（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的柴油机故障诊断系统研究.pdf

摘要 摘要 柴油机是一个复杂并且被广泛使用的机电系统，现在的柴油机测试系统大 多只是从某一方面分析柴油机的性能，价格高，且智能化水平不高，如何在降 低投资的同时全面地测试诊断柴油机的性能，提高测试精度，是测试领域的一 个难点。虚拟仪器技术的核心是“软件印仪器”，即用软件实现所有仪器的功能， 具有组建测试系统快、测试精度高以及节约投资等优点。 为此，本文将虚拟仪器技术用于柴油机故障测试诊断的信号采集、时域和 频域分析、小波分解、神经网络和数据库等方面，并对各项技术的原理特点及 在故障诊断领域中的应用做了细致的研究和分析。在此基础上提出了一种以虚 拟仪器技术为平台的柴油机故障诊断测试系统，应用效果良好。 本文的主要研究内容和研究成果有： ( 1 ) 把虚拟仪器技术运用到柴油机的故障诊断，用n 1 6 2 5 9 数据采集卡采集柴 油机的特征信号，用l a b v i e w 语言开发出故障诊断的软件平台。采集信号可以 多路同时进行，更换和增加采集通道也非常方便。此方法不仅节约了成本，而 且可以实现数据的在线和离线分析，构建测试系统也相当方便。 ( 2 ) 缸盖振动信号具有丰富的故障特征，本文先测取缸盖的振动信号和转速 信号，通过对信号本身的特性分析研究，揭示出各故障与振动信号之间的联系， 总结出了故障振动诊断的判据。 ( 3 ) 运用离散小波分解技术对高压油管压力波形进行分解，对分解出来的低 频逼近分量波形a 和高频分量波形山进行计算，分别提取频域方面的低频能量 因子和高频能量因子两个特征参数。根据高压油管压力的特点，提取了另外四 个特征参数，分别是压力波峰值及其对应的频率、开启油压、喷油提前角等。 这些参数不仅保留了时域特征还保留了频域特征，实验证明是一种对高压油管 压力波形处理的好方法。 ( 4 ) 运用b p 神经网络技术对故障特征参数进行训练和识别诊断，本文将6 个故障特征参数作为神经网络的输入神经单元，其诊断结论作为输出神经单元。 实际应用表明，具有较好的故障诊断效果。 摘要 ( 5 ) 故障数据的存取是设备故障诊断系统的一个非常重要的部分，运用 l a b v i e w 的数据库工具，实现了数据的存储、查询、读取等功能。 关键词：柴油机，故障诊断，虚拟仪器，小波分析，神经网络，数据库 a b s t r a c t a b s t r a c t d i e s e le n g i n e , ac o m p l e xa n dw i d e l yu s e de l e c t r i cs y s t e m ，i sa l s oam e c h a n i c a l e q u i p m e n t t o d a y , m o s td i e s e le n g i n et e s ts y s t e mj u s ta n a l y z et h ed i e s e le n g i n e s c a p a b i l i t yb yo n es i d e ，a n dt h es y s t e mi sn o to n l yc o s t l y , b u ta l s on o ti n t e l l i g e n t i z e d h o wt ot e s td i e s e le n g i n e sc a p a b i l i t ya c r o s s t h e b o a r d e l e v a t et h et e s t i n gp r e c i s i o n a n dc u tt h ec o s t ，i t sap r o b l e mi nt h et e s t i n gd o m a i n v i r t u a li n s t r u m e n t sc o r ei s “s o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ”，j u s ta su s es o f t w a r et oc a r r yo u ta l li n s t r u m e n t s f u n c t i o n s i th a st h em e r i t ss u c ha sq u i c k l ye s t a b l i s h i n gt e s t i n gs y s t e m ，h i g hp r e c i s i o n a n de c o n o m y a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e ra i m st ot h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a l i n s t r u m e n ti nt h e t e c h n o l o g i e s o fs i g n a l a c q u i s i t i o n ，t i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s ， w a v e l e ta n a l y s i s ，n e u r a ln e t w o r k ，a n dd a t a b a s e m e a n w h i l e ，i tg i v e sd e t a i l e ds t u d i e s a n da n a l y s e so nt h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h o s et e c h n o l o g i e sa n dt h e i r a p p l i c a t i o n s b a s e do nt h e s ea n a l y s i s ，t h i sp a p e ra r g u e sf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ef a u l t d i a g n o s i st e s t i n gs y s t e mf o rd i e s e le n g i n es y s t e mw i t hv i r t u a li n s t r u m e n t s t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t ht h e i n t r o d u c t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i n d i e s e l e n g i n e d i a g n o s i s ，t h ef a i l u r e d i a g n o s i ss o f t w a r ep l a t f o r mi sd e v e l o p e di nl a b v i e wu s i n gt h e s i g n a l sa c q u i r e di nt h ed i e s e le n g i n eb yt h en 1 6 2 5 9d a t a - a c q u i s i t i o nc a r d t h es i g n a l s c a nb ea c q u i r e dt h r o u g hs e v e r a lc h a n n e l s ，a n di ti sc o n v e n i e n tt oc h a n g ea n da d dt h e c h a n n e l s t h em e t h o di se c o n o m i c a l ，a n dt h es i g n a l sc o u l db ca n a l y z e do n l i n eo r o f f l i n e m o r e o v e r , i ti sc o n v e n i e n tt oe s t a b l i s ht h et e s t i n gs y s t e m ( 2 ) t h ev i b r a t i o ns i g n a lo fc y l i n d e rl i dh a sa l o to ff a u l tc h a r a c t e r s t h i sp a p e r , b y m e a s u r i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a lo fc y l i n d e rl i da n dt h er o t a t es p e e ds i g n a l a n d a n a l y z i n gt h e s es i g n a l s ，r e v e a l st h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev i b r a t i o ns i g n a l sa n dt h e f a u l t s ，t h e ns u m m a r i z e st h ec r i t e r i o na b o u tt h ef a u l tv i b r a t i o nd i a g n o s i s ( 3 ) t h ed i s c r e t ew a v e l e ta n a l y s i si sa p p l i e dt od e c o m p o s et h ep r e s s u r ew a v e f o r m i nh i g l l - p r e s s u r eo i lt u b e s ，a la n dd 3a r ed i s i n t e g r a t e da n dc a l c u l a t e d o nt h eb a s e so f a b s t r a c t t h o s ec a l c u l a t i o n s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si nt i m ed o m a i na r ee x t r a c t e d a