基于瞬時轉(zhuǎn)速的內(nèi)燃機故障診斷及其方法分析

左莎莎

摘要：內(nèi)燃機瞬時轉(zhuǎn)速中包含了很多與內(nèi)燃機燃燒和機械運行狀態(tài)相關的信息，在其診斷和燃燒影響因素的研究中有重要作用，內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)復雜，瞬時轉(zhuǎn)速的信息提取難度較大，需要對故障診斷方法進行不斷革新，才能確保內(nèi)燃機的正常運行。文章主要就瞬時轉(zhuǎn)速的內(nèi)燃機故障診斷及方法進行了研究。

關鍵詞：瞬時轉(zhuǎn)速;內(nèi)燃機;故障診斷;方法

中圖分類號：TK42+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0176-02

0? 引言

工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中，機械設備占據(jù)著重要的地位，其運行狀態(tài)影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，一些重要的設備關系到企業(yè)的命運，如果出現(xiàn)故障會帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，機械設備的功能不斷完善，設備結(jié)構(gòu)越來越復雜化、自動化，零部件數(shù)量不斷增多，機械發(fā)生故障的可能性和故障的種類更多。因機械設備故障帶來嚴重后果的現(xiàn)象較多，對現(xiàn)代化設備來講，通過結(jié)構(gòu)設計的改善，工藝技術(shù)的提升，改善整體機械產(chǎn)品的質(zhì)量，同時還需要借助現(xiàn)代科學技術(shù)對設備運行狀態(tài)進行檢測，做好故障預防工作，才能確保設備正常運行。常見的診斷方法中存在安裝不便、價格較高等問題，內(nèi)燃機瞬時轉(zhuǎn)速能反映機械設備的平穩(wěn)度，內(nèi)燃機的扭矩等，在實際研究中具有重要意義。

1? 瞬時轉(zhuǎn)速法概述

工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中，內(nèi)燃機故障診斷一直備受關注，國內(nèi)外加大了研究力度，在內(nèi)燃機狀態(tài)檢測、診斷技術(shù)和方法等方面做了大量的研究工作，且在合計應用中取得了良好的效果，當前內(nèi)燃機故障診斷方法中，主要包括振動檢測法、油液分析法、瞬時轉(zhuǎn)速法等方法[1]。

內(nèi)燃機屬于往復式的機械，在運行狀態(tài)下，瞬時轉(zhuǎn)速存在規(guī)律性，對其分析可以了解內(nèi)燃機的工作狀態(tài)信息，對內(nèi)燃機的故障診斷和運行維護有重要的作用，如應用于內(nèi)燃機失火、不同缸燃燒差異、失火監(jiān)測等方面的診斷監(jiān)測中有重要作用，且在實踐中得到了推廣。瞬時轉(zhuǎn)速分析法的應用中信號測取相對比較容易，且故障判斷具有較強的通用性，在各缸不平衡表征的故障診斷中適用性較強。

近年來，電子技術(shù)、檢測技術(shù)及計算機信息技術(shù)的發(fā)展，給內(nèi)燃機監(jiān)測、故障診斷等提供了新的技術(shù)，且技術(shù)不斷完善發(fā)展，朝著智能化和自動化方向發(fā)展。瞬時轉(zhuǎn)速測量操作簡單，可靠性強，能實現(xiàn)非接觸測量和成本較低，使用壽命較長等優(yōu)勢，能利用多缸機不同工作狀態(tài)下的瞬時轉(zhuǎn)速波動特征比較分析，對故障進行診斷，判斷依據(jù)具有良好的可移植性，因此借助瞬時轉(zhuǎn)速對內(nèi)燃機的運行進行狀態(tài)檢測和故障診斷具有良好的應用前景[2]。

2? 內(nèi)燃機的故障分析及診斷標準選取的可行性

2.1 故障分析? 實際運行中，內(nèi)燃機的故障種類較多，主要集中在噴油設備及系統(tǒng)故障，燃油泄漏、調(diào)速器等故障，這些故障一旦發(fā)生，都會對內(nèi)燃機的熱力循環(huán)狀態(tài)產(chǎn)生影響，大大降低內(nèi)燃機的動力性能，導致內(nèi)燃機無法正常運行。瞬時轉(zhuǎn)速中蘊含豐富的信息，發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速波動和氣缸一一對應，波動信息反映出氣缸的工作狀態(tài)，影響發(fā)動機熱爐循環(huán)的故障能通過瞬時轉(zhuǎn)速信號進行反映。

