樊新海， 石文雷， 張傳清, 劉相波

(陸軍裝甲兵學院車輛工程系， 北京 100072)

大功率柴油機各缸工作狀態(tài)均勻一致，是保證其良好運行的重要條件之一。若氣缸工作均勻性不良，甚至存在失火故障，會導致柴油機的性能惡化，如平穩(wěn)性降低、振動噪聲增大、經(jīng)濟性變差和排放增加等。柴油機工作時必然伴隨著排氣噪聲，經(jīng)驗豐富者僅憑“聽音”就可鑒別一些典型故障，從而對其技術狀況做出主觀評價，足見排氣噪聲中包含著反映柴油機氣缸工作狀態(tài)的豐富信息[1-2]。

針對某型坦克柴油機氣缸工作狀態(tài)評估問題，筆者利用高斯函數(shù)復調(diào)制移頻來設計復解析帶通濾波器，對排氣噪聲主頻率成分進行窄帶濾波和包絡提取，以包絡最大幅值歸一化后的標準差為特征參數(shù)，通過合理確定濾波器中心頻率和帶寬實現(xiàn)優(yōu)化解調(diào)分析，從而建立了一種柴油機氣缸工作狀態(tài)評估和失火故障診斷方法。

1 柴油機排氣噪聲的特點

該型坦克動力裝置為V型12缸四沖程柴油發(fā)動機，在車體內(nèi)縱置，從兩側向外排氣，每側6缸。根據(jù)柴油機的工作特點可知[3]：曲軸旋轉2周完成一個工作循環(huán)，每缸爆發(fā)1次，共爆發(fā)12次。若柴油機轉速為n(r/min)，則氣缸爆發(fā)頻率為n/10(Hz)，而單側排氣噪聲的基頻應為n/20(Hz)。

將坦克停放在低背景噪聲的空曠平坦地帶，原地啟動柴油機，轉速控制在1 000 r/min，在一側排煙口附近測得正常狀態(tài)和一缸失火狀態(tài)時的排氣噪聲信號分別如圖1、2所示，其正常狀態(tài)時排氣噪聲信號的幅值譜如圖3所示。由圖3可以看出：幅值最大時對應頻率為50 Hz，與柴油機轉速為1 000 r/min時單側排氣噪聲的基頻50 Hz相吻合，說明完全符合柴油機的工作特點。

根據(jù)柴油機間歇式做功的工作特點，當其平穩(wěn)運轉時，排氣噪聲主頻率成分具有較強的周期性，利用窄帶濾波可將其提取出來。同時，由于各缸工作存在差異，窄帶信號還具有明顯的幅值調(diào)制特征，其包絡起伏程度能夠反映柴油機各缸工作的均勻性。

2 柴油機排氣噪聲的優(yōu)化解調(diào)分析

提取柴油機排氣噪聲中的主頻率成分及其包絡的方法有很多種，如：采用傳統(tǒng)無限沖激響應濾波器或有限沖激響應濾波器對信號進行濾波，再利用Hilbert變換提取包絡；也可采用不同的小波基在不同尺度下進行小波變換，再求取特定尺度下變換結果信號的包絡；又可采用經(jīng)驗模態(tài)分解或局域均值分解等自適應信號分解方法先對信號進行子帶分解，再提取特定子帶的包絡[4-5]。

本文采用高斯函數(shù)復調(diào)制移頻方法設計解析帶通濾波器。濾波器的帶寬選擇非常重要，其中：帶寬越窄，濾波后的信號越接近單頻率信號，其包絡越平直；帶寬越寬，濾波后的信號中則保留越多的其他頻率成分，其包絡起伏越劇烈。因此，重點對濾波器的帶寬選擇進行優(yōu)化確定。

2.1 復解析帶通濾波器設計原理

均值為0、標準差為σ的正態(tài)分布概率密度函數(shù)為

(1)

正態(tài)分布也稱高斯分布，所以f(t)又稱為高斯函數(shù)，其傅里葉變換為

F(Ω)=e-σ2Ω2/2。

(2)

由式(1)、(2)可以看出：f(t)和F(Ω)都是實偶的指數(shù)函數(shù)形式[6]。

當σ分別取0.5、1、2時，f(t)和F(Ω)的波形分別如圖4、5所示。對比圖4、5可知：高斯函數(shù)中的σ可用來調(diào)節(jié)f(t)和F(Ω)的形狀，故稱之為形狀參數(shù)，通過合理選擇σ，可使f(t)和F(Ω)在時域和頻域都具有較好的集中性；F(Ω)具有低通特性，帶寬取決于σ。

(3)

因此，F(xiàn)(Ω)可看作是中心頻率為0、通頻帶為(-Ωc，Ωc)的低通濾波器。

將f(t)與一復正弦函數(shù)ejΩ0t相乘，記為

(4)

式中：Ω0為載波頻率。這樣，h(t)可看作是f(t)與ejΩ0t復調(diào)制所得。由式(2)可直接得到h(t)的傅里葉變換為

H(Ω)=F(Ω-Ω0)=e-[σ(Ω-Ω0)]2/2。

(5)

結合式(2)、(5)可得：相對于F(Ω)，H(Ω)頻譜的形狀不變，但中心頻率由0變?yōu)棣?，相當于將F(Ω)平移至Ω0處，使之具有帶通特性。這樣H(Ω)可看作是中心頻率為Ω0、帶寬為σ、通頻帶為(Ω0-Ωc/2，Ω0+Ωc/2)的帶通濾波器。因此，通過合理選擇Ω0和σ就可以設計所需的帶通濾波器[7]。