tt h e s a m et i m e ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh i g h p r e s s u r eo i lt u b e s ，a n o t h e rf o u r c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e d ，i e t h ep e a kv a l u eo ft h ep r e s s u r ew a v e f o r m a n di t s 仃e q u e n c y ，t h eo r i g i n a l0 i 1p r e s s u r ea n dt h es p u r t e d - o i la n g l ea d v a n c e d t h o s e p a r a m e t e r s r e s e r v en o to n l yt h et i m e d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c sb u ta l s o t h e f r e q u e n c y d o m a i n c h a r a c t e r i s t i c s i tt u r n so u tt ob ea ne f f e c t i v em e t h o df o r p r o c e s s i n gp r e s s u r ew a v e f o r mi nt h eh i g h - p r e s s u r eo i lt u b e s ( 4 ) t h eb pn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y i su s e dt o h e l pi d e n t i f yt h e f a u l t c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s t h i sp a p e ru s e s6c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa st h en e u r a l n e t w o r k si m p o r t e dn e u r a lc e l l ，a n di t sd i a g n o s t i cc o n c l u s i o na st h eo u t p u tn e u r a lc e l l t h i st e c h n o l o g yh a sb e e np r o v e de f f e c t i v e 。 ( 5 ) t h es a v i n ga n dr e a d i n go ft h ef a u l t y d a t ai s a ni m p o r t a n tp a r to ff a c i l i t y d i a g n o s t i cs y s t e m t h ea d o p t i o no fl a b v i e w sd a t a b a s et o o l se n a b l e st h em a c h i n et o s a v e ，r e a da n ds e a r c hd a t a k e yw 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 ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，w a v e l e ta n a l y s i s ，n e u r a l n e t w o r k ，d a t a b a s e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它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 确的说明并表示了谢意： 签名：衄 日期：监；：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：攀貌有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论塞的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： ：弛导师签名：翌! 瞬日期：型率圣：铲 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 近年来，随着现代科学技术的不断进步与发展，现代工业生产设备的日 益复杂化、大型化、高速化、自动化，尤其是测试技术、计算机技术的迅速发 展和普及，机械设备故障诊断维修技术也越来越受到人们的重视。实践证明， 机械设备故障诊断的应用研究具有重要的社会价值和经济价值，它主要表现在 以下几方面：( 1 ) 及时掌握设备运行状态异常或故障的早期征兆，以便采取相应 的措施，将故障消灭在萌芽状态，避免或减少重大事故的发生。