江國和，趙開琦，王志剛，楊智遠(yuǎn)，曾向明

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引言

船用柴油機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的往復(fù)機(jī)械，缸蓋表面振動(dòng)是內(nèi)部各種激勵(lì)力共同作用的結(jié)果，振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)非平穩(wěn)、非線性特征，必須使用先進(jìn)的信號(hào)處理方法，才能更準(zhǔn)確地對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷.［1]傳統(tǒng)的氣缸磨損試驗(yàn)法是人為加工活塞環(huán)產(chǎn)生不同的缸壁間隙，無法準(zhǔn)確地反映氣缸的真實(shí)磨損狀況，且試驗(yàn)大多集中在小型柴油機(jī)的診斷，所得結(jié)論不適用于大型船用低速柴油機(jī).常用于柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)分析的方法有快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)法、短時(shí)傅里葉變換(Short Time Fourier Transform，STFT)法以及小波變換法等.在分析線性、平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，F(xiàn)FT具有良好的性能，但對(duì)于非線性、非平穩(wěn)信號(hào)，由于FFT是在整個(gè)時(shí)間軸上的積分平均，信號(hào)的時(shí)間信息容易丟失.小波變換的實(shí)質(zhì)是一種窗口大小固定、形狀可變的FFT，其分析的準(zhǔn)確性受小波基函數(shù)的影響較大，不能從根本上擺脫FFT的局限.［1-2]基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)的 Hilbert變換是適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的方法.［1-5]它的基本思想是通過EMD將信號(hào)分解成一系列的本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，得到的IMF是近似單頻率成分的信號(hào);對(duì)每個(gè)IMF進(jìn)行Hilbert變換，最終得到 Hilbert邊際譜.［6-7]由于優(yōu)良的頻率分辨率和時(shí)間分辨率，該方法已被用于氣象學(xué)以及鋼軌振動(dòng)、地震波等分析中.［8-9]本文利用柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)，把基于EMD的Hilbert變換引入到柴油機(jī)氣缸磨損狀態(tài)監(jiān)測中，并對(duì)影響氣缸蓋振動(dòng)特性的因素進(jìn)行分析.

1 基于EMD的Hilbert變換

通過EMD方法，一個(gè)信號(hào)x(t)可以被分解為

式中:ci(t)是一個(gè)IMF;rn(t)是信號(hào)x(t)的殘余量.式(1)中的每一個(gè)ci(t)可由式(2)得到其Hilbert變換:

由以上定義，可以得到一個(gè)解析信號(hào)

式中:

通過式(5)，可以得到瞬時(shí)頻率

對(duì)每一個(gè)IMF進(jìn)行Hilbert變換后，原始的信號(hào)就可以表示為

這里忽略殘余函數(shù)rn(t)，Re代表取實(shí)數(shù).式(7)稱為Hilbert幅值譜，簡稱Hilbert譜，記為

由此得到邊際譜

邊際譜對(duì)時(shí)間積分能得到每個(gè)頻率成分所對(duì)應(yīng)的振幅或能量的總和，因此可以通過邊際譜提供的每個(gè)單一頻率的總振幅或總能量清楚地觀察到缸內(nèi)異常工作情況.

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括:6S35ME-B9型船用低速柴油機(jī)、水力測功器及測控系統(tǒng)、6個(gè)IMI的608A11加速度傳感器，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).測試系統(tǒng)和測點(diǎn)布置見圖1，其中1 ～6為6個(gè)缸，a，b，c，d，e，f為各缸對(duì)應(yīng)的傳感器測點(diǎn).

圖1 測試系統(tǒng)和測點(diǎn)布置

2.2 試驗(yàn)方法

(1)在正?；钊h(huán)與氣缸套間隙(0.183 0 mm)狀態(tài)時(shí)，按表1所示的工況改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n，并測量氣缸蓋表面的垂向振動(dòng)加速度信號(hào)，運(yùn)用Hilbert方法對(duì)其進(jìn)行分析.

