（机械电子工程专业论文）基于粗糙集的柴油机故障诊断的研究.pdf

摘要 摘要 柴油机发展到今天，其结构形式已基本确定。但在各部分功能的实现上不断地得到 完善，应用技术上也不断地趋于复杂化、电气化和多样化。这对安全可靠运行、故障监 测都提出了更高的要求。要求如果有故障隐患能够及时发现并及早采取有效措旋，不至 于发生大的事故。所以开展机车柴油机的故障诊断具有积极的现实意义和经济效益。 本课题在总结和汲取国内外学者在该领域研究成果的基础上，结合实际课题要求， 以粗糙集和小波分析相结合的理论方法为前提，通过监测柴油机气缸压力与曲轴转角的 函数关系，提出了一套基于$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式硬件平台的柴油机故障诊断系统的设计方 案。 论文从柴油机故障诊断机理出发，分析了利用柴油机气缸压力信号对其进行不解体 故障诊断是完全可行的。随后采用粗糙集等理论作为故障诊断的关键技术，并着重分析 了理论研究对渗断系统构建的指导意义。进而提出建立满足理论需要的柴油机故障诊断 系统的硬件方案，主要功能包括故障数据采集、数据记录、数据分析和数据通讯等。在 气缸压力信号采集过程中，自行设计了平衡式高温压力传感器，并采取了曲轴转角信号 和压力信号同步采集的方式，以便不同工作状态时压力信号的截取，为状态识别提供实 验数据和判别依据。针对柴油机气缸压力信号获取故障特征信息，使用1 6 位精度的a d 转换芯片保证了采样的时间和精度。重点阐述了以a r m 为主处理器的数据采集处理前 端模块的软硬件实现以及基于$ 3 c 2 4 1 0 硬件平台上各应用功能模块的搭建。系统充分考 虑到诊断的实时性、可靠性、先进性和实用性，有效实现了柴油机的状态识别和故障诊 断。 关键字：柴油机；故障诊断；气缸压力；粗糙集：a r m 大连交通r 大学工学硕十学何论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p i n go ft h ei n t e m a ld i e s e le n g i n e i t sb a s i cs t r u c t u r eh a sb e e nf i x e d b u tt h e i m p l e m e n to ft h ef u n c t i o no fd i f f e r e n tp a r t sh a sb e e nb e i n gr a p i d l yi m p r o v e d a n dt h e t e c h n o l o g ya p p l i e dh a sat r e n do fm o r ec o m p l i c a t i o n ，m o r ee l e c t r i z a t i o na n dd i v e r s i f i c a t i o n i t m a k e sah i g h e rr e q u i r e m e n to ft h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o na n df a u l tm o n i t o r i n gf o r m a c h i n e r ye q u i p m e n t i ft h e r ei sp o t e n t i a lf a i l u r e ，i ts h o u l db ed i s c o v e r e dp r o m p t l ya se a r l ya s p o s s i b l et oa v o i dam a j o ra c c i d e n t ，t a k i n ge f f e c t i v em e a s u r e s s ot h ef a u l td i a g n o s i sf o r l o c o m o t i v ed i e s e lh a sap o s i t i v e ，p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cb e n e f i t s o nt h eb a s i so fs u m m i n gu pa n dl e a r n i n gf r o mt h er e s e a r c hr e s u l t sa c h i e v e db yt h e s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a d ，w i t ht h ea c t u a lr e q u i r e m e n t so fs u b j e c ta n do nt h ep r e m i s eo f c o m b i n i n gt h et h e o r i e so fr o u g hs e t sa n dw a v e l e ta n a l y s i s ，t h i ss u b j e c tp r o v