劉建敏，李曉磊，2，喬新勇，李春日，郭 巍

（1.裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京 100072；2.解放軍77160部隊，四川 犍為 614400；3.解放軍66325部隊，北京 102202；4.成都軍區(qū)成都羊市街離職干部休養(yǎng)所，四川 成都 610015）

柴油機燃燒激振是引起機體振動的主要激勵源，它是由燃油急速燃燒形成局部高壓，并向四周傳播而引起的沖擊。柴油機爆發(fā)階段的振動信號蘊涵豐富的特征信息，是缸內(nèi)燃燒過程的間接反映，在柴油機的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用，如爆發(fā)階段的振動信號可以用于診斷燃油系統(tǒng)、燃燒室系統(tǒng)和活塞環(huán)等故障［1－2］，而用于柴油機缸內(nèi)壓力識別是爆發(fā)階段信號另一主要用途。文獻(xiàn)［3－4］利用振動加速度信號檢測爆震或失火故障，文獻(xiàn)［5－6］利用振動加速度信號識別缸內(nèi)壓力信號，進(jìn)而評價缸內(nèi)燃燒狀態(tài)。由于柴油機振動信號的復(fù)雜性，目前的應(yīng)用研究往往繞開柴油機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，直接通過數(shù)學(xué)方法建立表面振動特征與缸內(nèi)燃燒狀況或者故障的對應(yīng)關(guān)系，而對燃燒激勵下缸蓋表面振動產(chǎn)生機理及其影響因素的研究較少。本研究應(yīng)用瞬態(tài)動力學(xué)理論對燃燒激勵響應(yīng)信號的產(chǎn)生機理進(jìn)行了研究，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，分析了不同類型振動信號如振動位移、振動速度、振動加速度與缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，討論了轉(zhuǎn)速變化時缸內(nèi)壓力與振動信號變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系，并利用振動位移信號進(jìn)行了缸內(nèi)壓力的識別與故障檢測，取得了較好的效果。

1 缸蓋有限元模型的建立

理論上要獲得較精確的計算結(jié)果，應(yīng)使用完整的柴油機模型，但該方法計算過程非常復(fù)雜，計算時間也較長。為了提高運算效率，建模時主要考慮受燃燒激勵影響較大的部件——缸蓋，同時保留了高度簡化的機體及螺栓，以確保缸蓋約束的正確性。

1.1 模型網(wǎng)格劃分

主要研究對象為某型12150柴油機缸蓋，建模時將機體設(shè)置為剛體以減少計算量。為了便于網(wǎng)格劃分，對缸蓋及螺栓也進(jìn)行了簡化，忽略了部分倒角、凹槽以及小的螺栓孔。經(jīng)過檢驗網(wǎng)格無關(guān)性，最終確定計算中采用四面體網(wǎng)格單元，裝配體單元數(shù)為226115個，節(jié)點數(shù)119829個（見圖1）。缸蓋材料為鋁合金ZL702，缸蓋螺栓材料為42CrMo。

1.2 載荷設(shè)置

柴油機激勵源眾多，為研究燃燒激勵及其與振動響應(yīng)信號的關(guān)系，對缸蓋受力進(jìn)行了簡化［7］，只考慮兩種載荷：一種是施加在缸蓋螺栓上預(yù)緊載荷，另一種是作用在缸蓋火力面上的氣體壓力載荷。缸蓋緊固螺栓分為主、副螺栓兩類，主螺栓預(yù)緊力為157.04kN，副螺栓預(yù)緊力為39.26kN；預(yù)緊載荷在第1個載荷步施加，在第2個載荷步鎖定。對于氣體壓力載荷，只考慮右1缸缸內(nèi)燃燒激勵，忽略其他缸氣體壓力作用。通過臺架試驗得到空載1200r／min工況右1缸缸內(nèi)壓力曲線，并將其擴展為2個周期時間歷程的缸內(nèi)壓力曲線，以此壓力作為氣體壓力載荷施加于缸蓋火力面（見圖2），壓力載荷方向垂直地面向上。