由于濾波器h(t)是復解析的，濾波的幅頻特性只有正頻率成分，沒有負頻率成分，其虛部hI(t)是實部hR(t)的Hilbert變換。因此，實信號濾波后可變?yōu)閺托盘?，對其實部或虛部直接取模得到包絡，即可將濾波過程和包絡提取結合起來一并實現(xiàn)。

2.2 復解析濾波器帶寬優(yōu)化選取

根據(jù)本文柴油機排氣噪聲測試數(shù)據(jù)復解析帶通濾波器，其中心頻率取f0=50 Hz。優(yōu)化選取帶寬的步驟為：

1) 給定濾波器帶寬的初始值fB1、帶寬增量ΔfB和結束值fB2。

2) 選擇濾波后主頻率成分包絡最大幅值歸一化后的標準差，作為反映柴油機氣缸工作均勻性的特征參數(shù)，記正常狀態(tài)時為σ1，失火狀態(tài)時為σ2，二者之比為kσ=σ2/σ1。

3) 利用2.1節(jié)中復解析帶通濾波器的設計方法，循環(huán)計算出不同帶寬對應的σ1、σ2和kσ，畫出其隨帶寬變化的曲線。

4) 依據(jù)某種準則確定最優(yōu)的濾波器帶寬。

本文給定fB1=10 Hz，ΔfB=2 Hz，fB2=80 Hz，得到σ1、σ2、kσ和帶寬fB之間的關系,分別如圖6-8所示。由圖6、7可知：σ1、σ2隨濾波器帶寬的增加均有增大趨勢。由圖8可知，kσ變化可分為3段：10～34Hz時逐漸增大(前段)；36～56 Hz時基本穩(wěn)定(中段)；58～80 Hz時逐漸減小(后段)。

為了反映σ1、σ2之間的區(qū)別，應該取kσ最大值對應的fB作為解析濾波器的最優(yōu)帶寬，但從kσ的變化規(guī)律來看，最大值出現(xiàn)在較為平直的中間段，此時提取到的窄帶信號將包含過多主頻率成分以外的其他頻率成分。因此，本文取前段和中間段交接處對應的fB作為解析濾波器的最優(yōu)帶寬，此時fB=34 Hz，σ1=0.086 1，σ2=0.127 8，kσ=1.484 4。2種不同狀態(tài)時排氣噪聲窄帶濾波后的主頻率成分及其包絡如圖9所示?？梢钥闯觯阂桓资Щ鸷?，柴油機排氣噪聲主頻率成分的某一波峰峰值出現(xiàn)明顯的周期性偏小，且包絡整體起伏加劇。

3 柴油機氣缸工作狀態(tài)評估

柴油機的工作狀態(tài)非常復雜，供油量、油品質(zhì)量、供氣量、含氧量、配氣相位和氣缸密封性等都會對柴油機輸出功率產(chǎn)生影響。因此，多數(shù)情況下柴油機氣缸處于工作不充分狀態(tài)，而失火(不考慮具體原因)是工作不充分的極限情況。另外，如果存在兩缸及以上失火，通常駕駛員就可憑駕駛感覺作出判斷。本文選定具有較強代表性、在實車上模擬試驗容易實現(xiàn)，且對裝備基本不會產(chǎn)生其他不良影響的2種狀態(tài)(一缸失火狀態(tài)與正常狀態(tài))進行對比分析。

在與前文噪聲測試相同的試驗條件下，實測該型坦克柴油機排氣噪聲，然后取中心頻率f0=50 Hz、帶寬fB=34 Hz設計復解析濾波器，并進行主頻率成分和包絡提取。以包絡最大幅值歸一化后的標準差σB為特征參數(shù)，并給定合理界限值，實現(xiàn)柴油機氣缸工作狀態(tài)檢測評估和失火故障診斷。

σB值越小，說明排氣噪聲主頻率成分的包絡越平直，柴油機氣缸工作均勻性越好；反之，說明排氣噪聲主頻率成分的包絡起伏越劇烈，柴油機氣缸工作均勻性越差，甚至存在失火故障。本文將柴油機氣缸工作狀態(tài)分為A(很好)、B(一般)、C(不滿意)3個等級，并經(jīng)過統(tǒng)計分析初步給定各等級的界限值，如表1所示。

表1 氣缸工作狀態(tài)評估等級和界限值

由表1可知：當σB<0.08時，可認為柴油機氣缸工作均勻性很好；當0.08≤σB≤0.12時，可認為柴油機氣缸工作均勻性一般；當σB>0.12時，可認為柴油機氣缸工作均勻性不滿意，可能存在失火故障。

4 結論

本文提出了一種基于復解析帶通濾波器的排氣噪聲信號優(yōu)化解調(diào)分析方法，實現(xiàn)了柴油機氣缸工作狀態(tài)評估和失火故障檢測。結果表明：

1) 根據(jù)給定的高斯函數(shù)形狀參數(shù)σ和載波頻率Ω0，利用復調(diào)制移頻方法可設計出所需復解析帶通濾波器，且在提取特定頻帶信號包絡時，可將濾波過程和包絡提取過程一并實現(xiàn)。

2) 排氣噪聲主頻成分具有較強的周期性和幅值調(diào)制特征，通過優(yōu)化解調(diào)分析確定濾波器帶寬提取包絡，使用包絡信號最大幅值歸一化后的標準差σB作為特征參數(shù)，合理給定閾值，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機氣缸工作狀態(tài)檢測評估和失火故障檢測。

該方法不存在傳感器安裝困難的問題，便于在低背景噪聲場合現(xiàn)場開展檢測，易于推廣應用。

參考文獻：

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