表1 相同間隙的4種測量工況參數(shù)

(2)為研究柴油機(jī)活塞環(huán)與氣缸套間隙對(duì)缸蓋表面垂向振動(dòng)加速度的影響，采用柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)法.試驗(yàn)中將缸壁間隙s作為單一變量，假定其他條件均相同.具體實(shí)施方法:利用3種性能不同的氣缸潤滑油，使柴油機(jī)在額定工況(n=142 r/min，T=213.26 N·m)下運(yùn)轉(zhuǎn) 100 h，每運(yùn)轉(zhuǎn)25 h停機(jī)一次，測量活塞環(huán)與氣缸套間隙，從而產(chǎn)生4個(gè)不同的氣缸磨損間隙.此法比人為加工活塞環(huán)產(chǎn)生間隙的方法更能真實(shí)、準(zhǔn)確地反映氣缸內(nèi)的磨損狀況，有利于更加準(zhǔn)確地對(duì)柴油機(jī)磨損故障進(jìn)行監(jiān)測和診斷.具體實(shí)施方案:在第2和3缸中添加標(biāo)準(zhǔn)潤滑油A，在第1和2缸中添加性能較差的潤滑油B，在第5和6缸中添加性能更差的潤滑油C;在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，連續(xù)測取缸蓋振動(dòng)信號(hào);運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，吊缸測量活塞環(huán)與氣缸套的間隙.通過測量各缸的缸壁間隙發(fā)現(xiàn)，第5和6缸的缸壁間隙變化量最大，第1和2缸的缸壁間隙變化量次之，第3和4缸的缸壁間隙變化量最小.為了便于突出缸壁間隙對(duì)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的影響，選取第6缸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究.第6缸的缸壁間隙見表2.

表2 第6缸在額定工況下產(chǎn)生的缸壁間隙

3 振動(dòng)特性分析和數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)中柴油機(jī)氣缸蓋振動(dòng)的激勵(lì)源主要有:由缸內(nèi)氣體爆發(fā)壓力、排氣閥落座沖擊、排氣閥開啟氣流沖擊、高壓油管注油沖擊、活塞對(duì)氣缸套的撞擊以及相鄰氣缸的影響等.［10]本試驗(yàn)對(duì)象為低速二沖程氣口-氣閥式柴油機(jī)，其氣閥機(jī)構(gòu)為液壓式氣閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其排氣閥只做單純的垂向運(yùn)動(dòng)且不受側(cè)推力.液壓油的阻尼作用使氣閥對(duì)閥座的撞擊力減小，故排氣閥關(guān)閉瞬間閥體對(duì)閥座的沖擊相對(duì)較小，時(shí)域信號(hào)表現(xiàn)較弱.缸內(nèi)的氣體燃燒壓力對(duì)氣缸蓋也有較強(qiáng)的沖擊，且缸內(nèi)氣體壓力的降低有一個(gè)過程，表現(xiàn)為振動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長.由于柴油機(jī)長期運(yùn)轉(zhuǎn)中的磨損，缸壁間隙會(huì)不斷增大，使得活塞對(duì)氣缸套的撞擊力增大.撞擊能量通過剛性缸套向缸蓋傳遞，對(duì)缸蓋的振動(dòng)產(chǎn)生影響，但與其他激勵(lì)源相比該能量較小，信號(hào)的能量較小.圖2為額定工況下氣缸表面的振動(dòng)信號(hào)，工況參數(shù):T=213.26 N·m，n=142 r/min，P=3 472 kW，其中P為功率.圖2(a)為原始信號(hào)時(shí)域信號(hào)，可以看出其振動(dòng)呈現(xiàn)周期性且不穩(wěn)定特征;圖2(b)為經(jīng)過db10小波去噪后的時(shí)域信號(hào)，可以看到大部分干擾噪聲被去除.因此，可利用小波法對(duì)試驗(yàn)測得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪預(yù)處理，以便準(zhǔn)確地提取信號(hào)特征.

圖2 柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

3.1 轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對(duì)缸蓋振動(dòng)特性的影響

隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的改變，缸蓋的振動(dòng)特性會(huì)發(fā)生改變.［10-12]因?yàn)樵诒?所示的工況1～3下得到的振動(dòng)信號(hào)變化趨勢大致相同，所以只選取工況1和4進(jìn)行對(duì)比分析.圖3和4顯示正?；钊h(huán)與氣缸套間隙時(shí)，工況1和4下缸蓋振動(dòng)信號(hào)的傅里葉頻譜、功率譜密度以及邊際譜的分析結(jié)果.圖3(a)，3(b)，4(a)和4(b)顯示特征頻帶的頻率范圍以及在這些特征頻帶內(nèi)的振動(dòng)能量(即振動(dòng)強(qiáng)度).結(jié)果表明:柴油機(jī)在較小的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速工況下，振動(dòng)信號(hào)的特征頻帶主要集中在0.7～1.1 kHz范圍內(nèi)，信號(hào)頻率比較集中;當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速工況(工況4)時(shí)，出現(xiàn)高于2 kHz的高頻成分，且頻率成分較為復(fù)雜，但其高頻部分的功率譜密度較小;圖3(c)和4(c)表明隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的同時(shí)下降，氣缸內(nèi)的燃燒過程減緩，使得氣體力對(duì)缸蓋振動(dòng)的激勵(lì)作用減小，信號(hào)的能量相應(yīng)降低，能量較高的頻帶仍以小于0.5 kHz為主，在36.32 Hz處達(dá)到最大邊際譜加速度值2.490 m/s2，出現(xiàn)的高頻成分能量較小.因此，缸蓋振動(dòng)特性與柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