1.3 接觸與約束邊界條件

缸蓋有限元裝配模型共有3組接觸對：缸蓋底面與機體上表面設(shè)為粗糙接觸；螺栓頭底面與缸蓋上表面設(shè)為綁定約束；螺栓螺紋部分與機體螺栓孔設(shè)為綁定約束。機體底面施加固定約束，限制機體的剛性位移。

2 缸蓋瞬態(tài)動力學(xué)模型的求解及驗證

2.1 瞬態(tài)動力學(xué)的基本方程

對于有限元模型，其基本的運動方程［8］為

式中：［M］｛ü｝為慣性力向量；［C］｛u｝為阻尼力向量；［K］｛u｝為彈性向量；｛F（t）｝為關(guān)于時間的力載荷向量；［M］為質(zhì)量矩陣；［C］為阻尼矩陣；［K］為剛度矩陣；｛u｝，｛u｝，｛ü｝分別為位移向量矩陣、速度向量矩陣和加速度向量矩陣。

2.2 瞬態(tài)動力學(xué)的求解方法

瞬態(tài)動力學(xué)求解方法大體分為兩種：模態(tài)疊加法和直接積分法。運用模態(tài)疊加求解動力響應(yīng)問題可達(dá)到很高的精度，但是，這種方法只考慮了結(jié)構(gòu)低階振型的貢獻(xiàn)，故僅適用于求解載荷頻率較少且變化平穩(wěn)的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題。理論上缸蓋的各階模態(tài)均對表面振動響應(yīng)存在或多或少的貢獻(xiàn)，為較真實地研究缸蓋振動響應(yīng)，本研究采用直接積分法。

2.3 模型驗證

通過柴油機臺架試驗同步測量了缸內(nèi)壓力、缸蓋表面振動加速度以及上止點信號。所用傳感器及測點位置見表1。

表1 測點位置及傳感器

利用有限元模型計算了轉(zhuǎn)速1200r／min，負(fù)荷230N·m工況下缸蓋的振動位移、振動速度以及振動加速度。為了檢驗計算結(jié)果的可信性，將計算結(jié)果與實測振動加速度信號進(jìn)行對比，具體見圖3。不難看出，實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果在幅值和相位上存在一定差異。分析認(rèn)為，模型的約束及載荷邊界條件不可能與實際情況完全一致，同時，實測結(jié)果中包含有其他激勵源的干擾，如針閥落座激勵以及活塞敲擊激勵，而計算時只考慮了燃燒激勵的作用，這些因素綜合作用導(dǎo)致二者之間存在差異。但總體來看計算結(jié)果同實測信號的變化趨勢較為接近，表明建立的仿真模型基本合理，可以用來分析缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)及其與響應(yīng)信號之間的關(guān)系。

3 燃燒激勵響應(yīng)機理分析

以1200r／min空載工況為例進(jìn)行仿真分析，并結(jié)合實測振動信號，研究了不同類型振動信號的產(chǎn)生機理。

3.1 振動位移信號

實測缸內(nèi)壓力信號及振動位移響應(yīng)見圖4，二者在變化趨勢上非常相似，尤其是在最大燃燒壓力之前；最大燃燒壓力之后，位移響應(yīng)的波動開始變得劇烈，但趨勢仍舊比較相似。

由于加速度信號是位移信號的二階導(dǎo)數(shù)，計算了實測振動加速度信號的二次積分以驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)字積分的常用算法有梯形積分公式、Simpson積分公式等。其中梯形公式計算簡單，但誤差稍大；而Simpson公式計算量稍大但積分精度較高，因此本研究采用Simpson積分法，其表達(dá)式［9］為

式中：v（i）為積分后的速度信號；a（i）為采集得到的加速度信號；Δt為采樣間隔時間。

振動信號積分時，由于積分初值無法確定，導(dǎo)致積分后的信號包含直流分量，同時由于缸蓋表面溫度多變，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，會在信號中存在不規(guī)則的趨勢項，在對信號進(jìn)行積分變換時，趨勢項對變換結(jié)果影響較突出，可能導(dǎo)致積分結(jié)果完全失真。針對此問題，本研究采用滑動平均法消除趨勢項，該方法具有較高的噪聲減少比，且實現(xiàn)簡單［10］。圖5示出實測振動加速度信號二次積分得到的振動位移信號。受針閥落座以及活塞敲擊等激勵的影響，實測振動位移信號未能在整個燃燒階段與缸內(nèi)壓力的變化趨勢完全一致。

