李志勇, 趙紅東, 沈 虹, 趙慧敏, 王青峰

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津 300401； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部,天津 300161；3.陸軍軍事交通學(xué)院 投送裝備保障系,天津 300161； 4.陸軍軍事交通學(xué)院 教研保障中心,天津 300161)

0 引 言

內(nèi)燃機(jī)(包括柴油機(jī)、汽油機(jī))是一種最為常見(jiàn)的往復(fù)循環(huán)機(jī)械,在工程機(jī)械、航空、航海、汽車等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。尤其是汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展更是加大了其應(yīng)用量,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障占汽車故障總數(shù)的30%以上。而供油系統(tǒng)故障既是發(fā)動(dòng)機(jī)故障的一種重要表現(xiàn)形式,又是停機(jī)故障中發(fā)生率最高的一種[3]。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)與故障識(shí)別研究是往復(fù)循環(huán)機(jī)械的一類重要問(wèn)題,具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)濰柴WD615為研究對(duì)象開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,用高壓油路不同嚴(yán)重程度的漏油現(xiàn)象表征供油系統(tǒng)故障。目前高壓油路供油故障識(shí)別方法有2種：一是通過(guò)在高壓油管某處安裝液體壓力檢測(cè)傳感器通過(guò)檢測(cè)油壓來(lái)進(jìn)行供油狀況識(shí)別[4]；二是通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)上某處安裝振動(dòng)加速度傳感器采集該處振動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別,這種方法既有用于供油故障識(shí)別也有用于機(jī)械故障識(shí)別[5,6]。這兩種供油系統(tǒng)故障識(shí)別方法都存在一定的問(wèn)題：第一種方法雖操作簡(jiǎn)單,但發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作時(shí)油壓傳感器都是事先安裝固定好的,其位置是確定的,這與偶然突發(fā)的漏油位置往往并不吻合,從而容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷結(jié)果；對(duì)于第二種方法,通常是實(shí)驗(yàn)初始階段在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)加速度傳感器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)最終選定某一位置某一方向上的振動(dòng)信號(hào)作為有效信號(hào)使用[7],然而發(fā)動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)剛體,屬于往復(fù)循環(huán)機(jī)械,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸內(nèi)氣體燃燒形成的沖擊力同時(shí)作用在缸蓋頂部和側(cè)部[8],隨之產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào),這一對(duì)互相垂直方向上的正交振動(dòng)信號(hào)與單一方向上的振動(dòng)信號(hào)相比更能體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特征。廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)是一種前饋型有導(dǎo)師學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,是RBF的一種,局部逼近能力好、學(xué)習(xí)速度快、泛化能力良好、具有高度的容錯(cuò)性和魯棒性。是一種4層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：輸入層神經(jīng)元的值直接送給模式層神經(jīng)元；模式層激活函數(shù)為徑向基函數(shù)(通常采用高斯函數(shù)),運(yùn)算結(jié)果傳遞給求和層神經(jīng)元；求和層有2種神經(jīng)元,分別計(jì)算模式層神經(jīng)元加權(quán)與非加權(quán)響應(yīng)的和,并將這兩種求和結(jié)果送給輸出層神經(jīng)元；輸出層神經(jīng)元進(jìn)行除法運(yùn)算得到線性輸出。

本文不同于現(xiàn)有高壓油路供油故障識(shí)別方法，其在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋頂部和側(cè)部互相垂直方向上分別安裝振動(dòng)加速度傳感器,分高壓油路正常供油、漏油和斷油三種工況來(lái)采集發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)信號(hào),提取每組振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù),作為GRNN的輸入特征值,對(duì)不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行分類識(shí)別,即實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)故障的識(shí)別與診斷。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸蓋受力及振動(dòng)分析

柴油機(jī)燃燒工作時(shí),氣缸缸蓋受到多個(gè)力共同作用,如；缸內(nèi)氣體燃燒沖擊力、氣門對(duì)氣門座的撞擊力、曲軸機(jī)構(gòu)的往復(fù)慣性力、活塞換向撞擊力等,都將會(huì)在缸蓋表面產(chǎn)生振動(dòng)。如果在缸蓋上安裝振動(dòng)加速度傳感器,可通過(guò)采集的振動(dòng)信號(hào)來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況。

與高壓油路供油狀況相關(guān)的信息主要體現(xiàn)在缸內(nèi)氣體燃燒沖擊力形成的振動(dòng)信號(hào)上,氣缸內(nèi)混合氣體是各向同性的可壓縮流體,燃燒過(guò)程中形成的氣體壓力會(huì)同時(shí)作用在缸蓋頂部和側(cè)部。柴油機(jī)燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體壓力波動(dòng)方程[9]

(1)

