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基于缸蓋振動(dòng)信號(hào)分析的柴油機(jī)工況識(shí)別

發(fā)布日期:2009/12/9 點(diǎn)擊次數(shù):4805

摘要：柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)富含氣閥落座、氣體爆發(fā)壓力等激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)對(duì)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒異常、氣閥間隙異常等狀態(tài)信息。文中分別提取了氣體爆發(fā)壓力和氣閥落座激勵(lì)的缸蓋振動(dòng)特征信號(hào)，然后采用時(shí)間序列方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，提出了相關(guān)的狀態(tài)特征參數(shù)。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；缸蓋振動(dòng)；信號(hào)分析；故障診斷

0前言

柴油機(jī)缸蓋受進(jìn)、排氣閥落座，噴油器針閥落座，氣體爆發(fā)壓力，缸蓋與缸體的耦合力等激振力以及其它缸體振動(dòng)的影響，使得柴油機(jī)缸蓋具有振源多、形態(tài)復(fù)雜、振動(dòng)類型多樣等特點(diǎn)。而缸蓋的振動(dòng)信號(hào)體現(xiàn)了各激勵(lì)源的狀態(tài)信息。對(duì)柴油機(jī)缸蓋的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與信號(hào)分析可及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣閥間隙的異常，分析柴油機(jī)內(nèi)部燃燒狀況等功能。本文通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)，分別截取氣閥激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)，以及氣體力激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)，然后采用時(shí)間序列分析方法對(duì)特征信號(hào)進(jìn)行分析，提取相關(guān)的特征參數(shù)，用于柴油機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

1實(shí)驗(yàn)方案

以6260ZC型增壓四沖程柴油機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，該機(jī)為6缸直列式，缸徑260mm，活塞行程340mm，額定轉(zhuǎn)速400r/min，額定功率370kW。氣閥正時(shí)（以曲柄轉(zhuǎn)角計(jì)）：進(jìn)氣閥在上止點(diǎn)前73°開(kāi)，下止點(diǎn)后37°關(guān)；排氣閥于下止點(diǎn)前45°開(kāi)，上止點(diǎn)后65°關(guān)。噴油提前角為上止點(diǎn)前8°~14°。

試驗(yàn)中為考察的針對(duì)性，分別在第1、2缸進(jìn)氣閥附近的缸蓋和排氣閥閥殼上布置YD系列加速度傳感器。采樣頻率為14kHz，采樣長(zhǎng)度為16383點(diǎn)。信號(hào)的分析與處理在自編程序《柴油機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析與故障診斷系統(tǒng)》中完成。為對(duì)缸蓋信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)了第1缸上止點(diǎn)信號(hào)。試驗(yàn)條件如表1所示。

2船舶柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)特征識(shí)別與分析

根據(jù)四沖程柴油機(jī)原理，進(jìn)、排氣閥開(kāi)啟時(shí)，由于受換氣機(jī)構(gòu)中頂桿—搖臂機(jī)構(gòu)的撞擊作用，對(duì)缸蓋有一個(gè)沖擊力，這個(gè)沖擊力相對(duì)較小，信號(hào)不太明顯。進(jìn)、排氣閥關(guān)閉時(shí)，由于受氣閥彈簧的回復(fù)力作用，氣閥對(duì)閥座產(chǎn)生一個(gè)撞擊力，且沖擊力較大。由此可見(jiàn)，四沖程柴油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，進(jìn)、排氣閥各有兩次瞬間激勵(lì)。缸內(nèi)氣體爆發(fā)壓力的降低有一個(gè)過(guò)程，表現(xiàn)在缸蓋振動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。圖1為推進(jìn)特性，75%負(fù)荷，轉(zhuǎn)速為363r/min，排氣閥閥殼和進(jìn)氣閥側(cè)缸蓋的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)圖，結(jié)合上止點(diǎn)信號(hào)，可以對(duì)各幅值頻段進(jìn)行識(shí)別。

表1 試驗(yàn)條件一覽表

(a)排氣閥閥殼蓋

(b)進(jìn)氣閥側(cè)缸蓋

圖1柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，氣閥落座由于受彈簧恢復(fù)力作用直接作用于缸蓋上的閥座。所以撞擊力較大，激起缸蓋振動(dòng)的幅值較大；氣體力激勵(lì)缸蓋及閥殼的振動(dòng)信號(hào)明顯呈下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)闅怏w力在最高爆發(fā)壓力之后是逐漸減小的，與實(shí)際相符。

通過(guò)對(duì)機(jī)體表面振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別和提取，然后就可對(duì)相應(yīng)的特征信號(hào)進(jìn)行分析。在截取時(shí)域信號(hào)過(guò)程中，可以采用中心取值的辦法，即首先找到某特征信號(hào)，然后根據(jù)該特征波峰所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，分別向前、向后截取一段數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度視具體對(duì)象而定，截取的信號(hào)中應(yīng)盡量不要包含其它的特征信號(hào)。