圖3 工況1振動(dòng)信號(hào)分析

圖4 工況4振動(dòng)信號(hào)分析

3.2 缸壁間隙對(duì)缸蓋振動(dòng)特性的影響

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中由于摩擦的存在，要消耗柴油機(jī)的部分有效功，使機(jī)械效率下降，造成能量損失.［13-14]在柴油機(jī)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各部件的表面之間，摩擦是無法避免的，尤其是活塞環(huán)與氣缸套之間的摩擦損失最為嚴(yán)重.由于摩擦，缸壁間隙隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不斷增大，導(dǎo)致活塞對(duì)氣缸套的撞擊增強(qiáng).因此，以缸壁間隙作為單一變量進(jìn)行研究.圖5～8顯示在額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下不同缸壁間隙時(shí)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的傅里葉頻譜、功率譜密度以及邊際譜的分析結(jié)果.

圖5 s=0.183 0 mm時(shí)振動(dòng)信號(hào)分析

圖6 s=0.195 0 mm時(shí)振動(dòng)信號(hào)分析

圖7 s=0.224 5 mm時(shí)振動(dòng)信號(hào)分析

圖8 s=0.260 9 mm時(shí)振動(dòng)信號(hào)分析

傅里葉頻譜和功率譜密度圖表明:當(dāng)間隙小于0.224 5 mm時(shí)，振動(dòng)信號(hào)特征頻帶主要集中在1 kHz附近;當(dāng)間隙超過 0.26 mm時(shí)，如當(dāng)間隙為0.260 9 mm時(shí)，特征頻帶主要以小于0.5 kHz的低頻為主，且特征頻帶能量增大;邊際譜圖表明隨著缸壁間隙的增大，特征頻帶的能量逐漸增大，且50～200 Hz頻帶的能量最大.

通過與變工況狀態(tài)下的分析結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)柴油機(jī)缸壁間隙達(dá)到或超過允許間隙0.26 mm時(shí)，缸蓋的振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出明顯的特征:信號(hào)頻率主要集中在0～500 Hz的范圍內(nèi)，且在11.56 Hz處達(dá)到最大邊際譜加速度值3.986 m/s2，其大于在正常間隙(0.183 0 mm)時(shí)額定工況下邊際譜的最大加速度值2.490 m/s2，可將其作為一個(gè)故障特征.

通過對(duì)比可知，傅里葉頻譜及功率譜密度譜線尖峰較多，無法準(zhǔn)確地提取信號(hào)特征，不便于診斷，而邊際譜可以較清楚地表明缸壁間隙的變化，能更準(zhǔn)確地提取信號(hào)特征，并可運(yùn)用到氣缸磨損故障的診斷中.

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)氣缸磨損振動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)無法準(zhǔn)確地反映柴油機(jī)在實(shí)際工作中氣缸內(nèi)的磨損特征的不足，提出采用柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)得到柴油機(jī)氣缸實(shí)際磨損狀況.通過對(duì)不同間隙狀況下柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的分析，得到缸壁間隙超過允許值0.26 mm時(shí)的缸蓋振動(dòng)特征(即在11.56 Hz處達(dá)到最大邊際譜加速度值3.986 m/s2)，說明基于EMD的Hilbert方法可以有效地處理大型低速柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)，并可運(yùn)用到氣缸磨損故障的診斷中.此外，通過對(duì)比可知，傅里葉頻譜及功率譜密度譜線尖峰較多，不便于診斷，而邊際譜譜線峰值明顯，可以更清楚地表明缸壁間隙的變化，便于特征提取.因此，通過Hilbert變換的邊際譜能夠更加準(zhǔn)確地提取缸蓋振動(dòng)信號(hào)的特征，提高對(duì)柴油機(jī)氣缸磨損故障診斷的準(zhǔn)確性.

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