方程左邊是氣體的自由波動(dòng)情況,p為氣缸內(nèi)氣體壓力,γ為絕熱指數(shù),C為理想氣體中小擾動(dòng)波傳播的速度,a為無(wú)量綱常數(shù),方程右邊是激勵(lì)源。這個(gè)氣體壓力波動(dòng)方程是三維波動(dòng)方程,同樣可以看出燃燒過(guò)程中形成的氣體壓力會(huì)同時(shí)作用在缸蓋頂部和側(cè)部。因此,要想客觀全面地反映氣缸內(nèi)燃燒狀況以及與之密切相關(guān)的高壓油路供油狀況,就應(yīng)該同時(shí)考慮由安裝在缸蓋頂部和側(cè)部的振動(dòng)傳感器捕獲的這一對(duì)正交振動(dòng)信號(hào)。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障識(shí)別流程

2.1 GRNN的選用

故障分類識(shí)別方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等[10],鑒于本文提出的將正交振動(dòng)信號(hào)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測(cè),分別選用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN)和廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),GRNN在該方法中能獲得更好的故障識(shí)別效果。

GRNN[11]是基于非線性回歸分析,依靠樣本數(shù)據(jù)的概率密度函數(shù)(通常用Parzen估計(jì)來(lái)估算概率密度函數(shù))建立輸入變量和目標(biāo)變量之間的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)x=x0給定時(shí),y的條件均值

(2)

對(duì)應(yīng)的GRNN輸出估計(jì)值

(3)

式中m為訓(xùn)練樣本數(shù)量。

2.2 基于GRNN的故障識(shí)別流程

基于GRNN的供油故障識(shí)別流程如圖1所示。這里,振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理是為了截取合適長(zhǎng)度的信號(hào)數(shù)據(jù),時(shí)域特征值S1～S15是兩路振動(dòng)信號(hào)都要提取的,時(shí)域特征值S16,S17是針對(duì)正交振動(dòng)信號(hào)提取的。

圖1 基于GRNN的供油故障識(shí)別流程

3 信號(hào)預(yù)處理與特征參數(shù)提取

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)用濰柴WD615為六缸直列、水冷直噴式柴油機(jī),發(fā)火順序1-5-3-6-2-4,額定轉(zhuǎn)速2 600 r/min,噴油壓力22.5 MPa。飛輪殼上安裝霍爾傳感器采集轉(zhuǎn)速、確定上止點(diǎn)；第6缸高壓油管上安裝油壓傳感器采集供油壓力和供油時(shí)刻；第6缸缸蓋頂部和側(cè)部分別安裝振動(dòng)加速度傳感器采集缸蓋頂部和側(cè)部振動(dòng)加速度。實(shí)驗(yàn)中,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在空載狀態(tài),設(shè)定轉(zhuǎn)速800 r/min,在第6缸高壓油管正常供油、漏油和斷油三種工況下,由上位機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡采集各傳感器信號(hào)。正常供油工況下分別采集70組數(shù)據(jù),漏油工況下分別采集60組數(shù)據(jù),斷油工況下分別采集50組數(shù)據(jù)。

濰柴WD615為六缸柴油機(jī),一個(gè)完整燃燒周期所對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角范圍為-360°CA～360°CA,于是第6缸燃燒做功所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角范圍為-360°CA～360°CA的1/6,即以第6缸上止點(diǎn)為參考點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角-60°CA～60°CA,在此期間第6缸燃燒做功,第6缸缸蓋表面振動(dòng)信號(hào)最為強(qiáng)烈,只要截取這一段曲軸轉(zhuǎn)角范圍所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)就能夠較為準(zhǔn)確地反映第6缸燃燒狀況以及與之密切相關(guān)的高壓油路供油狀況。為了確保數(shù)據(jù)的完整性，可將曲軸轉(zhuǎn)角由-60°CA～60°CA擴(kuò)展到-90°CA～90°CA。

3.2 特征參數(shù)提取

對(duì)振動(dòng)信號(hào)提取特征參數(shù),主要是時(shí)域、頻域和時(shí)頻域特征參數(shù),頻域和時(shí)頻域特征參數(shù)在提取過(guò)程中往往需要采用多種變換、分解等方法,計(jì)算較為復(fù)雜,本文采用相對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)單、快速的時(shí)域特征參數(shù)。

對(duì)于按照上述各傳感器數(shù)據(jù)截取方法,以第6缸上止點(diǎn)為參考點(diǎn)截取的曲軸轉(zhuǎn)角-90°CA～90°CA范圍的缸蓋頂部和側(cè)部振動(dòng)信號(hào),分別提取時(shí)域特征,包括：峰值、絕對(duì)峰值、峰—峰值、均值、絕對(duì)均值、均方根值、方差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、方根幅值、峭度指標(biāo)、偏度指標(biāo)、峰值指標(biāo)、波形指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo),這15個(gè)時(shí)域特征值分別用S1～S15表示。另外,考慮到缸蓋頂部和側(cè)部振動(dòng)信號(hào)是一對(duì)正交振動(dòng)信號(hào),特別引入2個(gè)正交特征參數(shù),即各工況缸蓋頂部振動(dòng)信號(hào)與相應(yīng)的缸蓋側(cè)部振動(dòng)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)峰值、峰峰值,這2個(gè)時(shí)域特征值分別用S16和S17表示。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在第6缸高壓油管正常供油、漏油和斷油三種工況下,按照上述數(shù)據(jù)截取方法,分別以每種工況時(shí)第6缸上止點(diǎn)為參考點(diǎn)截取曲軸轉(zhuǎn)角-90°CA～90°CA范圍的缸蓋頂部和側(cè)部振動(dòng)信號(hào),提取時(shí)域特征,作為GRNN的輸入信號(hào)。