i d e sas e to ft h e d i e s e le n g i n ef a u l td i a g n o s t i cs y s t e md e s i g nb a s e do n $ 3 c 2 410e m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m s ， b ym o n i t o r i n gf u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pa m o n gc y l i n d e rp r e s s u r ea n dc r a n ka n g l e b a s e do nt h em e c h a n i s mo fd i e s e le n g i n ef a u l td i a g n o s i s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h a ti ti s a b s o l u t e l yf e a s i b l et od ot h ef a u l td i a g n o s i sw i t h o u td i s i n t e g r a t i o nb yt h eu s eo fd i e s e le n g i n e c y l i n d e rp r e s s u r es i g n a l t h e nd o e sa m o r ed e t a i l e dp r e s e n t a t i o nf o rt h ek e yf a u l tt e c h n o l o g i e s o fr o u g hs e t s ，e m p h a t i c a l l ya n a l y z e si t sg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h ed i e s e le n g i n ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e m t h i sp a p e rf u r t h e rp r o p o s e st h ee s t a b l i s h m e n td e s i g no ft h eh a r d w a r e s y s t e mf o rd i e s e le n g i n ef a u l td i a g n o s i sw h i c hm e e t st h en e e d so ft h e o r y t h em a i nf u n c t i o n o ft h ed e s i g ni n c l u d e sf a u l td a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ar e c o r d i n g ，d a t aa n a l y s i s ，a n dd a t a c o m m u n i c a t i o n sa n ds oo n i nt h ep r o c e s so fc y l i n d e rp r e s s u r es i g n a la c q u i s i t i o n ，d e s i g n sa b a l a n c e dh i g h t e m p e r a t u r ep r e s s u r es e n s o ra n dt a k e st h em e t h o do fs i g n a lt h ec r a n ka n g l ea n d p r e s s u r es i g n a l ss i m u l t a n e o u sa c q u i s i t i o nf o rt h ei n t e r c e p t i o no fp r e s s u r es i g n a l s ，w h i c h p r o v i d e se x p e r i m e n t a ld a t aa n dd i s t i n g u i s hb a s i sf o rt h es t a t e i d e n t i f i c a t i o n f o rt h ef a u l t f e a t u r ei n f o r m a t i o no fd i e s e le n g i n ec y l i n d e rp r e s s u r es i g n a la c q u i s i t i o n ，t h es y s t e mt a k e st h e 16b i t sa dc o n v e r t e rc h i pt og u a r a n t e et h ea c c u r a c yo ft h es a m p