非接觸式檢測技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測中的應(yīng)用研究

【摘" 要】當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)其進(jìn)行故障診斷選用常規(guī)的接觸檢測方式可排除故障，但操作復(fù)雜、精度低、易引起附加損傷。文章對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械故障進(jìn)行非接觸采集相關(guān)數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究和分析，通過與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可提高故障檢測的準(zhǔn)確度以及工作效率，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，為進(jìn)一步提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷技術(shù)提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；非接觸檢測技術(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)故障

中圖分類號(hào)：U463.631" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）04-0074-03

Research on Application of Non-contact Detection Technology in Automotive Engine Fault Detection

GAO Xiaoyong，ZHAO Xiangming

（Xi'an Vocational University of Automobile，Xi'an 710600，China）

【Abstract】When the engine fails，the conventional contact detection method can be used for fault diagnosis to eliminate the fault，but the operation is complicated，the accuracy is low，and the additional damage is easy to cause. Non-contact collection of relevant data on mechanical faults of automotive engines，in-depth research and analysis of the collected data lines，comparison with standard data，can improve the accuracy of fault detection and improve work efficiency，and then collate and analyze the data，providing a basis for further improving the fault diagnosis technology of automotive engines.

【Key words】automobile engine；non-contact detection technology；engine failure

非接觸式檢測技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測領(lǐng)域的應(yīng)用是當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展中備受關(guān)注的研究方向之一。隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的心臟，其可靠性和性能成為車輛安全和運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。因此，快速、準(zhǔn)確地檢測和診斷發(fā)動(dòng)機(jī)故障對(duì)于保障汽車性能和安全至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測方法通常需要拆卸或使用接觸式檢測設(shè)備，這些方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，還可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成額外的損傷。而非接觸式檢測技術(shù)的興起為解決這些問題提供了全新的途徑[2]，通過使用激光測量、紅外熱像技術(shù)、聲波檢測等無需直接接觸發(fā)動(dòng)機(jī)表面的技術(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷，同時(shí)避免了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響和損傷[3]。

當(dāng)前汽車工業(yè)中，在接觸式發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測技術(shù)中引入非接觸式檢測技術(shù)，可以提高檢測精度，有利于提高工作效率，該非接觸檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。其中，激光測量技術(shù)能夠精確測量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件的尺寸和形狀，進(jìn)而檢測出任何異?；蚰p情況[4]；紅外熱像技術(shù)則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)可能存在的故障點(diǎn)或熱量異常區(qū)域；聲波檢測則能捕捉到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的聲音頻率和振動(dòng)情況，從而判斷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部是否存在異常運(yùn)行或部件故障。

1" 非接觸式檢測技術(shù)的原理和方法

1.1" 激光檢測技術(shù)

激光檢測技術(shù)通過激光傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件的三維形狀和尺寸的精確測量。這種高精度的測量能力使得在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的微小形變、磨損或變形等問題能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的零部件狀態(tài)，可以更早地識(shí)別潛在故障，從而提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命[5]。

激光檢測技術(shù)還可以用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度分布。通過測量激光在材料表面反射或透射時(shí)的光譜特性，可以推斷出不同區(qū)域的溫度。這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理和熱平衡至關(guān)重要，因?yàn)楫惓５臏囟确植伎赡馨凳局鋮s系統(tǒng)故障或燃燒不均勻等問題。

激光檢測技術(shù)還可以用于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的振動(dòng)和聲音。激光檢測儀如圖1所示。通過監(jiān)測激光光束在振動(dòng)或聲波作用下的變化，可以獲取有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和部件運(yùn)行狀況的信息。這種無接觸的檢測方式不僅避免了傳統(tǒng)接觸式傳感器可能帶來的干擾，而且可以在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量。

1.2" 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測是一種非接觸式檢測技術(shù)，該技術(shù)基于超聲波在管道中的傳輸特性，利用超聲波與構(gòu)件間的彼此影響進(jìn)行非接觸式的檢測方法。當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生機(jī)械故障時(shí)，可通過該檢測技術(shù)進(jìn)行診斷：通過傳感器發(fā)出超聲波，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部傳輸，超聲波經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件反射以及散射后再返回，接收器接收超聲波信號(hào)并對(duì)該超聲波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件故障進(jìn)行診斷。超聲波在發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳輸速率及振幅與被測物體的密度、彈性模量、損耗等因素有關(guān)，而不同的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)對(duì)超聲波的影響也不盡相同，因此，通過對(duì)超聲波信號(hào)的變化進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確地判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)的故障部位與類型[6]。

目前，脈沖回波技術(shù)、聲譜分析技術(shù)等超聲波檢測技術(shù)是常見非接觸檢測技術(shù)。超聲波脈沖檢測儀（圖2）向被檢測物體發(fā)送超聲波，超聲波被反射后并被檢測儀接收回波信號(hào)，通過對(duì)被測物的時(shí)延和振幅的改變，判斷被測物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否完整以及是否發(fā)生改變超聲波。本文介紹一種基于語音特征的語音識(shí)別方法。聲發(fā)射檢測方法指通過超聲波作用于被測物質(zhì)內(nèi)部的聲發(fā)射，從而對(duì)被測對(duì)象的缺陷、裂紋等進(jìn)行檢測，并通過其頻譜、幅值等信息進(jìn)行診斷。

