柴油机故障诊断故障设计

兰州交通大学毕业设计（论文）1摘要柴油机作为一种大型动力机械，其运行状态非常复杂，当柴油机工作时可能发生许多故障，所以需要实时监测其工作情况，确保柴油机安全正常运行。本文通过对 16V240 柴油机工作时产生的故障进行详细了解，以其曲轴故障为研究重点，兼顾其他故障（如气缸和活塞故障）对柴油机的故障诊断系统进行了设计。当柴油机工作时以其产生的声波为分析对象，选择 CHZ-211 型驻极体电容传声器接收声波信号，用 YG-201 前置放大器和 PM20B 信号调理器对采集的信号放大和初步滤波，然后把整理过的信号用 PCI-6251 数据采集卡进行采集和存储，采集到的信号输入计算机，计算机运用小波分析对信号进行特征提取，最后通过 BP 神经网络对特征量进行训练和判断，确定柴油机是否发生故障。关键词：柴油机，声波，故障诊断，传感器兰州交通大学毕业设计（论文）2AbstractAs a large diesel powered machinery, the operating state of diesel engine is very complicated, there are many failures when diesel engine operating, so the need for real-time monitoring of their work to ensure diesel engine operating normally and safely.This thesis based on a detailed understanding to the failure of the 16V240 diesel engine work produced, designed the diesel engine fault diagnosis system with a focus on its crankshaft failure, taking into account other faults (such as cylinder and piston failure) . The sound waves generated by the analysis of its object when the diesel engine operating, select the CHZ-211-type electret condenser microphone to receive acoustic signals, the signal collected is amplification and initial filtering with a YG-201 pre-amplifier and signal conditioner PM20B, then collected and stored the finishing off the signals with data acquisition card PCI-6251, collected signal into the computer, the computer analyzes the signal using wavelet feature extraction, and finally by the amount of BP neural network is trained on the characteristics and judge, to determine whether the occurrence of diesel engine Failure.Keywords：Diesel engine，Acoustic ，Diagnosis，Sensors兰州交通大学毕业设计（论文）1目录第 1 章 绪论11.1 选题背景及研究目的11.1.1 选题背景11.1.2 研究目的和研究内容11.2 柴油机故障诊断的意义21.3 柴油机故障诊断的现状和发展31.3.1 国内外故障诊断技术的研究现状31.3.2 国内外故障诊断技术的发展趋势5第 2 章 系统总体设计简介72.1 柴油机故障诊断系统总体设计方案兰州交通大学毕业设计（论文）272.1.1 系统设计方案72.2.2 柴油机故障诊断系统设计8第 3 章 曲轴的故障分析103.1 曲轴的构造和受力103.1.1 曲轴的构造103.1.2 曲轴的受力123.2 曲轴主要故障分析14第 4 章 传感器选型184.1 声波理论184.1.1 声波常用物理量18兰州交通大学毕业设计（论文）34.1.2 声波在空气中的传播特点204.1.3 声音诊断方法244.2 传感器264.2.1 传感器定义及分类264.2.2 声敏传感器原理及特性294.3 声传感器的选择324.3.1 传感器的选择原则324.3.2 传感器选择33第 5 章 传感器的布置和固定375.1 传声器布置375.2 传声器的固兰州交通大学毕业设计（论文）4定38第6章 数据处理和故障诊断406.1 数据处理方法406.1.1 信号时域分析406.1.2 信号幅值域分析406.1.3 信号频域分析406.1.4 信号时频分析406.2 故障诊断方法436.2.1 柴油机的主要故障监测方法436.2.2 柴油机的主要故障诊断方法446.2.3 BP神经网络兰州交通大学毕业设计（论文）545结 论47致 谢48参考文献49兰州交通大学毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 选题背景及研究目的1.1.1 选题背景随着现代科学技术的迅速发展，现代化设备所引起的故障或事故所带来的损失不断增加，设备的故障诊断和维修越来越成为一个突出的问题。