l et i m e t h ep a p e rf o c u s e so n t h es o f t - h a r d w a r er e a l i z a t i o no ft h ef r o n t - e n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e s ，w h i c ht a k ea r ma s t h em a j o rp r o c e s s o r , a n dt h ep u t t i n gu pf o rt h ea p p l i c a t i o nf u n c t i o n a lm o d u l e sb a s e do nt h e $ 3c 2 410h a r d w a r ep l a t f o r m t h es y s t e mt a k e sf u l l yi n t oa c c o u n tt h ed i a g n o s i so fr e a l - t i m e ， r e l i a b i l i t y , a d v a n c e da n dp r a c t i c a l ，a n de f f e c t i v et oa c h i e v et h es t a t u si d e n t i f i c a t i o na n df a u l t d i a g n o s i so ft h ed i e s e le n g i n e k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；f a u l td i a g n o s i s ；c y l i n d e rp r e s s u r e ；r o u g hs e t s ；a r m l i 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者张刎挠枣 导师张力吼罾， 日期：w 吩年月弓日 日期：知硼年月 严日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 大连交通大学电话：8 4 1 0 6 5 8 7 大连交通大学研究生学院邮编：1 1 6 0 2 8 y j s b d j t u e d u c n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：纠如泵 日期：硼年6 月多日 第一章绪论 1 1 研究意义及课题来源 第一章绪论 1 1 1 研究的意义 柴油机广泛应用于石油钻井、动力发电、铁路牵引、工程机械及各种船舶动力等领 域，其运行状态的好坏，直接影响到整个机组的工作状况。如某企业的数台柴油发动机 组在1 9 8 8 1 9 9 3 年间的4 年时间内，因中、大型故障停机所造成的直接经济损失共计3 5 7 万元，而因停电影响生产所造成的间接经济损失竟达11 0 0 万元。因此，对其进行状态 监测和故障诊断，确保系统安全运行并处于最佳运行工况、提高设备的维修质量和效率 都是十分必要的。 柴油机是一种复杂的往复式动力机械，由于结构复杂，运动部件多，使柴油机故障 诊断十分困难。随着现代科学技术的发展以及自动化程度的提高，柴油机故障诊断技术 已从最开始的事后维修发展到定时检测、再到现代故障诊断技术的视情维修。目前已发 展成为一门集数学、物理、力学、化学、计算机与微电子技术、信息处理技术、人工智 能和各种专业学科于一体的交叉学科。通过对设备某些参数的测取与分析，获得设备状 态变化的趋势性规律，判断设备故障的原因、部位和严重程度，对设备的剩余寿命作出 估计，进而指导设备的维修与管理。这种现代的故障诊断技术和设备维修方式因其可最 大限度地节约维修费用，并可最大限度地避免由于意外停机所造成的间接经济损失而越 来越受到企业的重视。 1 1 2 课题来源 由于作为动力装置的柴油机长期服役，工作环境恶劣、复杂，会出现功率下降等的 故障现象，机体的各部件也会有不同程度的损坏，需要及时进行修理和维护。如果仅仅 依靠现场工作人员去诊断和排除故障，显然十分困难，所以迫切需要一种专门针对柴油 机进行故障检测与诊断的系统。基于上述考虑，与大连机车研究所就柴油机故障诊断系 统研究展开合作，本课题即是诊断系统研究工作中的重要组成部分之一。 据查阅的大量国内外相关资料表明，针对柴油机的状态监测、识别与诊断方面的研 究进展还比较缓慢，特别是针对大功率的柴油机而言，其监测、识别诊断的理论研究和 系统开发工作更是刚刚起步。因此，本课题针对柴油机故障知识获取、诊断系统总体构 成等方面进行的方法研究和探讨，具有重要的现实意义。 1 2 柴油机故障诊断的研究内容 目前学术界关于故障诊断技术有很多不同的论述，其中比较有代表性的为：设备状 大连交通大学i ：学硕十学位论文 态监测与故障诊断是通过获取设备过去和现在运行过程中的状态量，判明其质量优劣、 可用程度、是否安全、有关异常和故障的原因及预测对将来的影响等，从而找出必要对 策的技术。 