉缸的風(fēng)險，研究了不同活塞環(huán)材料對拉缸的影響，從材料的微觀組織、摩擦系數(shù)上進行分析，發(fā)現(xiàn)了拉缸不同階段的機理。文獻(xiàn)［2］應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測拉缸故障，發(fā)現(xiàn)在磨損試驗機上可以通過聲發(fā)射信號和小波包分析監(jiān)測拉缸，但在實際應(yīng)用上還存在困難。文獻(xiàn)［3］通過磨損試驗機試驗研究，揭示了摩擦副材料的金相組織、摩擦力、及摩擦副表面形貌對拉缸的影響。文獻(xiàn)［4］應(yīng)用三體磨粒磨損機理模擬發(fā)動機拉缸故障，對測量的發(fā)動機機體振動信號進行時域、頻域以及時頻域分析，發(fā)現(xiàn)拉缸時將激起2kHz～6kHz頻率上的振動；通過分析振動信號的最大值、能量、峭度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)拉缸時會有明顯變化。宋力喆［5］等對柴油機拉缸進行了動力學(xué)仿真，研究表明當(dāng)發(fā)生拉缸故障時，活塞經(jīng)過上、下止點其加速度信號會發(fā)生劇烈震動，產(chǎn)生沖擊信號。Hsiao Yeh Chu［6］等通過試驗研究了以金剛石納米粒子作為潤滑油添加劑的潤滑油當(dāng)添加劑濃度不同時其抗拉缸的能力大小。

盡管國內(nèi)外已有眾多學(xué)者對拉缸故障進行分析研究，但直至今日尚未見到用于現(xiàn)場監(jiān)測柴油機拉缸故障的商業(yè)產(chǎn)品，其根本原因是：一柴油機是一個復(fù)雜的往復(fù)式機械設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、振源眾多，且在時域、頻域與拉缸產(chǎn)生的振動、聲信號重疊，拉缸信號難以從強背景噪聲中分離出來；二拉缸故障實機模擬困難、風(fēng)險較大。本文為實現(xiàn)船舶柴油機拉缸故障診斷，采用已發(fā)生拉缸的6-135柴油機缸套活塞模擬拉缸故障，通過測量柴油機機體的振動信號，采用加窗［7］、EEMD［8］信號分析方法，識別診斷柴油機拉缸故障。

2 加窗和集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的基本原理

2.1 加窗

柴油機振動激勵源眾多，對拉缸故障信號影響較大的振源主要包括活塞撞擊缸套、氣閥開啟和關(guān)閉、氣缸壓力等，活塞撞擊主要發(fā)生在上下止點附近，由于側(cè)壓力換向而產(chǎn)生。對于6135柴油機，某一缸的信號不僅與自身振動激勵有關(guān)，還受到其他缸振動激勵的影響。圖1為6135柴油機主要振源激勵相位圖。

圖1 6135柴油機主要振源激勵相位圖

圖中0°為壓縮上止點，進氣閥開啟角和排氣閥關(guān)閉角大小為20°，進氣閥關(guān)閉角和排氣閥開啟角大小為50°。由圖1可以看出，信號由于發(fā)生重疊而難以分離。如某缸做功沖程不僅包含自身振動源信號，還受到其他缸的氣閥起落沖擊和活塞撞擊激勵的影響。因此需要運用加窗的方法提取有效信號段進行分析。研究表明：柴油機拉缸最容易發(fā)生在做功沖程，從圖1可以看出，在柴油機的壓縮上止點后60°～80°這一段信號受其他缸影響較小，基本只受到自身激勵信號的作用，再考慮到信號重疊干擾和拉缸信號獲取的難易程度，所以選擇這一段信號進行柴油機拉缸故障診斷。為了獲取壓縮上止點后60°～80°這一段信號，設(shè)計一矩形窗函數(shù)，保留該段信號，其他曲軸轉(zhuǎn)角段信號為零。

2.2 集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

EEMD是在EMD［9］的基礎(chǔ)上針對EMD的模態(tài)混疊問題做的改進，其基本原理是在EMD的分解過程中加入不同幅值的高斯白噪聲，由于白噪聲是隨機產(chǎn)生，互不相關(guān)，在多次平均之后噪聲就相互抵消，可以在一定程度上抑制了EMD的模態(tài)混疊問題，進而提高了信號分解的準(zhǔn)確性。對于EEMD來說最重要的是添加的白噪聲的幅值以及集合平均次數(shù)這兩個參數(shù)：若是白噪聲幅值過大，會大大增加計算量或者使分解信號的殘余噪聲過多；若是過小則不能起到抑制模態(tài)混疊的作用；集合平均次數(shù)越大也會增加計算量，文獻(xiàn)［10］通過利用相關(guān)系數(shù)、相對均方根誤差準(zhǔn)則和信噪比分析，自適應(yīng)的確定了最優(yōu)的白噪聲幅值系數(shù)K為0.2倍的信號標(biāo)準(zhǔn)差和集合平均次數(shù)m為50，不但能抑制模態(tài)混疊現(xiàn)象，而且計算量也較小。EEMD分解的算法流程如下：