1.3" 紅外檢測技術(shù)

紅外檢測是一種基于目標(biāo)熱輻射特征的檢測方法。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障診斷過程中，由于各機(jī)械零件發(fā)生故障，會(huì)產(chǎn)生摩擦、磨損、溫升過高等現(xiàn)象，使失效零件的表面溫度發(fā)生不正常的改變，進(jìn)而會(huì)改變紅外輻射的強(qiáng)度和光譜。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)表面紅外輻射的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)生故障的位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，進(jìn)而確定故障種類，利于開展精準(zhǔn)故障診斷與維修。

紅外檢測技術(shù)是利用紅外成像、紅外光譜分析等技術(shù)進(jìn)行檢測的一種非接觸檢測技術(shù)。圖3為紅外熱成像儀的一種類型，該檢測裝置應(yīng)用范圍廣泛，通過采集數(shù)據(jù)并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)表面產(chǎn)生的紅外輻射圖象，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測與分析，再采集數(shù)據(jù)結(jié)論與數(shù)據(jù)庫正常數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行組合分析，精準(zhǔn)判斷出故障點(diǎn)所處位置、故障種類以及故障程度，實(shí)現(xiàn)故障快速診斷。

2" 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常見故障

2.1" 啟停故障

啟停故障是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)普遍存在的一種故障，它使發(fā)動(dòng)機(jī)難以啟動(dòng)，并使起動(dòng)時(shí)的振動(dòng)頻率升高，這種振動(dòng)會(huì)保持很長一段時(shí)間，只有車輛在高速行駛的時(shí)候，這種振動(dòng)才會(huì)消失。因此，如果車輛的油壓沒有下降，那么停止就會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)減速，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常。此外，若不能及時(shí)完成車輛發(fā)動(dòng)機(jī)換檔，就會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，危及駕駛?cè)说纳踩?。因此，?duì)車輛的維修與故障診斷應(yīng)給予足夠的重視。

2.2" 異常噪聲故障

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無噪聲，穩(wěn)定性能好。車輛在行駛過程中出現(xiàn)噪聲或其它異常情況，或者換擋不順暢，屬于常見故障。這主要是由于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃油不能充分燃燒所引起的，所以要對(duì)其進(jìn)行合理檢測和診斷，以便對(duì)其進(jìn)行有效的維修和修復(fù)，將其負(fù)面影響降到最低。

2.3" 放炮爆震故障

當(dāng)汽車排放氣體濃度較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)引起爆震的故障，這是由于車輛的燃油消耗增加，從而降低了車輛的使用壽命。由此可見，發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，對(duì)車輛來說是非常重要的。液壓缸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞不可缺少的推力設(shè)備，若汽缸出了故障，整輛車的燃油消耗就會(huì)增加。在更嚴(yán)重的條件下，汽缸的失效可能會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的故障。因此，要對(duì)汽缸的故障問題給予高度關(guān)注，以便進(jìn)行有效處理。

3" 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障的非接觸式檢測技術(shù)

3.1" 應(yīng)用流程

利用LMS聲學(xué)傳感器建立聲學(xué)信息處理平臺(tái)，采集車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的異常噪聲數(shù)據(jù)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)非接觸機(jī)械故障診斷的效率。采集過程中，搭建試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)備，將支持的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)線設(shè)備與傳感器連接起來，以便提高診斷效率。在診斷過程中，通過設(shè)定異常噪聲參數(shù)，校正所采集的信號(hào)，修正測量靈敏度，結(jié)合故障信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)故障所在。

3.2" 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障分析

奔騰B50排量為1.5L，設(shè)定了發(fā)動(dòng)機(jī)的異常聲音的種類，形成了聲音信號(hào)和電子信號(hào)，表1顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)的異常聲音。通過采集并處理不正常的聲音信號(hào)，精準(zhǔn)判斷故障所在。例如氣閥和前門，壞點(diǎn)噪聲頻率不同，音質(zhì)不同，在分析發(fā)動(dòng)機(jī)異?，F(xiàn)象時(shí)，將異常噪聲信號(hào)頻率與聲音強(qiáng)度進(jìn)行組合分析，精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的便捷診斷。在測試過程中，由于周圍有噪聲，會(huì)產(chǎn)生混音、噪聲等因素，從而影響測試結(jié)果，可以采用進(jìn)場檢測法的方法來避免這個(gè)問題的發(fā)生。采用進(jìn)場檢測法檢測發(fā)動(dòng)機(jī)間距，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障的動(dòng)態(tài)檢測，確保信噪比的準(zhǔn)確性。