实际诊断中通过检测设备状态特征信息识别机械设备的性能状态。由于系统的故障 类型千差万别，每一种故障类型系统会由一种或多种原因所引起，并通过一个或多个物 理参量将其表征出来，因此故障诊断是建立设备状态特征信息和故障类型之间的关系模 型，按特征信息对被测系统故障进行分类的问题或进行状态模式识别问题。 一般来讲，从诊断的基本环节来看，其诊断流程多分为故障机理的研究、状态信号 的收集、特征信息选择与提取、故障分析与诊断决策4 个阶段，且在不同的阶段中分别 采用相应的技术理论方法与应用技术。 1 2 1 故障机理的研究 作为往复机械的柴油机，其故障主要有两种：一是结构方面的故障；另一种是性能 方面的故障。结构方面的故障是指零件磨损、裂纹、装配不当、动静部件问的磨损、油 路堵塞、漏气等。而性能方面的故障主要反映在柴油发动机的性能指标不正常上，如功 率不足、燃油消耗量大、喷油提前角失准、燃油雾化质量不良、进气压力低等。通过对 性能指标的评定，可以反映故障的存在和严重程度。 目前，柴油机故障诊断中主要采用测量以下一种或几种状态参数【2 叫：振动信号、 噪声信号、压力信号、转速信号、温度、油液分析等。相对其它状态信息而言，气缸压 力信号能够更直接、更迅速地反映柴油机的运行状态及气缸的密封情况，诊断气缸故障 【5 l 。而且从激励的角度看，气缸压力是最原始、最直接的产生振动信号和瞬时转速等的 因素。 1 2 2 状态信号的收集 柴油机的各种状态信号是设备异常或故障信息的载体，选用一定的检测方法和检测 系统采集最能表征诊断对象状态的信号，是故障诊断技术实施过程中不可缺少的环节， 也是开展故障诊断的基础。因此，测试技术的每一次发展和进步，都会直接对柴油机等 机械设备故障诊断技术的发展起到较大的推动作用。 其状态信号的采集过程主要包括以下几个方面：根据诊断对象特点和工作环境的需 要选择合适的传感器类型、获取有关测试参数及确定测试位置等，以保证获取信号的有 效性；对传感器拾取的信号进行预处理( 如滤波，功放等) 及向上传输；数据的采集录入， 测量或观测得到的实际信号一般都是模拟信号，为了实现数字化处理，必须进行从模拟 信号到数字信号的转化，以便后续处理；最后进行数据的存储，根据数据分析处理的要 求把获得离散数据按一定格式保存为文件，以备随时调用和分析。 2 第一章绪论 1 2 3 特征信息选择与提取 检测获得的故障诊断信号大多是时间历程函数，我们将这种表征诊断对象运行原始 状态的信号称为初始模式。在初始模式中，故障信息混杂在大量的背景噪声中，为提高 诊断的灵敏度和可靠性，更充分地利用所测信号，有必要对信号进行处理加工，在状态 信号中排除噪声、干扰的影响，以提取有用的故障信息，突出故障特征，这种加工处理 的运算过程就是信号的分析处理过程，即特征信息的选择与提取。 特征信息的选择与提取方法很多，一般包括常用的数学变换、时域分析、频域分析、 时间序列分析、时频域分析等。有时为了进一步获得便于分析的特征信息，往往需要将 时域信号变换到其他分析域进行分析，如幅值域、时延域、频域以及倒频域等。 由于初始信号与故障征兆间往往不存在直接的对应关系，因此信号特征提取是分析 故障的关键步骤，作为时频域分析方法之一的小波分析法，近年来在诸多领域获得了广 泛的应用，显示出极大的生命力，如利用小波变换分析燃油压力波形来判断内燃机故障， 以及利用广义自适应小波分析对内燃机故障进行诊断等。 1 2 4 故障分析与诊断决策 故障分析与诊断就是根据所提取的特征信息来判别系统状态有无异常，并根据此信 息和其它补充测试的辅助信息寻找故障源的过程。故障源可能是零件、部件或子系统， 可依据特征信息和故障源对系统性能指标的影响程度做出估计，并综合分析出故障等 级，决定下一步采取何种对策和措施。用于故障诊断的方法很多，如粗糙集、模式识别、 专家系统、神经网络等。 整体的故障诊断过程可以用图1 1 来表示： _-一一一一一。一一一一一一一一_-_-_-_-_-一。-。一。一一一。_-一_一_。_- l 故障档案建立l ：l 、一 l 柴油机li 信号l 故障信号l 特征i i ( 信号) r 1 采集r 一1 提取 。 故障档案库 一 。1 1 1 。，_ 一 识别与 i 诊断l 诊断结果1l 决策i ； l 圈团咽竖塑凰篇烈 图1 1 故障诊断过程 f i g 1 1p r o c e s so f m a l f u n c t i o nd i a g n o s t i c a t i o n 大连交通大学i ：学硕七学位论文 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 国内外研究现状 国内故障诊断技术是在引进国外先进技术基础上，进行消化吸收发展起来的，与这 些先进国家相比我国还有一定的差距。虽然我国在理论上跟踪得比较紧，但在诊断的可 靠性等方面仍有差距。 因为柴油机故障可分为机械故障和性能故障两大类，所以相应的诊断研究也可分为 两类：针对柴油机的性能故障，主要采用的是性能参数诊断：针对柴油机的机械故障， 主要采用的是油液监测技术和振动信号分析法。 7 0 年代后期，国外就己经能够利用声振诊断技术来研究柴油机的故障，到目前这方 面的诊断技术己取得了突破性进展。