1）給原始信號x（t）加上一組隨機的白噪聲N1（t），得到總體X1（t）：

2）對得到的新信號X1（t）進行EMD分解，得到一組基本模態(tài)分量（Intrinsic mode function，IMF）C1j（t），j=1-n。

式中C1j（t）為第一組EMD分解得到的第j個IMF，r1n為分解后的剩余分量。

3）給原始信號x（t）加上不同的白噪聲Ni（t），i=2-m，組合后形成新的信號Xi（t），重復(fù)式（1）、（2）的步驟。

4）對所得到的m組IMF對應(yīng)取均值，并作為最終得到的IMF。

3 試驗與分析

3.1 試驗過程

為了研究柴油機拉缸故障診斷方法，我們選擇以6-135柴油機為研究對象，該柴油機與一臺100kW的電力測功器相連，柴油機啟動時由電力測功器倒拖，在柴油機工作時作為發(fā)電機改變柴油機負(fù)載。柴油機拉缸故障模擬非常困難，常用的方法有增大活塞從而減小活塞與缸套間的間隙、調(diào)節(jié)水溫或者在潤滑油內(nèi)添加磨粒，但這些方法不易控制，且拉缸故障風(fēng)險很大，難以把握，為了真實模擬柴油機拉缸故障，選用一套已經(jīng)發(fā)生拉缸的活塞、缸套作為柴油機拉缸試驗件，以確保柴油機工作時產(chǎn)生拉缸。為了避免拉缸時引起柴油機整機損壞，試驗時分兩個階段并逐步加載。第一階段為6-135柴油機各缸正常試驗，測量獲取柴油機在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷工況時的振動、轉(zhuǎn)速、上止點等信號。第二階段，首先是由電力測功器倒拖柴油機，測量振動等信號，然后分別在900r/min、1200r/min和1500r/min時測量空載和部分負(fù)荷工況時柴油機振動等信號。為防止柴油機產(chǎn)生嚴(yán)重拉缸，采用逐漸增加柴油機負(fù)荷，且只加載到額定負(fù)荷的20%。為了驗證柴油機各試驗工況是否產(chǎn)生拉缸，每次試驗后用內(nèi)窺鏡檢驗。為了便于柴油機機體振動信號的測量，將拉缸的缸套和活塞安裝于柴油機第一缸。根據(jù)6-135柴油機的結(jié)構(gòu)，柴油機拉缸信號主要由缸套與機體的上凸緣傳遞至機體，所以在第一缸活塞上止點對應(yīng)的機體位置上粘貼了加速度傳感器轉(zhuǎn)接塊，并在垂直和平行于缸套軸線方向安裝了2個加速度傳感器，傳感器的型號為BK4534B，頻寬為0.2kHz～12.8kHz，信號采集采用的是B & K公司的3053-B-120型數(shù)據(jù)采集模塊，采樣頻率為65536Hz。

在試驗過程中我們測取了多個工況的加速度信號，由于篇幅所限，這里僅給出部分典型工況的數(shù)據(jù)。圖2為6-135柴油機900r/min、空載工況正常和拉缸狀態(tài)下的機體加速度信號，為了便于觀察將橫坐標(biāo)由時間轉(zhuǎn)變?yōu)榻嵌取?/p>

從圖2中可以看出多缸機加速度信號比較復(fù)雜，主要包含了活塞撞擊激勵信號、氣閥起落激勵信號以及缸內(nèi)壓力信號等，信號重疊嚴(yán)重，很難從圖中直接判斷出柴油機拉缸故障。根據(jù)文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］，活塞撞擊信號和氣閥落座信號都是高頻信號，信號能量主要集中在2kHz～7kHz，最高達(dá)10kHz。

圖2 正常與拉缸狀態(tài)下的加速度信號

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

利用加窗方法對各工況的加速度信號進行處理，并對加窗后的加速度信號進行能量計算和頻譜分析，加窗位置在第一缸壓縮上止點后60°-80°（數(shù)據(jù)點數(shù)為188），數(shù)據(jù)分析長度為50個工作周期。

圖3為6-135柴油機在900r/min、空載工況時正常與拉缸狀態(tài)下的加窗后加速度信號及其頻譜圖，表1為加窗后對應(yīng)工況的能量。

圖3 正常與拉缸狀態(tài)下加窗后加速度信號及頻譜圖

表1 典型工況下拉缸與正常時加窗信號能量值

拉缸信號是高頻信號，頻帶較寬，從圖3和表1中可以發(fā)現(xiàn)，在同一工況下，柴油機發(fā)生拉缸故障后，其故障缸的信號在2kHz-10kHz頻率段的幅值明顯大于該缸在正常狀態(tài)下的，能量也較正常情況時信號的能量大，大約為4倍。試驗數(shù)據(jù)分析表明：對于拉缸狀態(tài)下加窗后的能量比正常狀態(tài)下高，高頻信號能量增加突出，可以作為柴油機拉缸故障診斷的依據(jù)。

同理，我們對上述工況的加速度信號按2至6缸的壓縮上止點后60°-80°分別進行加窗處理，并計算能量和頻譜分析，此時曲柄轉(zhuǎn)角的0°位置為各缸的壓縮上止點。結(jié)果見圖4和表2。