其一是噴油設備及系統(tǒng)故障。常見的如軸針和噴孔出現(xiàn)磨損，或者是針閥密封錐面和座面出現(xiàn)磨損，噴油嘴偶件阻塞，堵塞或者是腐蝕、損傷等問題出現(xiàn)，噴油設備出現(xiàn)問題，導致整噴油系統(tǒng)出現(xiàn)故障。其二是氣閥機構(gòu)故障。如果氣閥和閥座的配合部件出現(xiàn)磨損，間隙超出合理范圍，出現(xiàn)氣閥桿彎曲變形等，容易出現(xiàn)故障。其三是調(diào)速器故障。如果各零部件出現(xiàn)損傷或者是間隙過大，會影響到整個調(diào)速器的靈敏度，導致轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動，影響其整個性能。

2.2 診斷標準選取的可行性? 內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速綜合反映出的是機械的工作狀態(tài)和工作質(zhì)量，對內(nèi)燃機瞬時轉(zhuǎn)速的分析，主要是人們越來越重視內(nèi)燃機過渡過程的研究，需要測量整個過程中內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速的變化，同時，內(nèi)燃機安全穩(wěn)定運行時，其平均速度并非是不變的，但是瞬時速度仍然是多變的，內(nèi)燃機每一轉(zhuǎn)動中，轉(zhuǎn)速是波動變化的，具有周期性波動的瞬時轉(zhuǎn)速，包含了運轉(zhuǎn)中多方面的信息，反映出各缸工作的細節(jié)，包括燃燒均勻性、充分性等，是檢測氣缸動力性、壓縮性等重要參考。瞬時轉(zhuǎn)速應用廣泛，如發(fā)動機無外載加速測功，電控噴油、扭矩測量及發(fā)動機故障診斷等，其在內(nèi)燃機故障診斷中的應用最突出[3]。

3? 瞬時轉(zhuǎn)速的測量分析

3.1 測量方法? 內(nèi)燃機是瞬時轉(zhuǎn)速，主要是指某一微小時間間隔，或者是曲軸轉(zhuǎn)角的平均轉(zhuǎn)速，具體的測量方法有兩種，一種是通過電渦流傳感器、磁電傳感器，對傳感器和內(nèi)燃機齒圈的位移信號進行測量，將位移信號轉(zhuǎn)換為方波信號，并借助高頻時鐘計數(shù)器，獲得方波周期;另一種是直接時域采樣，借助軟件計數(shù)，獲得采用信號周期。利用高頻時鐘計數(shù)的瞬時轉(zhuǎn)速測量，具體過程如圖1所示，齒圈轉(zhuǎn)動時，信號可以看做是正弦波，且不同的正弦波都會對應不同的齒，通過帶通濾波對信號進行放大最終獲得方波，利用高頻時鐘計數(shù)器，得到不同齒轉(zhuǎn)動時間，將防波信號臨近的脈沖之間技術(shù)值差設置為K，齒圈總齒數(shù)為Z，計數(shù)時鐘周期T（s），瞬時轉(zhuǎn)速w（rad/s）或n（r/min）的計算公式為：

第二種測量方法具體的過程與第一種類似，但是不需要整形電路、高頻計數(shù)時鐘，而是采用A/D板代替，如果直接采樣齒位移信號與正弦波近似，且不同的正弦波分別有對應的齒，具體過程如圖2所示，計算公式與第一種計算公式類似。

3.2 測量誤差分析? 在瞬時轉(zhuǎn)速測量中，誤差主要體現(xiàn)在計數(shù)值誤差，齒誤差和計數(shù)時鐘誤差三個方面，因此可知，測量誤差和轉(zhuǎn)速、齒數(shù)以及計數(shù)周期有很大關聯(lián)，如果將轉(zhuǎn)速看做是被測量值，可以采取減少齒數(shù)和時鐘周期，提升測量的準確度，但是齒數(shù)的減少需要控制在合理的范圍，如果減小過多，瞬時轉(zhuǎn)速成為循環(huán)和平均轉(zhuǎn)速，測量也就毫無價值[4]。研究顯示，并不代表齒數(shù)越多越好，一般來講，齒數(shù)相對較多的齒圈，在瞬時轉(zhuǎn)速獲取中會存在較大的噪聲，可以選用沒齒占2-3℃A為宜[5]。在實際運行中，軸扭振、齒圈安裝的誤差等都會影響誤差。