2.1柴油機(jī)燃燒激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)分析

由柴油機(jī)原理可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速保持不變，柴油機(jī)的有效功率與平均有效壓力成正比。當(dāng)柴油機(jī)的負(fù)荷改變時(shí)，改變相應(yīng)的循環(huán)噴油量，這就意味著缸內(nèi)氣體平均有效壓力隨之改變，而缸內(nèi)氣體力的變化可反映在缸蓋的振動(dòng)上。理論上講，利用缸蓋的振動(dòng)可以監(jiān)測(cè)柴油機(jī)負(fù)荷的變化。

為考察負(fù)荷變化對(duì)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)的影響，試驗(yàn)在額定轉(zhuǎn)速下，按負(fù)荷特性進(jìn)行。試驗(yàn)條件分別為50%負(fù)荷、75%負(fù)荷、90%負(fù)荷、100%負(fù)荷。根據(jù)氣門定時(shí)，從進(jìn)氣閥側(cè)柴油機(jī)缸蓋的振動(dòng)信號(hào)中截取對(duì)應(yīng)燃燒激勵(lì)響應(yīng)段進(jìn)行分析。為了同時(shí)運(yùn)用參數(shù)法和非參數(shù)法進(jìn)行功率譜估計(jì)，這里截取樣本長(zhǎng)度512點(diǎn)。在用參數(shù)法進(jìn)行功率譜估計(jì)前，首先需對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。本文采用時(shí)序AR（自回歸）模型，建模中采用AIC準(zhǔn)則函數(shù)法進(jìn)行模型定階，采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。圖2為分別用非參數(shù)法和參數(shù)法估計(jì)的振動(dòng)信號(hào)功率譜圖，所對(duì)應(yīng)的總功率如表2所示。

由圖2可以看出，采用非參數(shù)法和參數(shù)法所估計(jì)的功率譜圖形非常相似，而且表2顯示兩種方法所估計(jì)的總功率相差不大，可見(jiàn)所建立的AR模型是適合的。而基于參數(shù)方法所估計(jì)的功率譜圖較非參數(shù)方法所得的譜線光滑，譜峰尖銳，頻率定位較準(zhǔn)確。同時(shí)在參數(shù)法估計(jì)功率譜時(shí)，不存在加窗處理問(wèn)題，適用于短樣本分析。而柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)激勵(lì)源的激勵(lì)時(shí)間較短，屬短樣本信號(hào)。因此，本文主要采用時(shí)間序列分析方法。

(a)50%負(fù)荷

(b)75%負(fù)荷

(c)90%負(fù)荷

(d)100%負(fù)荷

圖2不同載荷下缸蓋振動(dòng)功率譜圖

表2 非參數(shù)法與參數(shù)法所估計(jì)功率對(duì)應(yīng)表

另外，由圖2可以看出，氣體力激勵(lì)缸蓋響應(yīng)信號(hào)的能量主要集中于1.5kHz~2.5kHz的頻段范圍內(nèi)，中心波峰處于2kHz左右，且隨著負(fù)荷的增加，該頻段內(nèi)的能量明顯增加。圖2中AR譜所對(duì)應(yīng)的總功率、1.5kHz~2.5kHz頻段內(nèi)的帶中功率及其帶中功率比如表2所示。

當(dāng)柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)異常時(shí)，很容易產(chǎn)生后燃現(xiàn)象。由于后燃的燃油壓力低，霧化不良。由此產(chǎn)生燃油不完全燃燒、排氣溫度高、排氣冒黑煙、甚至在噴油器噴孔積炭堵塞等異常�；�于柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)的監(jiān)測(cè)也可檢測(cè)出燃燒的異常。大量試驗(yàn)表明，柴油機(jī)燃燒正常情況下，氣體力激勵(lì)缸蓋振動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間一般為20ms左右，由于發(fā)生了后燃，使得該響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，體現(xiàn)在振動(dòng)時(shí)域波形中主燃燒激勵(lì)波段明顯變長(zhǎng)，或在主燃燒激勵(lì)波段后有一個(gè)后燃激勵(lì)響應(yīng)段波形，圖3所示在100%負(fù)荷，轉(zhuǎn)速400r/min時(shí)，進(jìn)氣閥側(cè)缸蓋的某次測(cè)量1.5kHz~2.5kHz的頻段濾波后的信號(hào)。

通過(guò)以上的分析可見(jiàn)，從柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)的響應(yīng)信號(hào)中分離出氣體力激勵(lì)的響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)分析，可以對(duì)柴油機(jī)的工況進(jìn)行有效的監(jiān)控。以防止柴油機(jī)在超負(fù)荷或超低負(fù)荷的狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還可以監(jiān)測(cè)因噴油器故障所導(dǎo)致的異常燃燒等。

