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车用柴油机振动故障混沌诊断系统及其应用.pdf

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车用柴油机振动故障混沌诊断系统及其应用.pdf

第42卷第4期中南大学学报自然科学版Vol.42No.4201年4月JournalofCentralSouthUniversityScienceandTechnologyApr.201车用柴油机振动故障混沌诊断系统及其应用谭季秋1,3,鄂加强2,谭青3,邓元望2,钟定清11.湖南工程学院机械工程学院,湖南湘潭,4111012.湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙,4100823.中南大学机电学院湖南长沙,410083摘要为实现车用柴油机潜在振动故障有效诊断,基于建立的车用柴油机状态监测系统提取车用柴油机振动信号,并得出不同嵌入相空间下车用柴油机机身振动信号时间序列关联维数的变化规律。研究结果表明车用柴油机振动信号时间序列是混沌序列,影响车用柴油机振动信号的系统内部因素最多可达8个,最少不会少于1个缸盖振动既具确定性,又具混沌特性,而缸套振动、机身振动则可以认为是混沌振动。关键词车用柴油机振动信号混沌时间序列关联维数Lyapunov指数中图分类号TK421文献标志码A文章编号1672−720720104−0984−06ChaosdiagnosissystemofvibrationfaultforvehicledieselengineanditsapplicationTANJi­qiu1,3,EJia­qiang2,TANQing3,DENGYuan­wang2,ZHONGDing­qing11.ColegeofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan41101,China;2.ColegeofMechanicalandVehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China;3.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,ChinaAbstractInordertorealizetheefficientdiagnosisofpotentialvibrationfaultfromthevehicledieselengine,vibrationsignalsofvehicledieselenginewerepickedupusingstatemonitoringsystemforvehicledieselengine,andtheirchangingregularitiesofthecorectiondimensionweregotenindiferentembeddingspaces.Theresultsshowthattherearefractalandchaosfeaturesinthede­noisingvehicleenginevibrationsystem,andthereareeightinternalfactorsatbestandoneinternalfactorsatleast.Therearecertaintyandchaoticidentitycoexistingincylindercovervibration,butcylinderknotvibrationandfuselagevibrationarechaoticvibration.Keywordsdieselengine;vibrationsignals;chaos;timeseries;corectiondimensionnumber;Lyapunovindex车用柴油机振动是衡量柴油机工作质量的一个重要标志1−3。振动过大时会加速机件的疲劳破坏,降低车用柴油机的工作寿命。车用柴油机振动还会使乘员易于疲劳并有不舒适感,同时影响仪表的精度和指示,有时还使结构和仪器遭受损坏4−6。车用柴油机是一个内部存在不确定性因素和非线性作用机制的宏观复杂系统。在这个系统中,数据具有极复杂的非线性特征,在数学上很难用各影响因素描述7。车用柴油机状态监测信息能否快速而准确地被提取与及时报警,在很大程度上制约着车用柴油机的整体性能和运行能力的提高。此外,在建立振动模型时,其参数估计工作较繁琐且它们并不能直观、有效地从单变量时间序列中将系统的动力特性描绘出来。