例如1 9 8 6 年1 月，美国航天飞机“挑战者”号的失事，不仅造成数十亿美元的经济损失，而 且曾一度给美国乃至世界的航天事业蒙上了一层阴影【1 1 ；1 9 8 6 年4 月前苏联切 尔诺贝利核电站大量放射性元素外泄事件，导致死亡2 0 0 0 多人，损失3 0 亿美 元，放射性物质污染了西欧上空。我国的机电设备故障引起的损失也十分惊人， 1 9 8 5 年山西大同电厂2 。机组联轴器断裂事故，1 9 8 8 年秦岭电厂5 机组主轴断裂， 这两次事故的直接经济损失均达亿元，并严重影响了华北和西北地区的供电。 这些事故的产生表明，仅仅提高所设计设备的可靠性是不够的，必须采取以“设 备状态监测和故障诊断”为核心的防范措施；( 2 ) 改变传统的“定期维修”的方 式为更实际的“视情维修”，这样可以大量地节约人力和物力。“定期维修”的 检修周期基本上是凭人的经验加上某些统计资料来制定的，它很难预防许多由 于随机因素引起的事故，同时还会造成许多过剩维修。随着现代化工业设备日 益向大型化、连续化、高速化方向发展，要求设备在运行时保持工作状态就越 来越成为值得关注的热点，对这些现代化设备而言，不出故障是很难做到的， 问题在于早期发现，防范于未然。这就要求采用先进的仪器和科学的方法来进 行监测和诊断：( 3 ) 通过监测得到的大量机器状态数据，可以更充分地了解机器 的性能，为改进设备设计、制造水平及产品质量提供有力的依据，大大节约资 金投入。在采用了故障诊断技术之后，日本每年节省维修费用3 亿英镑，扣除 因故障诊断工作的投入0 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑：英国每年节约维修费用 第一章绪论 约7 5 亿英镑；我国开展故障诊断的时间较短，但也取得了显著的效果，例如铁 路系统采用故障诊断技术后，1 9 7 9 年至1 9 8 6 年共发现和防止车辆燃轴达2 9 1 万 件，1 9 8 6 年与1 9 7 8 年相比，燃轴事故减少到1 1 4 ，按经济效益计算，相当于增 加年收入2 亿多元l l j 。 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， 不仅在大载重量汽车、牵引车、大客车、工程机械上得到了广泛的应用，而且 在中、小载重量汽车、中型客车上应用也日益增多，甚至在轿车上柴油机的应 用比例也在增加( 如现在最新推出的捷达、宝来t d i 都采用柴油发动机) 。这是 因为柴油机与汽油机相比，具有燃料经济性好、工作可靠、耐久性好、功率范 围广、排气污染小等一系列优点。现在柴油机日益朝着大型化、高速化、精密 化方向发展，工作性能不断完善，自动化程度越来越高。一方面它将提高劳动 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。 十几年来，经过同行们的不懈努力，柴油机的故障诊断已经取得了长足的 发展，但它还是一门新兴的学科，但是还没达到完善的水平，主要表现在： ( 1 ) 柴油机的诊断理论和实践大多数还处在实验室水平； ( 2 ) 测量分析和诊断仪器脱离，便携式的多为分析系统，一般为传感器、放 大仪、数据采集系统和频谱仪。无具体设备的特征数据并缺乏诊断型系统。一 般缺乏在线的诊断系统，都是将数据采集好后拿到专门的研究部门去分析，浪 费很大的人力和物力； ( 3 ) 精密信号分析的仪器相当昂贵，并且专业化程度高，现场人员很难掌握。 对柴油机故障诊断技术研究，不仅能防止事故的发生，而且能带来巨大的 经济和社会效益，具体表现在以下几个方面。 ( 1 ) 可以保障生产的安全性，减少或避免因事故而造成的重大经济损失和人 身伤害。特别是对于诸如发电厂、船舶等中的大型机组，一般是在高速、重载 下运行，机组运行时的能量很大，一旦发生故障就可能造成严重破坏，甚至使 整个机组报废。 ( 2 ) 能够帮助维修人员早期发现设备的异常症状，以便尽快查明故障原因， 预测故障的影响，从而实现有计划、有针对性的按状态维修，即视情维修。这 样可以在全局上延长维修周期，缩短维修时间，从而有效提高设备的完好率。 2 第一章绪论 o ) 在有计划、有针对性和视情维修的基础上，由于有时间在维修前做好充 分的准备，包括准备好维修用的资料、工具、零部件以及检测仪表，可以有效 地提高维修质量，减少平时的备件储备，还可以将过去制定的不尽合理的年度 或季度维修次数减至最少，避免过剩维修，并可以安排在对生产最有利的时间 进行，从而从总体上降低维修费用。 ( 4 ) 推动设备故障诊断技术的发展。柴油机有着一般机械设备故障诊断的共 性。但和其他机械设备相比，既有旋转运动，又有往复运动；柴油机振源有转 动件的不平衡惯性运动力。有往复运动件的惯性运动力，由运动件的间隙造成 的碰撞，也有阀与阀座问的工作时的相互碰撞，有弹簧造成的冲击力，更有燃 烧所产生的爆发冲击力。因而振动源多、运动部件多、工作复杂，因此，开展 柴油机故障诊断系统的研究，对于交通运输生产安全、避免经济损失、提高工 作效率、深化修理制度改革等都具有重要的现实意义。 1 2 柴油机故障诊断概述 1 2 1柴油机故障诊断的基本概念 设备故障是指设备不能按照预期的指标工作的一种状态，也可以说是设备 未达到其应该达到的功能。