1 9 9 2 年，g e 公司运输系统部开始开发使用d e u c e 技术的专家系统，该系统把温度、压力、转速等传感器技术与d e u c e 的振动信号处理 技术结合在一起1 6 】，已经能够诊断气阀和阀座冲击、燃油喷射故障以及活塞环断裂或过 度磨损。目前国外的研究动向主要有：通过机体表面振动信号来识别柴油机气缸内的压 力示功图；用瞬时转速推算缸内压力变化；利用时频分析、小波分析等新的信号分析与 处理方法来处理柴油机表面振动信号等。 我国在柴油机故障诊断方面的研究工作大约是在8 0 年代初在振动诊断技术发展的 基础上开始的。武汉交通科技大学、海军工程学院、华中理工大学等高校及研究机构在 利用声振技术诊断故障方面做了大量的研究工作。海军工程学院利用气阀在开启和关闭 时产生的冲击振动信号对气阀i 日j 隙异常与漏气的故障进行实验研究。武汉交通科技大学 周轶尘教授等从1 9 8 5 年开始对柴油机故障及振动诊断方法领域进行了研究。山东工业 大学的耿遵敏等在他们对1 9 0 系列柴油机振动诊断实践的基础上，从信号处理、非平稳 信号分析方法、故障分类等进行了讨论，提出用a r s t p 短时谱分析方法和基于a r 模 型的w i g n e r 时频分析方法对配气、供油等机械系统及相关的工作过程故障进行了有效 的评价1 7 。在上述理论基础上，华中理工大学杨叔子、刘世元等用小波包改进算法对210 5 柴油机缸盖振动信号进行分析；上海交通大学伍学奎等用小波包变换对1 3 5 系列柴油机 气阀漏气诊断；大连理工大学邹和斌、李志敏用正交小波变换对柴油机主轴承振动监测。 东风汽车工程研究所研制出了新型的z x 1 智能化在线铁谱仪，能有效检测到大于5 t m 的铁磁磨粒瞵】。 1 3 2 存在的问题和面临的困难 尽管机械故障诊断己取得了长足的发展，但我们知道，它是- i - j 迅速发展的新兴学 科，还未达到完善的水平，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 发展不平衡。旋转机械的故障诊断理论和实践都取得了较为成熟的结果，而往 4 第一章绪论 复式机械的诊断理论和实践都有待提高； ( 2 ) 适合柴油机的专用设备还比较落后。一般对大型柴油机进行诊断的手段主要有 测功台、简易内燃机诊断仪表、精密信号分析仪等几种。这几种诊断方式都满足不了我 们进行现代故障诊断的要求，原因有以下几方面： 测功台只能在柴油机解体的情况下对其进行诊断，且只能在大修厂进行，根本 满足不了实时诊断的要求； 简易诊断仪表的检测手段多数较为单一，而且精度较低； 精密信号分析仪价格较贵，般只对振动信号进行分析，由于其专业要求较高， 一般不适合现场工作人员的使用。 ( 3 ) 柴油机故障诊断虽然近年来得到长足发展，但由于它同旋转机械诊断一样，都 是建立在多种学科基础之上的交叉学科，它也面临着这些学科在发展过程中所面临的共 同问题。 1 3 3 故障诊断的发展趋势 众多的文献表吲9 1 1 j ，柴油机故障诊断今后的发展趋势是不解体化、高精度化及智 能化。 不解体检测的研究方向是开发出可预埋在设备内部的传感器。美国、日本等国家己 成功的将超薄型传感器安置在发动机内，对发动机的温度及主要部件的配合间隙进行连 续诊断，并利用光纤传感器监测发动机的转速波动。 高精度化是指提高信号分析的信噪比。如利用相干函数对测点进行选择，利用多段 时域平均法提高当前的信号强度，利用小波及神经网络来对信号进行高精度提取【1 2 】等， 其目的都在于去除诊断参数中的干扰，以提高诊断精度。 智能化是指开发诊断型专家系统，能使数据采集、处理、分析及故障的识别与处理 都能自动完成，以减轻诊断的工作量，并提高诊断的速度及正确性。而且开发功能强大、 操作简便的系统以适合现场工作人员的使用，是智能型故障诊断系统的研究方向，也是 智能型故障诊断系统得以发展的必要条件1 1 3 1 4 】。 故障诊断技术这一新兴学科的日趋完善，还远远不是其发展进程的终结，随着计算 机技术、测控技术、信号处理技术、信息论、控制论、可靠性理论以及系统工程等现代 科学技术的发展，还将大大丰富故障诊断技术学科的基础理论与实施技术，促进该学科 继续向更高水平和更广阔的应用前景发展。 1 4 论文的主要内容 本论文以柴油机为研究对象，结合信号采集技术、信号处理技术及相关理论对柴油 机故障诊断展开研究，着重解决下述几个方面的内容。 大连交通火学l ：学硕十学位论文 1 4 1 故障机理及故障诊断方法的理论研究 这部分内容以柴油机结构和工作原理为基础，主要研究了柴油机故障的形式，气缸 压力信号产生的机理，以及不同故障引起的不同形式的压力变化；对目前柴油机故障诊 断常用的几种诊断方法作了简要的介绍，如转速波动法、振动信号故障特征法等，同时 指出了各种方法的不足之处；并提出了本论文所采用的技术路线是以粗糙集理论为主， 小波分析及其他理论为辅，从而共同实现对柴油机进行故障诊断的目的。 1 4 2 粗糙集和小波分析法在柴油机故障诊断中的应用 用于柴油机故障诊断的特征参数有时域、频域等多个参数。通过试验方法提取的特 征参数往往不完备、冗余甚至相互矛盾，这给后续故障诊断处理带来了困难。