結(jié)合圖4，對缸內(nèi)壓力信號與振動位移信號的變化關(guān)系作如下解釋：缸蓋通過聯(lián)接螺栓與機體固定，隨著缸內(nèi)壓力的升高，缸蓋及螺栓在活塞軸線方向產(chǎn)生變形，峰值壓力前，該變形量出現(xiàn)一致性增大，但由于作用力持續(xù)增加，不會產(chǎn)生振動；峰值壓力后，缸內(nèi)壓力逐漸降低，各部件的彈性回復(fù)力開始發(fā)揮作用，導(dǎo)致缸蓋系統(tǒng)開始產(chǎn)生振動。由此缸蓋振動位移響應(yīng)以峰值壓力為界分為兩個階段，峰值壓力之前的位移信號與缸內(nèi)壓力相關(guān)性較強，峰值壓力后的位移信號由于回復(fù)力的作用存在一定的振蕩，但整體趨勢仍與缸內(nèi)壓力有較高的相似性。為了進(jìn)一步提取振動位移的趨勢信息，本研究利用希爾伯特包絡(luò)和滑動平均法對振動位移進(jìn)行處理，得到了振動位移包絡(luò)信號的趨勢項（見圖6），可見信號局部波動明顯減小，與缸內(nèi)壓力的變化趨勢更為相似。

3.2 振動速度信號

由以上分析，不難推斷振動速度信號應(yīng)該與缸內(nèi)壓力信號的導(dǎo)數(shù)即壓力升高率存在一定關(guān)系。計算實測缸內(nèi)壓力信號的壓力升高率，其計算公式［11］為

式中：λpi為第i點壓力升高率；pi為第i點壓力值；Δφ為兩采樣點之間的角度，假定發(fā)動機1個循環(huán)內(nèi)的轉(zhuǎn)速恒定，則Δφ＝720／循環(huán)采樣點數(shù)。

圖7示出由實測缸內(nèi)壓力計算得到的壓力升高率與仿真振動速度的對比。二者在幅值和相位上有一定偏差，這是由缸蓋系統(tǒng)的響應(yīng)特性和缸內(nèi)壓力的頻譜變化引起的，即缸蓋系統(tǒng)對不同頻率激勵力響應(yīng)的幅值大小和相位偏差有所不同。

為作進(jìn)一步分析，本研究利用數(shù)字積分及平均濾波方法處理實測振動加速度信號，將得到的振動速度信號與實測缸內(nèi)壓力升高率進(jìn)行對比（見圖8）。由于響應(yīng)延遲，二者在相位上存在偏差，但趨勢上基本一致，尤其是在燃燒始點至最大壓力升高率階段。理論上在系統(tǒng)偏差不變的情況下，可用振動速度的最大值a點監(jiān)測壓力升高率的最大值a1點變化，同理可用拐點b監(jiān)測b1點的變化情況。但在實際應(yīng)用時，需要首先排除系統(tǒng)偏差的影響，或者計算特定工況下的系統(tǒng)偏差，并假設(shè)該系統(tǒng)偏差不變，這一過程增加了特征檢測的難度，使檢測精度受到影響，不適合進(jìn)行精確檢測和診斷。

3.3 振動加速度信號

振動加速度是振動速度的導(dǎo)數(shù)，由此可推斷振動加速度應(yīng)該與壓力升高率的導(dǎo)數(shù)即壓力升高加速度存在對應(yīng)關(guān)系。圖9示出計算振動加速度與缸內(nèi)壓力二階導(dǎo)數(shù)的對比。

可以看出振動加速度的整體變化趨勢大體與缸內(nèi)壓力二階導(dǎo)數(shù)存在相似關(guān)系，由于缸蓋、機體系統(tǒng)的響應(yīng)延遲以及有限元計算中的數(shù)字誤差，二者在幅值及相位上存在一定差異，且振動加速度計算值的局部波動較劇烈。

