高志龍，霍柏琦，唐松林，么子云，張進杰

（1.高端機械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點實驗室，北京化工大學(xué)，北京 100029；2.海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161；　3.中石油云南石化有限公司，昆明 650300）

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根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速與沖擊信號診斷柴油機故障的方法

高志龍1，霍柏琦2，唐松林3，么子云1，張進杰1

（1.高端機械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點實驗室，北京化工大學(xué)，北京 100029；2.海軍裝備研究院 艦船所，北京 100161；3.中石油云南石化有限公司，昆明 650300）

建立多缸柴油機傳動機構(gòu)三維實體模型，理論上模擬柴油機正常以及異常發(fā)火情況下的瞬時轉(zhuǎn)速波形圖，分析其故障特征。以WP10.340E32型柴油機為研究對象，搭建柴油機故障模擬實驗臺以及柴油機運行在線監(jiān)測系統(tǒng)，模擬、捕捉柴油機單缸不點火故障。從得到瞬時轉(zhuǎn)速、特定相位缸體振動信號入手，對比正常情況下信號特征，分析失火故障與特征信號的內(nèi)在聯(lián)系。通過仿真和實測數(shù)據(jù)證明瞬時轉(zhuǎn)速結(jié)合振動沖擊相位信號可有效識別柴油機失火故障并且能準(zhǔn)確定位故障缸所在位置，從而實現(xiàn)診斷過程的簡化。

振動與波；柴油機；失火；瞬時轉(zhuǎn)速；發(fā)火相位沖擊；故障診斷

柴油機作為最常用的動力機械設(shè)備之一，在船舶、車輛、各類工程機械、農(nóng)業(yè)機械行業(yè)中發(fā)揮重要作用。其部件繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，往往會停工停產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至使得關(guān)鍵設(shè)備受損，危及人身安全。

柴油機故障診斷一直以來都是研究的熱點。目前，診斷方法主要有以下幾種：通過儀表監(jiān)測柴油機的油溫、水溫、壓力等熱力性能參數(shù)［1］；應(yīng)用信號處理方法對設(shè)備的振動信號、溫度信號、動態(tài)壓力信號進行分析，通過信號特征的變化進行監(jiān)測［2］；應(yīng)用油液分析技術(shù)，定期對潤滑油中金屬微粒成分、含量及顆粒度進行測量，對機體內(nèi)部磨損程度和磨損部位做出判定［3］。失火是柴油機常見故障之一，對于動力輸出、扭矩傳遞、軸系受力平衡有嚴(yán)重影響。柴油機瞬時轉(zhuǎn)速可反映機組輸出轉(zhuǎn)速的波動情況，借此可得知各個氣缸燃燒做功情況［4］；缸體振動信號中蘊含著大量機器運行信息，是柴油機運行狀態(tài)最直觀的特征信號［5］。目前，柴油機失火故障監(jiān)測方法中應(yīng)用較廣泛的主要有發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速波動方法、缸內(nèi)壓力監(jiān)測法和火花塞離子流監(jiān)測法等［6］。缸內(nèi)壓力監(jiān)測法需要在缸內(nèi)安裝動態(tài)壓力傳感器，成本較高，安裝不便，對于一般的機組無法推廣使用；而火花塞離子流監(jiān)測僅適用于汽油機，柴油機屬壓燃機，沒有火花塞，無法使用該方法。瞬時轉(zhuǎn)速波動方法最常用，其信號提取容易，但發(fā)動機工況復(fù)雜多變，轉(zhuǎn)速波動頻繁，容易造成誤判。

文中通過理論分析與仿真計算相結(jié)合的方法，研究多缸柴油機正常與失火故障情況下缸體振動特定相位沖擊信號以及瞬時轉(zhuǎn)速波形圖。并將二者進行對比，得出發(fā)動機失火故障的一般規(guī)律現(xiàn)象，并將該規(guī)律應(yīng)用于柴油機故障在線監(jiān)測實驗臺，取得到較好的實驗效果，可對柴油發(fā)動機失火故障的診斷提供相關(guān)參考。