如何在 不缺失信息量的情况下，用较少的属性值就能有效实现柴油机的故障诊断，这是一个 亟待解决的问题。粗糙集( r o u g hs e t s ) 理论是波兰数学家z ，p a w l a k 在1 9 8 2 年提出的一 种分析数据的数学理论，该理论在分类的意义下定义了模糊性和不确定性的概念，是 一种处理不确定和不精确问题的新型数学工具1 1 5 l 。 在柴油机故障诊断中，常常对工作过程局部异常区域所引起的信号局部变化感兴 趣，这些信号由于非常微弱、能量很小，往往难以辨别。当故障诊断应用傅立叶变换进 行分析时，不能进行局部化分析。而具有良好时域和频域局部化特性的小波变换，能对 信号的高频、短时成分准确地在时域和频域中进行分析，可将故障特征信号有效地分离 出来，从而对故障做出分析与解析1 1 6 1 。 课题采用粗糙集理论与小波分析相结合的方法进行柴油机的故障诊断，并深入分析 了此理论的应用前提和硬件基础，为构建诊断系统提供很好的理论依据。 1 4 3 系统的结构研究和硬件设计 这部分内容主要是根据理论分析的结果，针对柴油机工作的实际特点，结合信号采 集特点及其在故障征兆信号分析中的应用，设计基于先进a r m 控制技术的整体的故障 诊断系统。涉及传感器的选取、信号采集和主控a r m 电路；分析了数据输入模块、信 号采集模块、数据处理模块及通信模块等模块的性能：解决了故障征兆信号的数据采集 和存储、信号处理分析等方面的设计难点，为后续诊断工作做好准备；提高了系统的诊 断实时性、诊断精度以及系统的开发进度。 具体的讲，本文对以下几个方面的内容进行了重点的讨论： ( 1 ) 系统总体结构规划设计 基于信号采集的理论，比对不同的中央处理器，并针对系统的可扩展性做了分析和 比较，选择了基于a r m 处理器的解决方案，给出诊断系统的总体设计方案。 ( 2 ) 数据采集系统硬件单元的研制 6 第一章绪论 系统在高频率状态下对数据的采集以及对信号的处理是本系统的研究核心，也是整 个系统的主要功能部分。在这一章中，对硬件单元的设计思路进行详细阐述，并对单元 中各硬件组成部分的功能及实现做具体介绍。 ( 3 ) 数据采集系统软件单元的研制 针对本系统在高频率信号下对模拟信号采集的特殊要求，利用a d 7 6 2 1 超高速a d 采样及a r m 高速处理的特点，进行合理的软件设计。系统的流程控制程序采用了c 语 言实现系统的功能。 ( 4 ) 上下位机单元间的通讯 上下位机问采用r s 2 3 2 方式实现数据的通讯和保存，另一方面也便于系统调试和迸 一步的功能扩展。 本章小结 本章对柴油机故障诊断的意义、目的和分析方法进行了简要介绍；综合论述了故障 诊断的研究内容；把课题研究的主要内容分为几部分，在接下来的几章中再逐一介绍。 大连交通火学i ：学硕十学位论文 第二章柴油机故障诊断方法及理论指导 2 1 柴油机故障诊断方法 柴油机是利用热能，通过往复式运动机构做功的动力机械；其结构复杂，是一个多 层系统，由供油系统、曲柄连杆机构、配气系统、润滑系统、冷却系统等组成；具有系 统级、子系统级、部件级、零件级四个层次，并且各主要零、部件经常工作在高温、高 压以及腐蚀性气体中。由于柴油机工作时存在各种激励力，因此其主要零、部件，如活 塞、连杆等承受力和运动情况极其复杂。柴油机正常工作状态不仅仅依靠零、部件本身 的优良质量和合理的配合柬保证，而且还需要配气、润滑、供油等系统的协调来保证， 外载和各系统任何一个环节离开正常状态，柴油机都会发生故障。因而对柴油机进行不 解体诊断，对于保证设备正常工作具有十分重要的意义。 柴油机故障诊断需要寻求一种简便、有效的诊断柴油机各缸作功状况的有效方法。 随着电子技术的发展，各种诊断方法层出不穷，下面针对常见的几种故障诊断方法及其 优缺点进行了简要的介绍。 2 1 1 柴油机转速波动法 由于柴油机转速波动包含了丰富的与柴油机各缸性能相关的信息，能较理想地反映 机器的工作状态和工作质量，而且转速的波动可以通过不解体柴油机测量得出，通过对 瞬时转速波动信号的分析可以得到机器运行状态和相关故障的丰富信息，具有一定的实 际应用意义i l 丌。柴油机如果正常运行时，各缸的动力性能基本一致，柴油机运转平稳， 各缸瞬时转速波动虽有差异，但总在一个不大的范围内，并呈现某种规律性，而且以柴 油机的工作循环为周期。在一定的工况下，当柴油机某缸工作不正常时，如出现如断油、 拉缸以及活塞环磨损等故障，而其余缸正常时，出现故障的缸的做功压力与正常情况相 比有所下降，势必改变这一缸做功时曲轴与飞轮的转速变化趋势，导致曲轴与飞轮的转 速波动规律改变。因此通过分析曲轴转速的波动规律，可以在一定程度上诊断各缸的故 障。因此，利用测得的曲轴瞬时转速判断各缸作功状况和诊断故障等得到国p 勺# l - 广泛的 重视，采用的分析方法也很多。相关分析法就是其中一例，它能够综合地考虑曲轴扭振 和惯性力的影响，以转速为特征参数，对具体机型做少量的实验以获得发动机正常工作 标准值，用以来检测发动机的工作状态。 瞬时转速波动诊断方法虽然能够反映故障信息，但是该方法不能反映造成故障的原 因，而且测量瞬时转速波动需要高频响、高精度的仪器，成本高。另外，现场安装、调 试使用均较困难。 