3.3" 發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)收集

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷工作過程中，首要工作是對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，再利用頻譜分析、函數(shù)計(jì)算、小波變換等數(shù)據(jù)分析手段，對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行全面分析，將分析結(jié)果與數(shù)據(jù)庫預(yù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，提取信號(hào)參量，確認(rèn)故障原因。在工作中，還應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測，記錄各項(xiàng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于空載、低速運(yùn)轉(zhuǎn)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，再將油門打開，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出扭矩，采集發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。采集更多數(shù)據(jù)，形成有效的數(shù)據(jù)鏈，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面計(jì)算并分析，為后續(xù)檢測工作做好鋪墊。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)速度比空載速度高時(shí)，設(shè)定結(jié)束速度為標(biāo)稱速度，慣性矩J是已知的。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際動(dòng)力輸出與加速度的時(shí)間成倒比關(guān)系，即加速時(shí)間相對(duì)較小。在較大的動(dòng)力輸出下，發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)也較好；反之，較小的動(dòng)力輸出將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)更差。一般來說，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際動(dòng)力輸出小于80%，那就說明這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有問題。

3.4" 非接觸式檢測分析

3.4.1" 操作流程

通過建立基于聲學(xué)信號(hào)的分析平臺(tái)，采集車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中的異常信號(hào)，以提升無接觸診斷的準(zhǔn)確性。對(duì)車間內(nèi)不需要的儀器進(jìn)行清理，以防止混音、噪聲等對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生干擾；搭建試驗(yàn)裝置，并與相應(yīng)的傳感器及系統(tǒng)相連，對(duì)其進(jìn)行測試，以提高測試結(jié)果的可靠性；檢測工作時(shí)，通過設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)異聲數(shù)據(jù)信號(hào)的參數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確校準(zhǔn)傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)，以達(dá)到數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確的目的；再對(duì)檢測儀器的靈敏度進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)一步提高檢測精度。以經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，設(shè)定了20250Hz、1.5s的音頻信號(hào)；如果想要測試發(fā)動(dòng)機(jī)，就必須設(shè)定好儀器監(jiān)控平臺(tái)，然后進(jìn)行真正的冷啟動(dòng)。由專門的機(jī)械維修中心對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行維修，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行仿真，采集總裝車間內(nèi)的聲學(xué)信號(hào)，并對(duì)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行定時(shí)反饋，對(duì)故障進(jìn)行綜合分析。

3.4.2" 油底殼異常

發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼存在異響，但發(fā)動(dòng)機(jī)油盤并無明顯的異聲，辨別起來較為困難。采用無接觸探測方法，分析所采集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)聲波信號(hào)具有明顯的周期性特征，找出聲波信號(hào)異常的位置，進(jìn)而可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)油盤的故障點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油盤異常聲學(xué)信號(hào)噪聲的過濾監(jiān)控（圖4），改善了噪聲信號(hào)的周期特征以及油底殼的聲音信號(hào)特征，有利于聲波信號(hào)數(shù)據(jù)分析。與無故障發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，油底殼異常噪聲較大。

3.4.3" 氣門挺柱異常

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)氣門挺柱不正常的情況時(shí)，在凸輪軸的一邊會(huì)發(fā)出咔噠聲，在發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)的時(shí)候就更明顯了。出現(xiàn)這種故障現(xiàn)象的主要原因是導(dǎo)向孔偏離平衡位置太大，導(dǎo)致導(dǎo)向孔旋轉(zhuǎn)不靈活。通過將發(fā)動(dòng)機(jī)氣門挺柱異常工作時(shí)的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)小波在過濾前后數(shù)據(jù)存在明顯差異，但與它存在故障的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的數(shù)據(jù)也不相同，通過非接觸式檢測技術(shù)，采集相關(guān)信號(hào)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在子波之后，數(shù)據(jù)信號(hào)的周期性并沒有發(fā)生改變。

3.4.4" 前部異常

通過對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)異常濾波數(shù)據(jù)（圖4），時(shí)間域發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)相對(duì)平穩(wěn)，而小波變換則有一定的起伏，通過基于小波變換的小波分解方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端異常信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在細(xì)節(jié)系數(shù)尺度方面出現(xiàn)了周期性的波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)加劇時(shí)間域信號(hào)本身的周期分量。

3.4.5" 噪聲故障

當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在加速過程中發(fā)出砰砰的聲音，多半是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑不良，氣閥間隙不均衡所致。若汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出噪聲，說明電子管破裂，造成真空泄漏，使車輛發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率下降。在一些特定的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生積碳。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)檢查工作時(shí)間較長的火花塞，防止其發(fā)生泄漏等安全問題，確保火花塞能正確點(diǎn)燃。

4" 總結(jié)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械故障檢測工作引入非接觸式檢測技術(shù)，利用智能和自動(dòng)化技術(shù)，可以避開機(jī)械構(gòu)件布局的空間緊湊不易檢測的弊端，利用非接觸檢測技術(shù)與被檢測對(duì)象不接觸，對(duì)故障發(fā)生的位置進(jìn)行精準(zhǔn)診斷，再利用其它相關(guān)非接觸診斷技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，精準(zhǔn)判斷故障特性，進(jìn)而設(shè)計(jì)故障維修方案。該檢測技術(shù)不會(huì)對(duì)被檢測對(duì)象造成負(fù)面影響，該技術(shù)具有普適性，進(jìn)行推廣應(yīng)用，利于促進(jìn)汽車后服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展。

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（編輯" 凌" 波）