人们对机械设备的稳定性、安全性、可靠性、可用性、可维修性、经济性等提出了越来越高的要求，现代工业生产中的设备系统也比以前更注重其效率和能耗，且环保要求也越来越高。因此，怎样在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术、动态监测技术以及计算机信息处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和现象，并预测故障可能的发展和设备未来的发展趋势是目前亟待解决的问题。柴油机广泛运用于铁路牵引、油田钻井、动力发电、矿山机械、工程机械、船舶运输等领域，其运行状态的好坏直接影响到整个机车的工作状态。目前，柴油机监控系统已经成为现代柴油机视情维修管理的一种主要手段，因此，对其状态进行监控和对其故障进行自诊断，提早发现和预告设备的故障，确保系统安全正常运行，时时处于最佳运行工况，提高设备的修理质量和效率是十分必要的。1.1.2 研究目的和研究内容（1） 研究目的柴油机是一个大型动力机械，其运行状态复杂，故障源多发，如果发生小故障不及时排除，就会演变为严重的机械故障，最终导致柴油机发生损坏，造成安全事故，轻则损坏柴油机及柴油机重要配件，致使产生大量经济损失，重则发生安全事故，机毁人亡，所以对柴油机的故障监测和检测是非常必要的，也是不能缺少和忽视的。本论文通过讨论对柴油机的故障进行监测和简单诊断，利用柴油机在运行过程中的声波变化，对柴油机是否发生故障进行判断，以达到对柴油机的运行状况的实时了解，以便产生问题或发生故障时能够及时排除，做到安全运行和生产，不造成严重的机械事故和人员伤亡，尽量排除或减少损失。（2） 研究内容课题以柴油发动机为研究对象，研究如何实时在线监测其运行状态，以及如何实现柴油机故障诊断分析和处理的问题。课题所要解决的问题有柴油机的故障类型分析兰州交通大学毕业设计（论文）2及优化，故障信号的获取以及柴油发动机运行状态监测与故障诊断等。柴油机是一个复杂的往复式机械系统，其故障十分复杂，表现为不确定性、多维性，同样的故障可能有几个因素造成。目前柴油机的故障诊断技术是比较成熟的技术，因此本课题重点不是研究柴油机故障，而是利用传感器技术、计算机技术等，测量柴油机运行时的故障特征参数。然后利用这些特征参数，实现柴油机故障诊断、分析处理和显示报警。同时根据柴油机各个系统的特性，本文从柴油机的结构及工作原理入手，通过柴油机的各主要组成系统(如燃油系统、进排气系统、润滑油系统等)对柴油机工作状态的影响，利用传感器技术，来获取柴油机故障信息，实时在线显示设备运行的即时状态并报警，提示故障原因和发生故障的部位；预测可能发生的故障，提高柴油机车运行的可靠性和安全性。柴油机运行状态监测与故障诊断系统包括传感器监测到的数据用PCI-6251数据采集卡来完成数据采集、存储和预处理。然后采用计算机来进行系统运行状态监测与故障诊断。课题根据柴油机工作特点和故障特征，利用驻极体电容传声器对柴油机气缸和曲轴产生的声音变化进行监测，绘制出其声音变化的波形，通过获取波形上的特征量，并结合频率、声强和声压等传感器信号来分析柴油机工作状况，同时通过这些信号作为系统故障诊断分析的特征参量，实现柴油机不解体实时在线动态监测、故障诊断与分析。本文重点对柴油机的曲轴故障进行了监测，传感器的选择、布置和固定都以曲轴为重点考虑对象，兼顾整个柴油机的运行状况。1.2 柴油机故障诊断的意义随着当今社会工业化水平的迅猛发展，柴油机作为最常用的动力机械设备，广泛应用于铁路牵引、石油矿场、固定发电、工程机械及特种船舶等领域，日益朝着大型化、高速化、精密化方向发展，工作性能不断改善，自动化程度越来越高。一方面它将大大提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗；但另一方面，带来的问题是，一旦其中某一部分或某一环节发生故障，往往会造成停工停产，直接或间接造成巨大的经济损失，甚至造成关键设备损坏，危及人身安全。柴油机作为动力机械，其运行状态的好坏，直接影响到成套设备的工作状态，对其进行状态监测和故障诊断，确保设备处于最佳运行状态，提高设备维修质量和效率兰州交通大学毕业设计（论文）3是十分必要的。并且开展柴油发动机故障诊断技术的研究，能帮助我们发现故障，防止事故发生。具体表现在：1、提高经济效益和社会效益，这是市场经济条件下用户追求的根本目标。故障诊断的目的就是更准确、更及时地发现故障，延长零部件的使用寿命。同时延长监测周期，提高检修的精度和速度，降低了维修费用，获得了最佳经济效益。另外，它还可以改善柴油机燃烧状态，降低油耗，节约成本。2、监控系统可预防机械设备运行事故，保证柴油机始终在最佳状态运行和人身安全。利用诊断技术可提高柴油机的运转经济性、可靠性，防止突发性事故。同时通过监控系统可以实现自动调节或人力调节，保证柴油机在各种工况下均能以最佳状态运转。3、为柴油机车的故障检修做准备，为合理制定柴油机车的检修周期提供依据(其监测数据可作为每台柴油机车的技术资料保存)，从而制定机车的检修计划，使机车的检修工作更科学合理。4、提高机车质量，降低检修费用和驾驶员的劳动强度，避免不必要的拆卸和维修。5、利用柴油机监控系统的自动工作特点，可连续或定期地对柴油机各参数进行自动监测、处理、打印和报警。6、推动设备故障诊断技术的发展。柴油机属于机械设备，有着机械设备故障诊断的共性。但和其它设备相比，既有旋转运动，又有往复运动，运动部件多，工作复杂。因此通过对柴油机故障诊断技术的研究，可以对故障诊断技术的发展起到极大的推动作用。1.3 柴油机故障诊断的现状和发展1.3.1 国内外故障诊断技术的研究现状设备诊断技术是近40年