2 1 2 应用铁谱和光谱技术监测柴油机磨损状况 第二章柴油机故障诊断方法及理论指导 在柴油机状态监测中，润滑油的铁谱及光谱分析是可行而有效的方法：铁谱和光谱 在其监测功能上有各自的优势和不足，这是因为柴油机运动件含有多种材料的摩擦副， 而每一对摩擦副又会出现各种不同的磨损状态。产生于不同摩擦副在不同的磨损状态下 的磨粒，是以不溶的颗粒形式存在于润滑油中的；光谱可以准确地测定润滑油中磨损元 素的含量，但不能了解其存在的形状。而且其监测灵敏度又受到磨粒本身粒度的影响， 因此无法判断磨损的类型。铁谱可以直观地了解磨粒的形状、大小和成份等重要的磨损 信息，但对有色金属就不具有与铁系磨粒有相同的灵敏度，而目分辨能力不如光谱分析 仪。所以联合采用铁谱及光谱技术获得了取长补短的效果。但是由于利用铁谱及光谱进 行监测的数据多，各个指标数据的重要程度也不同，致使诊断结果可信度较低，而且铁 谱及光谱分析法无法确定有问题的缸位，且不易实现实时监测：油液分析的结果只是定 性地描述，存在一定的随机性i l 引。 2 1 3 振动信号故障特征法 柴油机具有振源多、运动部件多、工作复杂等特点，而它在运转时必然会产生振动， 这是由其结构特点和工作性质决定的。这是因为燃烧室中气体压力和曲柄连杆机构运动 质量的惯性力都是与内燃机曲柄旋转周期有关的周期函数，因此由它所产生的扭转力 矩、沿气缸中心作用的惯性力和水平方向的惯性力同样都是周期函数。柴油机在周期性 变化的力以及力矩的作用下，在垂直和水平方向都会产生振动【l9 j 。此外，气阀机构的气 阀与阀座之间的敲击、进排气系统中气流的脉动也是柴油机振动的因素。而缸内气体压 力是主轴承振动的原动力，它与柴油机工作过程及负荷大小有关，是一种与柴油机发火 频率相关的低频周期性激励。 该方法具有诊断速度快、准确率高和能够实现在线诊断的特点。近年来，国内外通 过振动信号提取柴油机故障特征的研究已取得了较大进展，研究的重点是通过缸盖或缸 体振动信号，提取燃烧激振力及排气门落座响应的频率特征，对柴油机工作过程故障进 行诊断。但是，这种方法大多局限于在实验室对零部件单一模拟故障的诊断方面，距实 际应用还有一定距离。主要困难有： ( 1 ) 柴油机的结构异常复杂，加之输入、输出不明显，因而无论是定量还是定性都 难以用比较完备、准确的模型对其结构、功能、以及状态等进行有效的表达；柴油机的 故障及产生故障的原因有时是模糊不清的一个故障可能是多种因素综合作用的结果， 这比简单的因果对应关系复杂得多。 ( 2 ) 柴油机振源多，系统传递路径复杂，故障既有“纵向性”，又有“横向性“，这一 特性带来了柴油机复杂系统中多个故障并存的现实，多故障的同时诊断导致对故障能否 准确定位这一十分困难的诊断问题。 ( 3 ) 柴油机各类故障所对应的振动频率，无论从理论上还是实践中都较难准确确定。 9 大连交通人学i ：学硕十学位论文 目前所采用的故障诊断方法，只是根据功率谱的形状特征用相似比较的办法进行确定。 在不同的故障形式产生相似形状功率谱图时，有可能发生误诊，给实际判断工作造成很 大困难。 2 1 4 噪声分析法 柴油机的噪声来源于设备内部的各类机械振动。零部件的冲击、摩擦以及燃烧时的 冲击波形成柴油机的机械振动。这些振动有整体性的，也有局部性的，而最终通过一定 途径反映到机体外的声辐射中，因此通过对其外部噪声信号的处理和分析可识别声源， 并根据特征参数值的大小来判定该零部件( 声源) 工作状态。通常采用的方法有声强测 试法、声功率测试法及声压测试法等。不过由于噪声的测量受环境的影响较大，实际应 用中大部分局限于柴油机整体噪声的测量，而较深层次的研究和振动信号分析方法相比 具有一定的差距。目前，人们习惯把噪声和振动分析归于一类，故用于振动分析的方法 一般都能用于噪声信号的分析中。 2 1 5 气缸压力分析法 性能检测法是利用柴油机介质如空气、燃气、滑油、冷却液等以及其它一些机械参 数来判断柴油机部件或整机的技术状况。利用气缸气体压力对柴油机进行故障诊断是该 类诊断方法中的代表方法。对于工作过程而言，气缸工作时燃爆过程内部的瞬变压力直 接、敏感地反映了相应的性能信息；而这些信息描述了柴油机动力性能，综合反映了柴 油机热能( 燃油燃烧爆发) 向机械能转换的过程，因此通过气缸内气体压力的变化可对柴 油机的一些故障做出有效的判断。 近年来，随着气缸压力识别方法的研究，人们开始用识别的气缸压力来判断柴油机 工作性能，或在气缸压力识别的过程中进行诊断故障。虽然采用气缸压力诊断法对其发 生的故障进行诊断具有一定程度的困难，但我们也注意到柴油机的气缸压力信号是故障 信息最直接的载体，与其它诊断方法如油样分析、无损检测等方法相比而言，在诊断的 速度、测试的方便性、实现在线监测等方面，压力诊断具有明显的优势。因此本课题也 是选用气缸压力为测量信号，利用气缸压力分析法展开系统的故障渗断工作。由于气缸 压力诊断法的数据运算量很大不是单片机所能承受的，而且压力传感器要求高，因此需 要寻求新的压力信号采集渠道和处理方法，这也是本课题的研究重点。 2 2 小波分析诊断法 小波分析不仅具有丰富的数学内涵，而且具有重要的应用价值。