近20年来,混沌与分形理论在气象、地震、冶金、资源环境以及经济上的成收稿日期2010−06−29修回日期2010−09−15基金项目湖南省自然科学基金资助项目06JJ50103国家985工程二期创新平台基金资助项目教重函2041号通信作者谭季秋1964−,女,湖南湘潭人,硕士,副教授,从事动力机械检测与故障诊断研究电话13372048E­mailtan058sina.com第4期谭季秋,等车用柴油机振动故障混沌诊断系统及其应用985功预测8−11为该问题的解决提供了新的思路。混沌理论能从一个输出变量的时间序列有效地提取出系统的动力特性,找出时间序列中包含的丰富信息及参与动态的全部变量的信息,达到真正认识该系统的目的。因此,如何准确地判断从车用柴油机提取的振动信号中是否含有混沌特性,已成为车用柴油机振动故障诊断中重要的基本问题。在此,本文作者采用混沌理论和计算检测技术相结合,研究被车用柴油机状态监测系统提取的车用柴油机振动信号产生机制,以便为车用柴油机振动信号的识别以及故障诊断提供一种有效且实用的新技术。1车用柴油机振动信号故障诊断系统设计1.1车用柴油机状态监测系统构成1.1.1硬件构成以4105型四冲程柴油机为实验对象,分别在第1和第2缸进气阀附近的缸盖和排气阀阀壳上布置传感器,以及第1和第2缸的缸套靠近活塞上止点的位置布置传感器。测点布置与测试系统如图1所示。1和4第1和第2号缸缸套测点2和5第1和第2号缸排气阀阀壳测点3和6第1和第2号缸进气阀测点7第1号缸上止点信号测点图1测点布置与测试系统简图Fig.1Sketchofmeasurementspotdisposalandmeasurementsystem振动信号用YD系列加速度传感器测取,配用DFH型电荷放大器。车用柴油机状况监测系统采用上、下两级结构。上位机运行于WindowsNT环境下,负责从下位机调取监测数据、对数据进行处理分析以及各种报告和图表的打印等下位机系统完成的主要功能是把测试信号转化为05V或420mA的标准信号,利用数据采集仪把标准信号变换为字节数据,通过RS485通信方式实时向上位机传送。1.1.2上位机的串行通信程序设计从经济实用性考虑,对于车用柴油机热工状况监测系统,利用VisualC就能实现与上位机的串行通信相关的功能。应用VisualC开发串行通信的方法很多,常用的有Ⅰ.利用WindowsAPI通信函数Ⅱ.利用VisualC的通信控件MSComⅢ.利用第3方编写的C类库。第Ⅰ种在应用程序开发中使用较广,但由于API函数较复杂,要求了解Windows编程的各种信息机制,对使用者有较高的要求第Ⅱ种方法看似较简单,直接使用MSCom控件,其封装了API函数的许多功能,只需要对串行进行简单设置,但由于使用了Variant类,很容易出错,在程序调试时带来许多异常第Ⅲ种方法是直接使用编写的通信类C类库,在Internet上有较多的第3方提供的类供选择,进行测试后可安全使用使用C类库时只需要了解该类的成员函数,就可以正确使用。为此,在本监测系统中使用一个编写的C类库,其具体结构如下ClasCSerial{publicCSerialCSerialBOLOpenintnPort2,intnBaud9600;BOLClosevoid;intReadDatavoid,int;intSendDataconstchar,int;intReadDataWaitingvoid;BOLIsOpenedvoid{returnm_bOpened;}protectedBOLWriteComByteunsignedchar;HANDLEm_hIDComDev;OVERLAPEDm_OverlappedRead,m_OverlappedWrite;BOLm_bOpened;}其中CSerial为类构造函数,不带参数,初始化所有类成员变量Open函数打开通信端口,第1个参数是串行号,第2个参数是数据传输速率,返回1个布尔值Close函数关闭通信端口SendData将数据从1个Bufer写到串行端口,第1个参数是缓冲区指针,其中包含要被发送的数据ReadData为从端口接收缓冲区读入的数据ReadDataWaiting为返回中南大学学报自然科学版第42卷986等待在通信端口Buffer中的数据,其中,第1个参数是Void缓冲区指针,数据被送入该Buffer第2个参数是INT类型,给出Buffer的值。该类的使用非常方便,直接调用相关函数即可实现相关功能,且不易出错,方便程序调试和系统维护。上位机通信程序软件设计包括打开串行,设置通信格式,用查询方式向下位机发出命令,接收数据并实时显示报警。完成的主要操作包括上位机向下位机发送通信开始标志1BH,呼叫下位机的联络地址、指令下位机接收数据等信息。车用柴油机热工状况在线监测系统通信流程如图2所示。图2监测系统通信流程图Fig.2Comunicationflowchartofmonitoringsystem1.1.3车用柴油机状况在线监测数据库开发由于车用柴油机状况在线监测系统中需要保存各种实时接收的数据,并实现以后的数据再次回放,所以,需要建立数据文件。本系统将串行编程与ODBC技术相结合,将测试数据放在Aces数据源文件中,通过编程接口对其进行访问。