4? 瞬時轉(zhuǎn)速在內(nèi)燃機故障診斷中的應用分析

4.1 特征參數(shù)的選取? 在不同的研究中，對瞬時轉(zhuǎn)速波形特征參數(shù)選取和定義存在差異，借助瞬時轉(zhuǎn)速，要求參數(shù)的選取與設備故障發(fā)生時有明顯的差別，從而更好地判斷設備的運行狀態(tài)。故障特征參數(shù)的選取中，數(shù)據(jù)要盡量少，且采用相對簡單的提取方法，能對不同類型的故障進行很好地區(qū)分。在故障特征參數(shù)的選取中，可以借助仿真計算方法，理論分析中得到氣缸壓力降低時的瞬時轉(zhuǎn)速波形，并與正常波形進行對比分析，指導故障特征參數(shù)的建立[6]。通過內(nèi)燃機的瞬時轉(zhuǎn)速取代爆壓表，對氣缸內(nèi)氣體壓力等故障進行檢測是可行的，具有較高的靈敏性，瞬時轉(zhuǎn)速的特征參數(shù)可以對漏油、氣門漏氣等故障進行判斷，且利用瞬時轉(zhuǎn)速也能比較容易判斷內(nèi)燃機的狀態(tài)，在具體應用中還需要對漏氣、漏油等更多故障類型加以研究，提升其狀態(tài)檢測和故障診斷技術(shù)。

其一是燃油系統(tǒng)漏油故障診斷。一般來講，高負荷工作時，循環(huán)噴油量相對較大，且噴油時間段，故障缸與正常缸的扭矩差值相對較大，波形幅度變化大。具體操作是將漏油時瞬時轉(zhuǎn)速信號頻譜，與系統(tǒng)正常工作時的瞬時轉(zhuǎn)速信號和頻譜的波形加以比較，分別分析不同故障特征參數(shù)的變化。其優(yōu)點主要是可進行橫向比較，不需要積累正常運行狀態(tài)下的原始數(shù)據(jù)，可移植性較好。

其二是漏氣故障診斷。高溫高壓氣體會加劇氣門閥面的吹蝕，故障出現(xiàn)較多，借助瞬時轉(zhuǎn)速，能盡早解決閥門輕微漏氣問題，從而減少損失。為區(qū)分漏油故障和漏氣故障的區(qū)別，可以對排氣管支管的溫度進行測量，如果噴油量不足，支管的溫度相對較低，漏氣情況下支管溫度則相對更高[7]。

4.2 瞬時轉(zhuǎn)速診斷模型法和瞬時轉(zhuǎn)速波形分析法? 其一是瞬時轉(zhuǎn)速診斷模型法。根據(jù)曲軸飛輪系統(tǒng)的動力學理論，對內(nèi)燃機進行瞬時轉(zhuǎn)速診斷，得到對應的扭矩平衡方程式，獲取對應的模型，并將模型當做信息系統(tǒng)，通過假設分析法獲得不同氣缸壓力與瞬時轉(zhuǎn)速的關系，通過低階諧波分量，對不同氣缸氣體力扭矩不均勻度進行判斷，從而診斷和識別內(nèi)燃機失火、工作不均勻等故障。預制類似的還包括加速度搏動指數(shù)等，對內(nèi)燃機工作狀況進行判斷。

其二是瞬時轉(zhuǎn)速波形分析法。均勻發(fā)火的N缸機的一個循環(huán)中，其瞬時轉(zhuǎn)速會有N次明顯波動，在內(nèi)燃機正常運行狀態(tài)下，波動間隔和振幅差異不大，但是如果其中部分氣缸出現(xiàn)故障，瞬時轉(zhuǎn)速會受到影響，在波形上會得以體現(xiàn)，從這些波動定量中描述影響，是診斷的關鍵所在，這種方法是直接分析影響轉(zhuǎn)速相關的瞬時波形信號，從而提取其中故障敏感的特征參數(shù)，對故障加以判斷，其中包括瞬時轉(zhuǎn)速、角速度和角加速度等。因內(nèi)燃機的工作環(huán)境相對比較復雜，且為了實現(xiàn)在線診斷，一般選擇故障特征相對比較明顯的參數(shù)作為其特征參數(shù)，確保診斷精確度較高的前提下，減少特征參數(shù)的數(shù)量，多次進行仿真計算和實驗，這種方法多應用于對氣門漏氣故障的診斷。

這兩種方法在應用中各有優(yōu)缺點，牽著可靠性相對較高，但是結(jié)構(gòu)參數(shù)涉及到復雜的動力學模型，計算量較大，后者的計算量相對較小，通用性強，但是特征參數(shù)的敏感度不同，會影響到診斷的準確性。

5? 結(jié)語

綜上所述，基于瞬時轉(zhuǎn)速的內(nèi)燃機故障診斷方法有良好的應用前景，在實際應用中要重視對其研究。

參考文獻：

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[7]蘆詩文，劉吉晨.內(nèi)燃機車故障診斷專家系統(tǒng)的設計[J].內(nèi)燃機與配件，2018（04）：165-166.