小波分析在机械故 障诊断领域中的应用还刚刚起步，国内外不少学者己丌始着手进行这方面的研究。由 于小波分析非常适合分析非平稳信号，当然，对平稳信号的分析，它也同样有效。因此 1 0 第二章柴油机故障诊断方法及理论指导 小波分析可作为故障诊断中信号处理的较理想的工具，由它来构造故障诊断所需的特征 因子，或直接提取对诊断有用的信息。 2 2 1 小波变换及其算法 ( 1 ) 小波变换定义1 2 0 - 2 2 小波变换是把信号x ( f ) 表示为一簇函数的加权和，而这簇函数是由小波办( ，) 经过伸 缩和平移而形成的。伸缩尺度为口，时间平移为b 的小波吃，。( f ) 定义为： 哪) 2 丽l 沙( 竿 ，a 。 亿， 连续小波变换w ：( a ，b ) 定义为： 哪，2 南弘炒( 半 d t 亿2 ， l “l 、一 7 对参数口和6 进行离散化，选取a - a j ，b = 加。a j ( a 。 1 ，b 。 o ) ，那么离散小波为： 少j ，k ( t ) = a o2 y ( a j t 一柚。) 于是，离散小波变换定义为： d j k = jx ( t ) w j k ( t ) d 。 若a o = 2 ，b o = l ，那么离散小波变换则称为二进制小波变换。 i ，。( t ) = 2 、( 2 t k ) 二进小波变换定义为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) 此时，二进小波为： ( 2 5 ) d j t k = jx ( t 耽，k ( t ) d 。 ( 2 6 ) 其反变换为： x ( t ) = d j , k 缈j ，k ( t ) ( 2 7 ) j k 所谓小波变换就是把信号在上述小波基下进行展开。当然，此变换必须存在逆变换， 否则，不能恢复原信号，该变换就没有什么意义了。 ( 2 ) 多分辨率分析 多分辨率分析在正交小波变换理论中具有非常重要的地位，在多分辨率分析理论产 生之前，人们构造正交小波基函数要凭借技巧，具有一定的难度。自从有了多分辨率分 析理论，这项工作变得容易的多。当然，要寻找合适的基函数还是需要一定的经验的。 大连交通人学1 ：学硕士学位论文 当找到了合适的滤波器系数后，就可以利用m a i l a t 给出的快速小波算法来计算小波变换 了。 通俗地讲，多分辨率分析就是把空间上的函数厂( f ) 分解为细节部分彤( 小波空 间) 和大尺度逼近部分k ( 尺度空| 日j ) ，然后将大尺度逼近部分k 进一步分解，如此重 复就可得到任意尺度( 或分辨率) 上的逼近部分和细节部分。 ( 3 ) 滤波器系数 根据多分辨率分析理论，如果缈( ，) ，y ( ，) 分别为尺度空间v o 及小波空间的一个 标准正交基函数，则在任意相邻尺度j ，j 一1 之间，都有二尺度空间基函数关系： 纺 o ( 。) = e h ( n x o i - 1 。( t ) ：ng ( n n ( t ) ( 2 8 ) 其中的办( 门) ，g ( 疗) 即为滤波器系数，由尺度函数妒( ，) 和小波系数y ( f ) 决定。 ( 4 ) m a l l a t 塔式算法 小波变换作为一种新兴的理论是数学发展史上的重要成果。1 9 8 8 年m a l l a t 在b u t t 和a d e l s o n 图象分解和重构的塔式算法启发下，基于多分辨率分析( m r a ) 框架，建立了 小波快速算法m a l l a t 算法，大大提高了小波变换的速度，从而使小波变换具有明显 的工程应用价值。 当有了一组小波基函数后，剩下的事就是计算分解了，即把信号用小波基函数表示 出来，从而关键问题是求出表示式中的系数。根据多分辨率分析，将信号( f ) 在匕一。分 解一次( 即分别投影到巧、空间) ，此时巳，。和哆j 为j 尺度上的展开系数，经过不算 复杂的推导，可得二进小波便交换的m a l l a t 正变换算法如下： h 。- - zh n - 2 r c ，。 k r - g 帕h 。“。1 2 j q 9 反变换( 重构) 算法： c j - l , r = z e h 门。c j ，n + g 心m d 。) j = j ，j - i ，1 ( 2 1 0 ) 其中c j j 是原信号的平滑信号即剩余系数，d j 是细节信号即小波系数，g ( 力) 是与 小波函数相关的带通滤波器的脉冲响应，厅( 胛) 是与尺度函数相关的低通滤波器的脉冲响 应。 上式说明它们可由j - 1 尺度空间的剩余系数c ，- l j 经滤波器系数进行加权求和得到。 实际中的滤波器h ，g 的长度都是有限长的或近似有限长的，因此分解运算非常简单。 第二章柴油机故障诊断方法及理论指导 将巳j 进一步分解下去，可分别得到屹+ ，、嘭+ 。空间的剩余系数c 川 和小波系数d 川。： c j + l r _ h ( m - 2 定 ) c j ，m d j + l r ：mg ( m 一2 喊 ( 2 1 1 ) 从而得到任意尺度空间上的分解。分解过程如图2 1 所示： 图2 1 小波变换频率分解图 f i g 2 1f r e q u e n c yd e c o m p o s i t i o no f w