圖3燃燒異常時(shí)域信號(hào)圖

2.2柴油機(jī)氣閥敲擊響應(yīng)信號(hào)分析與故障診斷

氣閥撞擊是柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)的主要激勵(lì)源之一。對(duì)氣閥機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)氣閥間隙增大時(shí)，氣閥落座速度增大，從而導(dǎo)致落座沖擊的激勵(lì)力和激勵(lì)能量增大。根據(jù)這一機(jī)理，可截取氣閥沖擊激勵(lì)段缸蓋振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)及其能量參數(shù)進(jìn)行氣閥間隙異常診斷。

試驗(yàn)表明，氣閥落座沖擊柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)響應(yīng)時(shí)間10ms左右，因此，這里截取對(duì)應(yīng)的樣本長(zhǎng)度為140個(gè)點(diǎn)進(jìn)行AR譜估計(jì)，圖4為在負(fù)荷90%，轉(zhuǎn)速386/min時(shí)，不同氣閥間隙下，排氣閥閥殼的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)及其時(shí)序功率譜圖。

(a)氣隙間隙為0.2mm

(b)氣隙間隙為0.2mm

(c)氣隙間隙為0.7mm

(d)氣隙間隙為0.9mm

圖4不同氣閥間隙的缸蓋振動(dòng)AR譜及時(shí)域信號(hào)圖

由圖4的時(shí)域信號(hào)可以看出，隨氣閥間隙的增大，缸蓋振動(dòng)加速度的幅值明顯加大。試驗(yàn)表明，正常間隙（0.4mm）時(shí)的最大幅值一般不超過(guò)400m/s2。圖中時(shí)域信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征如表3所示。

由表3可以看出，隨氣閥間隙的增大，振動(dòng)信號(hào)的“峰-峰”值、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根都明顯增大。這些參量也可作為柴油機(jī)氣閥間隙異常的診斷判據(jù)。

表3 缸蓋振動(dòng)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)表

比較圖4的功率譜可以看出，氣閥落座沖擊激勵(lì)柴油機(jī)缸蓋的振動(dòng)信號(hào)功率譜圖中功率的分布主要分為三個(gè)部分：0~2kHz頻段，2kHz~5kHz頻段和5Hz~7kHz頻段。由圖4明顯可看出，隨氣閥間隙的增大，低頻段部分越來(lái)越不明顯，這部分主要是由柴油機(jī)缸蓋的固有頻率所引起。而2kHz以上高頻率部分的能量明顯增加，這部分主要是由氣閥撞擊所引起。可見(jiàn)，氣閥落座沖擊屬高頻激勵(lì)源。各頻率段功率分布如表4所示。

由表4可以看出，隨氣閥間隙的增加，缸蓋振動(dòng)信號(hào)的總功率、高頻段振動(dòng)功率都明顯增加。當(dāng)間隙增大到0.4mm以上時(shí)，2kHz~5kHz頻段和5kHz~7kHz頻段中的累計(jì)功率占總功率的85%以上。而且2kHz~5kHz頻段中的功率比明顯有增加的趨勢(shì)。這說(shuō)明，氣閥間隙越大，振動(dòng)功率越向該頻率段內(nèi)集中。由此可見(jiàn)，柴油機(jī)氣閥間隙的變化，能較靈敏地反映在其缸蓋的振動(dòng)信號(hào)上。

表4 不同氣閥間隙下缸蓋振動(dòng)功率及其功率分布

3結(jié)論

基于柴油機(jī)機(jī)體振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，及其信號(hào)處理與分析，可有效地監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常并及時(shí)采取措施，可大大提高柴油機(jī)的工作效率和安全性。本文通過(guò)對(duì)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)信號(hào)的分析。從中提取了燃燒激勵(lì)、氣閥落座激勵(lì)振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，然后對(duì)各信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、功率譜估計(jì)、濾波等分析與處理，得出以下結(jié)論：

1）時(shí)間序列分析方法對(duì)信號(hào)功率譜的估計(jì)，其譜線光滑、譜峰尖銳、頻率定位準(zhǔn)確，而且其功率譜估計(jì)不存在加窗處理和能量泄漏等問(wèn)題，更適合柴油機(jī)特征信號(hào)的小樣本分析。

2）氣體力激勵(lì)柴油機(jī)缸蓋振動(dòng)響應(yīng)幅值隨柴油機(jī)負(fù)荷的增加而增加，響應(yīng)信號(hào)的功率多集中于1.5kHz~2.5kHz頻段范圍內(nèi)，且柴油機(jī)的負(fù)荷越大，該頻段內(nèi)的功率越集中。另外，基于缸蓋振動(dòng)信號(hào)中氣體力激勵(lì)段響應(yīng)信號(hào)的分析，還可以發(fā)現(xiàn)某些燃燒異常。

3）氣閥撞擊柴油機(jī)缸蓋的振動(dòng)響應(yīng)幅值隨氣閥間隙的增大而增大，響應(yīng)信號(hào)的功率多集中于2kHz~5kHz頻段范圍內(nèi)，且隨氣閥間隙的增大，該頻段的功率越集中。

作者：張仕海  來(lái)源：船舶工程