1　理論及數(shù)學(xué)模型分析

1.1柴油發(fā)動機的動力學(xué)模型簡化

在發(fā)動機的理論模型中，曲柄連桿機構(gòu)是分析其動力學(xué)性能的重要部分，其中活塞作往復(fù)直線運動，連桿作平面運動，曲軸作旋轉(zhuǎn)運動。忽略活塞與缸壁之間的摩擦力，柴油發(fā)動機單缸內(nèi)作用在活塞上的力主要有：往復(fù)慣性力Pj，氣體作用力Pg。曲柄連桿機構(gòu)受力分析如圖1所示。

圖1　柴油機曲柄連桿機構(gòu)受力分析

1.2活塞的運動規(guī)律

設(shè)x為活塞位移（上止點位置為起點），ν為活塞速度，則有

1.3瞬時轉(zhuǎn)速仿真簡化模型計算原理

將式（1）、式（10）分別代入式（4）后化簡可得

A為活塞燃燒室作用面積，以單缸柴油機為例，根據(jù)簡化柴油機動力學(xué)模型，可以得到運動方程為［7］

式中θ為曲軸轉(zhuǎn)角；TL為負(fù)載力矩；TX為總切向力矩；I0為柴油機旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量。在柴油機穩(wěn)定工況下TL=-TX。由連桿、活塞機構(gòu)的幾何關(guān)系，多缸機的動力方程為

其中i為氣缸號；n為氣缸數(shù)量；pi為第i缸曲軸轉(zhuǎn)角θ時的氣體壓力；?i為第i缸點火角度；m為往復(fù)質(zhì)量

上式中d·θ/dθ為瞬時轉(zhuǎn)速，表示柴油機在一個較小曲柄轉(zhuǎn)角內(nèi)的角速度平均值［8］，恒定工況下ω為常量，故瞬時轉(zhuǎn)速是曲軸轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)，呈現(xiàn)周期性變化。通過觀察瞬時轉(zhuǎn)速波動大小，可初步判斷柴油機缸內(nèi)燃燒是否正常。

2　三維實體建模及仿真

2.1PRO/E與Adams聯(lián)合仿真

以TBD620V16型號的V型16缸柴油機為建模仿真對象。首先在PRO/E中建立柴油機傳動系統(tǒng)三維實體零件模型，主要包括：飛輪、曲軸、活塞連桿組件以及正時齒輪系。其中，正時齒輪系包括曲軸傳動齒輪、凸輪軸傳動齒輪、冷卻水泵傳動齒輪、潤滑油泵傳動齒輪等8個齒輪部件。然后把裝配好的模型以實體格式導(dǎo)入到Adams軟件中，按照實體運動形式在導(dǎo)入的模型上添加齒輪副、轉(zhuǎn)動副、移動副、固定副等運動副。裝配好的三維實體模型如圖2所示。

圖2　TBD620V16傳動系統(tǒng)三維圖

2.2單缸氣體壓力模擬

利用AVL BOOST建立工作過程模型，根據(jù)該柴油機主要設(shè)計參數(shù)（如表1所示）通過軟件進行參數(shù)化設(shè)置，最后模擬得到額定工況下單缸氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線［9］。

表1　TBD620柴油機主要設(shè)計參數(shù)

2.3瞬時轉(zhuǎn)速及沖擊信號模擬

將模擬得到的氣體壓力變化曲線，按照式（13）建立驅(qū)動力矩函數(shù)，并添加到Admas所建立的三維實體模型中。在上述驅(qū)動力矩作用下，模擬TBD620V16柴油機額定工況下，工作一個循環(huán)周期內(nèi)瞬時轉(zhuǎn)速隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的波動情況以及發(fā)火相位上振動沖擊隨曲軸轉(zhuǎn)角變化情況。模擬得到正常情況下瞬時轉(zhuǎn)速及振動沖擊波形如圖3所示；B2缸單缸失火故障情況下，瞬時轉(zhuǎn)速及振動沖擊波形如圖4所示。

圖3　額定工況下瞬時轉(zhuǎn)速波動及缸體振動波形圖

圖4　B2缸失火情況下瞬時轉(zhuǎn)速波動及振動沖擊波形圖

TBD620V16柴油機按照A1—B2—A6—B5—A8—B7—A3—A7—B6—A4—B8—A2—B3—A5—B1—B4的點火順序依次做功，且相鄰兩個點火缸之間相位相差45°。從圖上可知：