圖10示出實測振動加速度與缸內(nèi)壓力二階導(dǎo)數(shù)的對比，二者整體變化趨勢也較為相似，但由于針閥落座激勵以及燃燒激勵的干擾，信號對最大壓力升高率附近的變化反映不夠準(zhǔn)確，另外在實際試驗中，振動加速度傳感器對高頻信號較為敏感，容易受到其他沖擊激勵響應(yīng)的干擾，導(dǎo)致信號的局部振蕩較劇烈，不利于識別缸內(nèi)燃燒的相關(guān)信息。

4 轉(zhuǎn)速變化對燃燒激勵響應(yīng)信號的影響

利用振動信號評價缸內(nèi)燃燒狀況時，首先要確保工況的一致性，實車檢測中往往通過原地定轉(zhuǎn)速試驗達(dá)到這一目的。因此有必要分析不同轉(zhuǎn)速下缸蓋振動信號與燃燒激勵的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而驗證缸內(nèi)壓力與其振動響應(yīng)之間是否存在一致性的變化關(guān)系，為利用振動信號檢測缸內(nèi)壓力信息提供理論支撐。分別選擇轉(zhuǎn)速1200，1400，1600，1800，2000r／min下的實測缸內(nèi)壓力作為模型的載荷條件，計算缸蓋振動響應(yīng)并進(jìn)行對比分析。

4.1 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力與振動位移響應(yīng)的對比分析

隨著轉(zhuǎn)速的升高，實測缸內(nèi)壓力的燃燒始點及最大燃燒壓力時刻均向后推遲，最大燃燒壓力逐漸增大（見圖11）。為便于觀察，對計算的缸蓋位移進(jìn)行了平滑處理（見圖12）。隨轉(zhuǎn)速的增加，缸蓋位移計算值的拐點以及峰值也出現(xiàn)與缸內(nèi)壓力一致的變化趨勢。這說明在空載工況下，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，缸蓋位移信號與缸內(nèi)壓力的變化趨勢保持了穩(wěn)定的映射關(guān)系，理論上缸蓋位移信號可用于空載時不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力的檢測，甚至可以對柴油機不同運行狀態(tài)下的缸內(nèi)壓力進(jìn)行跟蹤識別，實現(xiàn)柴油機燃燒故障的檢測。

4.2 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力升高率與振動速度響應(yīng)的對比分析

圖13示出實測缸內(nèi)壓力的壓力升高率，不難看出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，曲線相位逐漸后移，最大壓力升高率逐漸增大，且增大幅度隨轉(zhuǎn)速升高逐漸減小，到2000r／min時，最大壓力升高率甚至相較1800r／min時有所減小。圖14示出振動速度計算值，由圖可見，隨轉(zhuǎn)速升高，振動速度相位與幅值也出現(xiàn)了與壓力升高率類似的變化趨勢，這說明振動速度信號與缸內(nèi)壓力升高率變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系在空載工況下具有一定的穩(wěn)定性，但各特征點的系統(tǒng)偏差可能隨工況不同而發(fā)生變化，不利于實際的特征檢測。

4.3 不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力升高加速度與振動加速度響應(yīng)的對比分析

隨著轉(zhuǎn)速升高，壓力升高加速度曲線逐漸后移，1200～1800r／min時最大壓力升高加速度逐漸增大，2000r／min時最大壓力升高加速度有所減?。ㄒ妶D15）。圖16中振動加速度隨轉(zhuǎn)速升高也出現(xiàn)了類似的變化趨勢。

5 基于振動位移信號的缸內(nèi)燃燒故障檢測

在機理研究的基礎(chǔ)上，本研究利用AdaBoost＿BP集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了基于振動位移的缸內(nèi)壓力的識別模型。輸入信號為振動位移包絡(luò)信號的趨勢項，輸出為對應(yīng)段的缸內(nèi)壓力，二者良好的對應(yīng)關(guān)系大大降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入向量的復(fù)雜性，減小了組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算量，提高了網(wǎng)絡(luò)的識別精度和泛化性，實現(xiàn)了空載不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力的準(zhǔn)確識別。圖17示出空載1200r／min識別缸內(nèi)壓力與實測缸內(nèi)壓力的對比，可以看出識別結(jié)果與實測缸壓非常相似。表2示出正常狀態(tài)下各工況的識別結(jié)果，最大誤差不超過1%，準(zhǔn)確度較高。