現(xiàn)將各工況分類識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析如下。用缸蓋頂部振動(dòng)信號(hào)識(shí)別供油狀態(tài)時(shí),將振動(dòng)信號(hào)的S1～S15,共15個(gè)時(shí)域特征值作為故障特征向量作為GRNN的輸入,識(shí)別結(jié)果如圖2(a)所示。用缸蓋側(cè)部振動(dòng)信號(hào)識(shí)別供油狀態(tài)時(shí),將振動(dòng)信號(hào)的S1～S15,共15個(gè)時(shí)域特征值作為故障特征向量作為GRNN的輸入,識(shí)別結(jié)果如圖2(b)所示。同時(shí)用缸蓋頂部和側(cè)部振動(dòng)信號(hào)這一對(duì)正交振動(dòng)信號(hào)識(shí)別供油狀態(tài)時(shí),將缸蓋頂部振動(dòng)信號(hào)的S1～S15,缸蓋側(cè)部振動(dòng)信號(hào)的S1～S15,共30個(gè)時(shí)域特征值作為故障特征向量作為GRNN的輸入,識(shí)別結(jié)果如圖2(c)所示。同時(shí)用缸蓋頂部和側(cè)部振動(dòng)信號(hào)這一對(duì)正交振動(dòng)信號(hào)識(shí)別供油狀態(tài)時(shí),將缸蓋頂部振動(dòng)信號(hào)的S1～S15,缸蓋側(cè)部振動(dòng)信號(hào)的S1～S15,缸蓋頂部和側(cè)部正交振動(dòng)信號(hào)的正交特征參數(shù)S16和S17,共32個(gè)時(shí)域特征值作為故障特征向量作為GRNN的輸入,識(shí)別結(jié)果如圖2(d)所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

比較圖2(a)、圖2(b)對(duì)應(yīng)的兩種情況的供油狀態(tài)識(shí)別結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),用缸蓋側(cè)部振動(dòng)信號(hào)識(shí)別供油狀態(tài)效果很差,相對(duì)而言,用缸蓋頂部振動(dòng)信號(hào)識(shí)別供油狀態(tài)效果會(huì)有很大提高,這就是許多學(xué)者在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)識(shí)別時(shí)直接選用缸蓋頂部振動(dòng)信號(hào)而放棄缸蓋側(cè)部振動(dòng)信號(hào)的原因之一。但如果同時(shí)考慮這一對(duì)正交振動(dòng)信號(hào),就會(huì)得到圖2(c)所示的結(jié)果,同時(shí)考慮對(duì)高壓油管正常供油、漏油和斷油三種工況的識(shí)別結(jié)果時(shí),缸蓋頂部、側(cè)部這一對(duì)正交振動(dòng)信號(hào)的使用比單獨(dú)用單一方向上的振動(dòng)信號(hào)獲得了更好的供油狀態(tài)識(shí)別效果。在此基礎(chǔ)之上,如果進(jìn)一步挖掘正交振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性,引入正交特征參數(shù)S16,S17識(shí)別供油狀態(tài)的話,可以得到如圖2(d)所示的效果,三種工況下的狀態(tài)識(shí)別率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了90 %。

5 結(jié) 論

1)雖然在單獨(dú)研究缸蓋側(cè)部振動(dòng)信號(hào)對(duì)柴油機(jī)工作狀態(tài)識(shí)別效果時(shí)該信號(hào)沒(méi)有明顯的實(shí)際效用甚至可以將其作用忽略,但如果將其與缸蓋頂部振動(dòng)信號(hào)同時(shí)考慮的話,只用為數(shù)不多的時(shí)域特征值,就能得到明顯提高了的故障識(shí)別率；2)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,要想客觀全面地反映氣缸內(nèi)燃燒狀況以及與之密切相關(guān)的高壓油路供油狀況等問(wèn)題,就應(yīng)該同時(shí)考慮由安裝在缸蓋頂部和側(cè)部的振動(dòng)傳感器捕獲的這一對(duì)正交振動(dòng)信號(hào)。

這種柴油機(jī)工作狀態(tài)識(shí)別方法是基于柴油機(jī)這一往復(fù)循環(huán)機(jī)械的運(yùn)作特性提出來(lái)的,自然可以將其推廣應(yīng)用到其他往復(fù)循環(huán)機(jī)械的工作狀態(tài)識(shí)別中。