（1）正常點火情況下，瞬時轉(zhuǎn)速和相位振動沖擊波形圖上均能看到16個點火波峰。

（2）相比正常情況，B2缸失火時在曲軸轉(zhuǎn)角為40°—100°范圍內(nèi)，瞬時轉(zhuǎn)速波形出現(xiàn)凹陷（見圖4中黑色圓圈部分）。

（3）相比正常情況，B2缸失火時在40—100°區(qū)域內(nèi)，發(fā)火相位振動沖擊波形峰值明顯小于波形圖上其他點火相位峰值（見圖4中黑色圓圈部分）。

分析可知，波形圖上每一個波峰分別代表相應(yīng)氣缸發(fā)火沖擊。B2缸的點火相位為45°，位于40—100°相位范圍，屬于其做功沖程。B2缸失火可導(dǎo)致瞬時轉(zhuǎn)速波形在其點火相位附近出現(xiàn)異常凹陷，且振動沖擊加速度波形同樣在該點火相位處發(fā)生凹陷。

3　柴油機失火故障實驗研究

3.1故障模擬實驗臺

以WP10.340型柴油機為主體搭建發(fā)動機故障模擬實驗臺，進行故障模擬實驗，并采集故障特征參數(shù)。實驗臺主要由柴油機、中冷器、渦輪增壓器及其附屬設(shè)備組成。柴油機實驗臺如圖5所示，主要參數(shù)如表2所示。

圖5　故障模擬實驗臺

表2　柴油機主要參數(shù)

3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為得到瞬時轉(zhuǎn)速和缸體振動信號，搭建一個具備軟硬件的數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器、顯示器以及數(shù)據(jù)采集軟件組成，具體配置如表3所示。實驗臺及傳感器布置如圖6所示。

表3　實驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置

圖6　系統(tǒng)測點布置圖

通過電渦流傳感器來實現(xiàn)瞬時轉(zhuǎn)速的測量。具體做法是：將電渦流傳感器通過螺母、墊片固定到柴油機機體上的預(yù)留孔中，使傳感器探頭正對著發(fā)動機同軸聯(lián)接的啟動飛輪齒圈。用電渦流傳感器傳送出轉(zhuǎn)角信號，然后用計數(shù)器記錄轉(zhuǎn)角信號之間的時間間隔，用每一角度分辨率下的平均轉(zhuǎn)速近似代替瞬時轉(zhuǎn)速；通過加速度傳感器來測量振動沖擊相位信號。具體做法是：在柴油機每個缸的缸體上方加裝一個加速度傳感器，根據(jù)振動傳遞規(guī)律，各個傳感器測得的最大振動沖擊即為其所在位置缸的點火爆發(fā)沖擊。結(jié)合鍵相信號標(biāo)記的起始缸活塞上止點位置以及柴油機的點火順序即可得到振動沖擊相位信號。

傳感器采集到的物理信號，通過數(shù)采器進行A/ D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器上，再經(jīng)過數(shù)采軟件、中間軟件最終顯示到電腦客戶端上?？蛻舳司哂袛?shù)據(jù)存儲、處理功能，可顯示機組運行狀態(tài)圖、歷史比較圖，進行頻譜、功率分析等?？蓪崿F(xiàn)對機組的實時在線監(jiān)測，記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.3故障模擬實驗及結(jié)果分析

3.3.1故障模擬實驗

本實驗臺使用的是6缸直列式柴油機，噴油泵上每個汽缸都單獨對應(yīng)有一個噴油孔。任選一缸，采用單缸斷油法模擬其失火故障。以6號缸為例模擬失火故障，開展實驗。圖7為正常點火情況下瞬時轉(zhuǎn)速波動圖與缸體振動波形圖。圖8為單缸失火情況時低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況下瞬時轉(zhuǎn)速波形圖與缸體振動波形圖。