表2 正常工況下缸內(nèi)壓力識別結(jié)果

利用該網(wǎng)絡(luò)對空載1200，1600，2000r／min的進(jìn)氣堵塞故障和供油提前角過大故障進(jìn)行識別，缸內(nèi)壓力的識別結(jié)果見表3和表4，最大缸內(nèi)壓力檢測誤差較小，完全滿足故障診斷的要求。圖18和圖19分別示出兩故障工況1200r／min時識別缸內(nèi)壓力與實測缸內(nèi)壓力的對比，可以看出模型較好地識別了故障狀態(tài)下缸內(nèi)壓力的異常變化，表現(xiàn)出良好的泛化性和準(zhǔn)確性。

表3 進(jìn)氣堵塞時缸內(nèi)壓力識別結(jié)果

表4 供油提前角過大時缸內(nèi)壓力識別結(jié)果

6 結(jié)論

本研究采用瞬態(tài)動力學(xué)仿真與試驗分析相結(jié)合的方法，研究了缸內(nèi)燃燒激勵響應(yīng)的產(chǎn)生機理，揭示了不同類型振動信號與缸內(nèi)燃燒特征參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，分析了轉(zhuǎn)速變化對缸內(nèi)燃燒激勵響應(yīng)的影響，并利用振動位移信號進(jìn)行了缸內(nèi)壓力識別，得到以下結(jié)論：

a）缸蓋振動位移信號與缸內(nèi)壓力的變化趨勢一致性較好，可以用來識別缸內(nèi)壓力；振動速度信號與缸內(nèi)壓力升高率變化趨勢相近，理論上可以用來檢測燃燒始點及最高壓力升高率的變化，但實際應(yīng)用時受系統(tǒng)偏差的影響，不利于進(jìn)行精確檢測；振動加速度信號可以反映缸內(nèi)壓力升高加速度的變化情況，但實測信號干擾較大，不利于缸內(nèi)信息的識別；

b）轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，缸內(nèi)壓力出現(xiàn)相位和幅值上的變化，同時振動信號也出現(xiàn)相同的變化趨勢，這說明振動信號與缸內(nèi)壓力變化趨勢的對應(yīng)關(guān)系具有一定的穩(wěn)定性；

c）利用振動位移包絡(luò)信號趨勢項建立的缸內(nèi)壓力識別模型，能夠準(zhǔn)確識別不同工況下的缸內(nèi)壓力，對缸內(nèi)燃燒故障具有較好的檢測能力。

［1］喬新勇，劉建敏，張小明.柴油機燃油噴射系統(tǒng)故障振動診斷的試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2002（2）：36－39.

［2］張 雨，周軼塵，張志沛.利用機體表面振動信號診斷活塞環(huán)失效的研究［J］.振動工程學(xué)報，1997（4）：440－444.

［3］Ettefagh M M，Sadeghi M H，Pirouzpanah V，et al.Knock Detection in Spark Ignition Engines by Vibration Analysis of Cylinder Block a Parametric Modeling Approach［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2008，22（6）：1495－1514.

［4］Devasenapati S Sugumaran，Babu V，Ramachandran K I.Misfire Identification in a Four－Stroke Four－Cylinder Pet－rol Engine Using Decision Tree［J］.Expert Systems with Applications，2010，37（3）：2150－2160.

［5］杜海平，張 亮，史習(xí)智，等.基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)燃機氣缸壓力識別［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2001（3）：249－252.

［6］姚建軍，向 陽，王志華，等.基于傳遞函數(shù)法的柴油機氣缸壓力識別［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2006（2）：70－72.

［7］唐 娟.基于振動信號評價柴油機缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2010.

［8］張宏遠(yuǎn)，馬星國.一種發(fā)動機活塞的瞬態(tài)動力學(xué)分析［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2006，25（3）：32－34.

［9］Ribeiro J G T，Castro J T P，F(xiàn)reire J L F.New Improvements in the Digital Double Integration Filtering Method to Measure Displacements Using［C］／／Proceedings of the 19th International Modal Analysis Conference.Orlando：Pergamon press，2001.

［10］Sophocles J O.Introduction to Signal Processsing.Prentice Hall［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.