Microsoft的ODBC为各种类型的数据库管理系统提供了统一的编程接口。ODBC是一种使用SQL的程序设计接口。VisualC的MFC提供了几个数据库类,在利用ODBC编程时,经常用到Cdatabase数据库类、CrecordSet记录集类和CrecordView可视记录类。值得注意的是在VisualC中生成应用程序框架的视图类Clasview时,包含一个指向操作数据库即Aces文件的指针。该指针的目的是在视表单和记录集间建立联系,同时使历史数据的查询结果方便地在表单上显示出来。用MicrosoftAces创建1个Testing.mdb数据库,然后,在View类中定义几个相关的重要变量。对于采集数据的曲线显示及报警直接采用编写的Active控件来实现具体的功能。主要是在WM_TIMER的消息处理函数OnTimer中调用数据显示函数以定时刷新数据。1.1.4软件系统主要功能1车用柴油机状态参数监测。实时检测信号主要以状态图、数据表格图等方式动态显示测量数据,当信号超过上限时,以红色在界面动态显示。该模块同时按不同的功率和热工状况对数据进行汇总,用于车用柴油机运行状况分析与诊断提供标准参数。对各传感器检测点的状态参数进行比较和整合,以调整到合理值。2车用柴油机振动特性分析。该程序块利用数据库参数对车用柴油机振动特征进行分析与识别,这对提高运行经济性、及时发现异常运行情况、指导运行人员操作维护很有帮助。3打印和报表。主要包括监测报表的生成、相关的数据打印。该功能较容易实现。1.2车用柴油机振动特征信号混沌识别特征参数1.2.1关联维数计算1983年,Grasberger与Procacia提出了一种计算动力系统吸引子维数的方法,简称为G­P算法12。此方法常用于资料点数不是很多的时间序列以及需计算高维行为的离散系统。定义相关积分函数Cmε为åå¹NiNjijjimXXHNNC1121ee1式中ε为以Xi或Xj为区域中心的半径‖Xi−Xj‖为Xi与Xj的欧氏距离H为Heaviside阶跃函数,即îíì0,0;0,1xxxH2给定ε后,Cmε表示2点间距离小于ε的概率,在适当的范围内,当ε增加时,mDmCeeµ3对式3两端同时取对数后成为eelnlnmmDCµ4维数m的选择一般从小到大,不断增大其取值。针对某个m值,选取若干个不同的ε,分别计算相应的Cmε。将这些不同的ε和Cmε代入式4可得到lnε与lnCmε的关系曲线。对于随机过程,Dm将随m的增加而增加,并不会达到饱和。但对确定性系统,Dm将在某一特定的m后趋于饱和lnε与lnCmε的关系图存在无标度区即直线段,表明时序分布存在分形特征,且直线段的斜率就是吸引子的维数D2,与之相对应的嵌入维数为饱和嵌入维数m∞。m∞表征系统自由度数目,它和D2分别给出了系统包含的基本变量数目≥<第4期谭季秋,等车用柴油机振动故障混沌诊断系统及其应用987的上限与下限。1.2.2Lyapunov指数计算对于一维动力学系统,Lyapunov指数可表示为0000δ00δ1limlimln||δnnnxFxxFxnxl®¥®10d1limlndniniFxnx®¥å5对于高维动力学系统,Lyapunov指数可表示为max0δ1lnδnxnxl1120011lnlnnnniinnmmmmåL6式中|∙|表示m维空间的距离。1.3实例应用本文实验在4105型柴油机上进行。在转速为900r/min、负荷为满负荷的75时以15kHz采样频率测取500个含噪声的柴油机机身振动混合信号数据,通过EMD去噪声处理得到如图3所示的500个车用柴油机振动信号时间序列数据其中,a为加速度,t为时间。当嵌入维数m不同时,柴油机振动信号lnε与lnCmε关系见图4。图3车用柴油机振动信号时间序列Fig.3Vehicledieselenginevibrationsignalstimeseries为便于操作,对以上数据进行归一化处理,然后,通过对饱和关联维数进行计算。车用柴油机振动信号时间序列嵌入相空间维数m与关联维数D2的关系见图5。从图5可见当含噪声振动信号时间序列嵌入相空间维数m≥8时,关联维数吸引子维趋于稳定,即达到饱和关联维D20.86862。据混沌理论,车用柴油机振动系统内部影响机身振动信号变量的因素较多,最多可达8个,最少不会少于1个,可能包括气体爆发压力、排气门开启时气体节流冲击、进气门落座冲击、排气门落座冲击、活塞换向时对缸套的冲击、燃烧激振、转速以及曲轴等运动件的回转运动等因素。因此,从这一意义上说,去噪车用发动机振动信号时间序列具有混沌特性。维数m1122334455667788图4柴油机振动信号lnε−lnCmε关系曲线Fig.4lnεandlnCmεofvehicledieselenginevibrationsignals图5车用柴油机振动信号时间序列嵌入相空间维数m与关联维数D2关系Fig.5Relationshipbetweenembeddeddimensionandsaturateddimensionofvehicledieselenginevibrationsignalstimeseries2车用柴油机振动信号故障诊断系统应用以4105型车用柴油机第2缸缸盖、缸套及机身振中南大学学报自然科学版第42卷988动信号为例进行说明。