3.3.2實驗結(jié)果分析

六缸柴油機的點火順序為1-5-3-6-2-4，相鄰點火缸之間有120°相位差。對比分析可得：

（1）正常工作情況下，柴油機輸出的瞬時轉(zhuǎn)速以及缸體振動沖擊均能看到間隔120°相位的6個點火沖擊波。

（2）不同工況下，單缸失火對應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)速波形圖都出現(xiàn)抖動且第四個波峰出現(xiàn)明顯削峰現(xiàn)象，該位置為6號缸點火相位處。

（3）單缸失火情況下，不同缸的振動波形圖中第四個沖擊缺失，正對應(yīng)6號缸點火相位處。

圖7　正常點火情況下瞬時轉(zhuǎn)速波動及6號缸振動波形圖

圖8　單缸失火情況下不同轉(zhuǎn)速時瞬時轉(zhuǎn)速波動及缸體振動圖

分析可知，缺失的波峰是由于6號缸失火造成。故根據(jù)瞬時轉(zhuǎn)速波形以及振動沖擊相位波形圖變化情況可以判斷柴油機失火故障并準(zhǔn)確定位故障缸位置。這與理論模擬結(jié)論是一致的。

4　結(jié)語

首先通過理論分析研究柴油機力學(xué)模型，推導(dǎo)瞬時轉(zhuǎn)速表達式，從理論上證明了瞬時轉(zhuǎn)速可反映缸內(nèi)燃燒做功情況。然后建立復(fù)雜多缸柴油機傳動機構(gòu)三維模型，并對模型進行仿真計算，得出了瞬時轉(zhuǎn)速以及缸體振動波形圖在失火情況下的故障特征。最后，搭建故障模擬試驗臺，通過實驗驗證了上述方法對于一般多缸柴油機的有效性。得到的主要結(jié)論如下：

（1）建立復(fù)雜多缸柴油機模型，仿真模擬正常及失火故障情況下的瞬時轉(zhuǎn)速及缸體振動波形圖，證明了瞬時轉(zhuǎn)速及缸體振動對于失火類故障診斷、準(zhǔn)確定位的有效性。

（2）搭建的柴油機運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)取得了良好的實驗效果，為基于瞬時轉(zhuǎn)速及缸內(nèi)發(fā)火相位上振動沖擊信號的柴油機失火故障診斷方法的實際應(yīng)用打下了一定基礎(chǔ)。

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Study on Fault Diagnosis Method for Diesel Engines Based on Instantaneous Speed and Impact Signal

GAO Zhi-long1，HUO Bai-qi2，TANG Song-lin3，YAO Zi-yun1，Zhang Jin-jie1

（1.Beijing Key Laboratory of Health Monitoring Control and Fault Self-recovery for High-end Machinery，Beijing University of Chemical Technology，Beijing，100029，China；2.NavalAcademy ofArmament，Beijing 100161，China；3.Petro China Yunnan Petrochemical Co.Ltd.，Yunnan 650300，China）

A three-dimensional solid model of a multi-cylinder diesel engine is established.The instantaneous speed waveform diagrams under normal and abnormal combustion situations are simulated.The fault characteristics are analyzed. With the WP10.340E32 diesel engine as the object，a test bench for diesel engine fault simulation is built，and an on-line monitoring system for monitoring the operation condition of the engine is established to simulate and capture misfire fault of the diesel engine.Comparing the normal signals with the abnormal signals of the acquired instantaneous speed and cylinder vibration signals，the internal relation between the misfire fault and the characteristics signals is analyzed.The simulation and experimental results show that the combination of the instantaneous speed with the vibration signals can effectively identify the misfire fault of the diesel engine and locate the faulty cylinder accurately.And the diagnostic process is also simplified.

vibration and wave；diesel engine；misfire；instantaneous speed；impact of firing phase；fault diagnosis

TH165+.3

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.033

1006-1355（2016）04-0156-05+182

2016-01-21

973計劃資助項目（2012CB026005）；863計劃資助項目（2014AA041806）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（JD1506）

高志龍（1989-），男，陜西省漢中市人，碩士研究生，研究方向為活塞式發(fā)動機運行狀態(tài)智能在線監(jiān)測及故障診斷。

張進杰，男，博士后，研究方向為往復(fù)機械故障監(jiān)測診斷與節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)。E-mail:zjj87427@163.com