其内容包括：( 1 1 能使设备或系统立即丧失其功能的 破坏性故障；( 2 ) 由于设计、制造、安装或与设备性能有关的参数不当造成的设 备性能降低；( 3 1 设备处于规定条件下工作时，由于操作不当而引起的故障。故 障诊断的实质是根据状态监测与信号分析处理所提供的能反映设备运行状态的 症兆或特征参数的变化情况，与某些故障特征参数( 模式) 进行比较，以识别 设备是否运转正常。 柴油机结构复杂、工作条件恶劣，在长期的使用过程中要承受各种应力和 高温作用，使得柴油机技术状况参数以不同的规律、不同的强度发生变化，最 终导致故障的发生。为能及时了解柴油机的工作技术状况和性能参数，就需依 靠柴油机故障诊断监测系统来动态监测发动机的各类关键参数，然后在分析这 些参数的基础上确定发动机的工作状态。柴油机的故障诊断技术是指在柴油机 不解体或不完全解体的前提下，依靠先进的传感器技术与监测技术，采集柴油 机的各种具有某些特征的动态信息，并对这些信息进行各种分析和处理、区分、 ，3 - 第一章绪论 识别并确认其异常表现，预测其发展趋势，查明其产生原因、发生部位和严重 程度，并提出针对性的维修措施和处理方法，并提供公正的科学的数据。柴油 机故障诊断设备主要完成对柴油机的动力性、经济性、安全性、可靠性以及噪 声、排放污染等状况的监测吐 1 2 2 柴油机故障诊断的技术方法 设备故障诊断技术，其实质是了解和掌握设备在运行过程中的状态；预测 设备的可靠性；确定其整体或局部是正常或异常；早期发现故障，并对其原因、 部位、危险程度等进行识别和评价；预报故障的发展趋势，并针对具体情况做 出实施维护决策的技术【2 j 。 设备故障诊断技术主要包括以下三个基本环节： ( 1 ) 信息采集。设备故障诊断技术属于信息技术的范畴。其诊断依据是被诊 断对象所表征的一切有用的信息，比如振动、噪声、转速、温度、压力、流量 等。没有信息的有效采集，故障诊断就无从谈起。只有采集的信号能如实地反 映设备的实际状态，这样后续的诊断工作才有意义。信号采集一般包括对传感 器的选择和信号调理电路的设计。传感器的选择包括对其类型、性能和质量、 安装方法、位置等的确定：信号调理电路主要对采集的信号实现放大、滤波或 隔离等预处理，实现信号的归一化处理。 但) 分析处理。由传感器或人的感官所获取的信息往往是杂乱无章的，其特 征不明显、不直观，很难加以判断。分析处理的目的是把采集的信息通过定 的方法进行变换处理，从不同的角度获取最敏感、最直观、最有用的特征信息。 如输入征兆提取装置的特征信号是能量形式的，则可在时域中提取征兆，也可 用先进的数字滤波技术、功率谱分析法、时序分析方法、小波分析等技术提取， 分析处理可以用专门的分析仪或计算机进行，一般可从多重分析域、多重角度 来观察这些信息。人的感官所获取的信息，是在人的大脑中进行分析处理的。 分析处理方法的选择、结果的准确性以及表示的直观性都会对诊断的结论产生 较大的影响。 0 1 故障诊断。故障诊断包括对设备进行状态识别、判断和预报。它充分利 用处理所提供的特征信息参数，运用各种知识和经验，其中包括对设备及其零 部件故障或失效机理方面的知识，以及设备结构原理、运动学和动力学、设计、 制造、安装、运行、维修等方面的知识，对设备的状态进行识别、判断，并对 4 第一章绪论 其发展趋势进行预测和预报，为下一步的设备维修决策提供技术依据。故障诊 断方法的研究内容可分为基于数学模型的方法和基于人工智能的方法两大类， 前者有基于状态估计的方法、基于过程参数估计的方法等，后者有专家系统的 方法、基于案例的方法、基于神经网络的方法、基于模糊数学的方法、基于信 息集成技术的方法、基于灰色关联度的方法及故障树方法等，其中信息集成技 术也称数据融合技术，主要有b a y c s 推理、k a l m a n 滤波、d s 推理、模糊数学 等。 上述三个环节的逻辑关系如图1 - 1 所示。 图1 _ 1 状态监测与故障诊断的几个阶段 1 2 3 柴油机诊断系统的开发平台 柴油机故障诊断开发平台可以实现诸如信号采集、信号分析处理以及诊断 推理等功能，其开发平台可以选用虚拟仪器( v i a u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 。传统 的仪器设备通常是以某一特定的测量对象为目标，把以上三个过程组合在起， 实现性能、范围相对固定，功能、对象相对单一的测试目标。而虚拟仪器则是 通过各种与测量技术相关的软件和硬件，与工业计算机相结合，用以代替传统 概念的仪器设备，或者利用软件和硬件与传统仪器设备相连接，通过通信方式 采集、分析、显示数据，监视和控制测试过程、生产过程等。因此，虚拟仪器 实际上就是基于标准计算机的新型测量与自动化系统。 虚拟仪器是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它 5 第一章绪论 尽可能多地将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能，代替为计算 机的程序来完成。这种硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大特征。操作人员 在计算机的屏幕上操作虚拟的仪器，就像操作真实的仪器一样，完成对被测量 的采集、显示、分析、处理和存储及数据生成等。 