为进行标定,同时测量了第2缸上止点信号。信号采样频率为25kHz,柴油机转速为1500r/min,负荷为满负荷的50,采用基于EMD和小波分析融合的车用柴油机振动信号去噪处理方法对振动信号进行去噪声处理。车用柴油机振动信号不但含有本缸激励力的信息,而且其他缸对其振动也有影响。为验证混沌及分形理论在4105型车用柴油机故障诊断中的应用,对第2缸排气门设置如表1所示的不同的故障正常间隙为0.25m,进气门正常,采集相应情况下的各种振动信号,计算信号的关联维数及李雅普诺夫指数,以便为4105型车用柴油机实现故障诊断。图6所示为车用柴油机正常工况状态2下,缸表1排气门状态Table1Statesofexhaustvalves状态编号1234排气门间隙/m0.060.3041开口0.50a缸盖b缸套c机身图6车用柴油机振动信号Fig.6Somevibrationsignalsfromvehicledieselengine盖、缸套及机身振动信号的时域波形。显然,振动信号是非平稳的。由于测量的位置及激励力不同,3种振动信号的波形在时域上有一定的差别,幅值及位置差异也较大,其中包含柴油机工作状态信息,如气阀状态、气缸压力冲击力等。2.1关联维数计算结果对实测的经去噪处理后的车用柴油机振动信号进行计算,通过10次平均,求得信号的关联维数如表2所示。表2m∞10时车用柴油机振动信号关联维数D2Table2CorectiondimensionnumberD2ofsomevibrationsignalsfromvehicledieselenginewhenm∞is10状态缸套振动缸盖振动机身振动13.553.644.0524.654.123.9834.323.554.0243.903.654.10诊断结果好一般差从表2可以看出3种振动信号的关联维数均为分数,具有一定的诊断能力,效果最好的为缸套振动信号的关联维数,其次是缸盖振动信号的关联维数机身振动信号的关联维数的诊断能力最差。缸套振动主要由活塞横向撞击力引起,气阀机构状态变化时气门启闭时刻将改变,从而导致气缸工作状况发生变化,活塞横向撞击力也将随之改变,所以,在缸套振动信号中反而能较好地体现这一变化。本文中缸套磨损间隙为正常值,对缸套磨损严重等故障情况未进行研究。机身振动由于激励力传递路径较远,所以,计算的关联维数相差不大,导致诊断效果不好。本来缸盖振动信号的关联维数应该是最具有诊断能力的诊断特征量,因为气门状态的变化直接会在缸盖振动信号中体现出来,但由于气缸压力对缸盖振动的影响较大,当气门处于不同状态时导致计算的关联维数差别不是很明显。关联维数为分数也说明信号可能具有混沌特性。分析缸盖振动信号的关联维数可以看出当气门磨合良好时,缸盖振动信号的关联维数最大。这主要是因为这时漏气作用力对缸盖振动的贡献较小,缸盖的振动行为不确定因素最大,系统行为将在相空间趋于某一有限维吸引子或者奇异吸引子而当气门处于故障状态时,关联维数将下降,此时,缸盖的振动行为在相空间趋于有限维的吸引子或奇异吸引子与正常状态时的相比是不同的。这主要是因为漏气作用第4期谭季秋,等车用柴油机振动故障混沌诊断系统及其应用989力对缸盖振动的贡献明显大于磨合良好时的贡献,系统行为的不确定性减小,关联维数将减小,所以,关联维数下降意味着故障发生。这说明关联维数可以作为判断气门故障的特征量。2.2Lyapunov指数计算结果各种振动信号的李雅普诺夫指数计算结果如表3所示。表30<ε<0.001时车用柴油机振动信号李雅普诺夫指数λTable3Lyapunovindexλofsomevibrationsignalsfromvehicledieselenginewhen0<ε0.001状态缸套振动缸盖振动机身振动10.10.22−ε0.220.140.2320.020.12−ε0.200.080.223ε0.32−ε0.240.030.1540.090.22−ε0.180.120.22从表3可以看到机身、缸套振动信号的李雅普诺夫指数基本均为正缸盖振动信号的李雅普诺夫指数为负时的绝对值很小。从各种振动信号的李雅普诺夫指数可以看出缸盖振动信号较缸套、机身振动复杂,规律性不强,即缸盖振动具有周期突变性,确定性与混沌特性共存,而缸套振动、机身振动可以认为是混沌振动。3结论1车用柴油机振动信号时间序列是混沌序列,具有非线性混沌动力系统演化特征影响车用柴油机振动的系统内部因素最多可达8个,最少不会少于1个。2车用柴油机各种振动信号具有混沌特征,但缸盖振动不能简单地认为是确定性混沌振动,而是确定性与混沌特性共存,在应用分形及混沌理论处理时需要注意。