圖4 900r/min、空載工況時拉缸狀態(tài)下部分缸加窗后加速度信號圖及頻譜圖

表2 典型工況下拉缸狀態(tài)時各缸的加窗信號能量

試驗數(shù)據(jù)分析表明：柴油機單缸發(fā)生拉缸故障時該缸加速度信號在2kHz～10kHz頻率段的幅值以及信號能量都大于同一工況下其他未拉缸的信號，能量大約是未拉缸信號的10倍。所以，可以通過對加窗信號的頻譜分析和能量計算初步實現(xiàn)故障缸的定位。

為了進一步對拉缸故障進行精確診斷，對1200r/min、100N·m工況下拉缸狀態(tài)加窗后的加速度信號分別進行EMD和EEMD分解，圖5（a）、（b）分別為經(jīng)EMD和EEMD分解后的前三階IMF。

圖5 加窗后加速度信號EMD和EEMD的分解結(jié)果

表3 典型工況下正常和拉缸時加窗信號前3階IMF能量

從圖5可以看出，信號經(jīng)EMD分解的IMF與實際的拉缸信號相比相差較大，而EEMD分解的IMF與實際拉缸信號較為一致。因為柴油機振源眾多，拉缸信號受影響因素較多，導(dǎo)致EMD在分解時容易產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象，故EMD不適合處理拉缸信號。而EEMD可以克服EMD模態(tài)混疊，能夠用于柴油機拉缸故障診斷。依次將加窗后的加速度信號進行EEMD分解，分解得到16個IMF分量和一個殘差，分析發(fā)現(xiàn)對于拉缸信號影響最大的是前三階IMF。計算前三階IMF的能量值并對由前3階IMF重構(gòu)的信號進行頻譜分析，具體結(jié)果如表3和圖6。

圖6 1200r/min、100N·m工況下拉缸與正常時重構(gòu)信號的頻譜圖

從表3和圖6可以發(fā)現(xiàn)：一旦柴油機發(fā)生拉缸故障，則故障缸加速度信號加窗后經(jīng)EEMD分解的前三階IMF能量都比同一工況下未發(fā)生拉缸時的能量大，大約為6～9倍，且由前3階IMF重構(gòu)信號的頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，柴油機拉缸時故障缸重構(gòu)信號的高頻信號明顯增加，大約增加2-3倍，主要增加段為8.5kHz～11kHz和13kHz～16kHz段。所以通過對加窗后的信號進行EEMD分解，并計算前三階IMF的能量值以及對前3階IMF重構(gòu)信號進行頻譜分析，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機拉缸故障的診斷。

同理，我們對1缸發(fā)生拉缸時的其余2至6缸加速度信號加窗后進行EEMD分解，得到其前3階IMF能量分布以及前3階IMF重構(gòu)信號頻譜圖，如表4和圖7。

表4 1200r/min、100N·m工況下拉缸時加窗信號前3階IMF能量值

試驗數(shù)據(jù)分析表明：當(dāng)柴油機發(fā)生拉缸故障時，故障缸的加速度信號經(jīng)加窗和EEMD分解后的前三階IMF的能量都比其他缸信號的大，大約為10-20 倍，重構(gòu)信號在 8.5kHz～11kHz和 13kHz～16kHz段的幅值明顯增加，大約增加2-3倍。所以在柴油機發(fā)生拉缸故障時，可以通過計算加窗和EEMD分解的前三階IMF能量以及對重構(gòu)信號頻譜分析實現(xiàn)故障缸的定位。

圖7 1200r/min、100N·m工況時拉缸狀態(tài)下部分缸重構(gòu)信號頻譜圖

綜上所述，當(dāng)船用柴油機發(fā)生拉缸故障時，對加窗后加速度信號進行EEMD分解，在計算前3階IMF的能量及對重構(gòu)信號進行頻譜分析，能夠更加準(zhǔn)確有效地實現(xiàn)拉缸故障診斷。

4 結(jié)語

1）采用已產(chǎn)生拉缸的活塞缸套裝入柴油機某缸進行拉缸試驗研究，是一種行之有效的方法。

2）合理選取加窗參數(shù)，可有效提取柴油機的拉缸故障信號，減小其他振源對拉缸故障信號的影響。

3）船用柴油機發(fā)生拉缸時，其加窗段的信號能量要比不拉缸時的能量大；拉缸缸對應(yīng)的加窗信號能量要比其他未發(fā)生拉缸缸對應(yīng)的加窗信號能量大。拉缸缸經(jīng)EEMD分解后的重構(gòu)信號在8.5kHz～11kHz和13kHz～16kHz段的幅值明顯增大，據(jù)此可實現(xiàn)船用多缸柴油機某缸拉缸故障的判別和定位。

4）與EMD相比，EEMD可以克服其模態(tài)混疊現(xiàn)象，而且利用前3階模態(tài)（IMF）的能量分布以及重構(gòu)信號的頻譜分析可以更加有效地進行船用柴油機拉缸故障的診斷。