3车用柴油机振动信号的关联维数对气门机构的简易诊断具有一定的参考意义,可以作为1个诊断特征量。参考文献1张亮,杜海平,史习智.基于小波分析的柴油机振动信号降噪处理J.数据采集与处理,200,154521−524.ZHANGLiang,DUHai­ping,SHIXi­zhi.NoisereductionofcylindervibrationbasedonwaveletseriesJ.JournalofDataAcquisitionProcessing,200,154521−524.2ShigehiroU,MasayaO,MasahisaN.Noiseandvibrationreductionofnewlydeveloped3.0ldirectinjectiondieselengineJ.JSAEReview,202,233285−289.3黄强,高世伦,宾鸿赞,等.基于分形和神经网络的柴油机振动诊断方法J.华中科技大学学报自然科学版,205,3968−70.HUANGQiang,GAOShi­lun,BINHong­zan,etal.ThemethodofvibrationdiagnosisfordieselenginebasedonthefractaltheoryandneuralnetworkJ.JournalofHuazhongUniversityofScienceandTechnologyNaturalScienceEdition,205,3968−70.4CharlesP,SinhaJK,GuF,etal.DetectingthecrankshafttorsionalvibrationofdieselenginesforcombustionrelateddiagnosisJ.JournalofSoundandVibration,209,3213/5171−185.5VakmanD.NewhighprecisionfrequencymeasurementJ.MeasurementScienceandTechnology,200,131493−1497.6GuF,YesilyurtI,LiY,etal.AninvestigationoftheeffectsofmeasurementnoiseintheuseofinstantaneousangularspedformachinediagnosisJ.MechanicalSystemsandSignalProcessing,206,206144−1460.7CarluciAP,ChiaraFF,LaforgiaD.AnalysisoftherelationbetweeninjectionparametervariationandblockvibrationofaninternalcombustiondieselengineJ.JournalofSoundandVibration,206,2951/2141−164.8王德智,夏军,张利平.东北地区月降雨时间序列的混沌特性研究J.水电能源科学,2002,20332−34.WANGDe­zhi,XIAJun,ZHANGLi­ping.ChaosanalysisofmonthlyprecipitationtimeseriesinNorth­eastChinaareaJ.HydroelectricEnergy,2002,20332−34.9EJia­qiang,MEIChi.ChaoticbehaviorofcrudecopercompositiontimeseriesintheprocessofmatteconvertinganditspredicabletimescaleJ.NonlinearAnalysisRealWorldApplications,206,74651−61.10AbarbanelHDI,BrownR,SidorowichJJ,etal.TheanalysisofobservedchaoticdatainphysicalsystemsJ.RevModPhys,193,654131−1392.11RosensteinMT,CollinsJJ,DeLucaCJ.Reconstructionexpansionasageometry­basedframeworkforchosingproperdelaytimesJ.PhysicaD,1994,7382−98.12WEIEn­bo,TIANJi­wei,XUJi­shan.NewmethodtoobtainthepowerspectraofhiddenvariablesanditsaplicationtooceandataJ.ChineseJournalofOceanologyandLimnology,201,19129−34.编辑陈灿华

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