目前，虚拟仪器系统还是由数据采集系统、通用编程接口总线( g p i b ，g e n e r a l p r o g r a mi n t e r f a c eb u s ) 仪器控制系统、v x i ( 高速总线) 仪器控制系统、p x i ( 高 速总线) 仪器控制系统以及p c 总线系统选配组合而成的，如图1 - 2 。 虚拟仪器作为最新一代的测量仪器，与计算机技术同步发展。这是因为计 算机是虚拟仪器的核心设备，传统仪 器由硬件电路实现的数据分析处理 与显示功能，改由功能强大的计算机 来执行；当计算机与适当的i o 接口 设备配置完毕，虚拟仪器的硬件平台 就被确定，此后软件就成为仪器的关 键部分，这也是“软件就是仪器”的 由来。这意味着只要按照测量原理， 采用适当的信号分析技术与处理技 术，编制某种测量功能的软件就可构 成该种功能的测试仪器。 虚拟仪器具有如下特点【5 】= ( 1 ) 具有可变性、多层次、自助性 的面板。 虚拟仪器的面板可以做到与传 统仪器一样，可以有显示器显示波 图1 - 2 虚拟仪器系统构成框图 形；有l e d 指示数字；有指针式表头指示刻度：有旋钮、滑动条、开关按钮： 有报警指示灯和声响等等。所不同的是传统仪器只有1 个面板( 极少数高档智能 传统仪器可以拉出1 块副面板1 ，而且面板上的元器件是硬件，由厂商设计确定、 固定不变地安装在专用的面板上；虚拟仪器可以在1 个总面板上设计任意多层 下拉面板，每个面板布局简洁，而且虚拟仪器的面板由通用计算机的显示器构 成，面板上的各种显示控制元件都是软件，另外，虚拟仪器的面板上可以有“帮 助”菜单，便于不同水平层次的用户借助这类帮助信息，学会操作仪器。因此， 6 第一章绪论 虚拟仪器能够做出远远超过传统仪器的全汉化、生动美观、界面友好的面板。 ( 2 ) 具有强大的信号处理能力。 用适当的硬件接口电路，对信号进行采集、放大、滤波、隔离、a d 转换后， 虚拟仪器就可以灵活、充分地利用通用计算机的大量实用软件工具，对信号进 行各种计算、分析、判断、处理、图形或数字显示，经d a 转换后控制执行器 件的动作；用通用计算机软件，虚拟仪器能建立数学模型，对所测量和控制的 参数、过程、方法进行优化，最大限度地减少误差，修正误差，大大提高检测 精度，实现最优化测量控制。随着计算机技术的高速发展，虚拟仪器的功能会 目益丰富；随着微机主频、总线速度、多处理器技术的不断提高，以及硬盘和 内存的容量不断扩大，虚拟仪器的实时测控速度会不断加快，测试精度会不断 提高。 近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型 的基于w e b 技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为i n t e r n e t i n t r a n c t 的一 部分，实现远程监控和管理。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵 活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检侧、计 量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上 流行的“硬件软件化”的发展趋势。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、 频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测 特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心 电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备 的使用习惯，用户不经培训既可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和 高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。 虚拟仪器从硬件构成上讲，已经完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不 是在计算机上实现一台仪器的功能，而是形成了一套虚拟仪器系统的概念。它 是几种仪器的综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。 状态监测技术是以测试技术、信号分析与数据处理技术、计算机技术为基 础的。状态监测仪器和系统所有的分析、数据处理功能都可以通过虚拟仪器技 术由软件来实现，而且可以增强可操作性，仪器化的操作面板便于现场操作人 员的使用。 7 第一章绪论 1 3 国内外研究现状及发展趋势 奥地利a v l 公司生产的发动机故障诊断测试仪器系列产品，性能比较好； 加拿大c a i p 公司开发的发动机故障诊断和维修系统e d m s ，可以用来评估大型 柴油机或电力发动机在日常维护中所得来的数据，它采用的是润滑油油料分析 的方法，即根据磨损金属的浓度及其趋势，吸入的污染物和润滑油总的状态来 对发动机进行诊断，其用户主要是铁路和船舶领域，已经发挥了重大的经济效 益。但是该系统采取的是传统技术，不能对机器进行在线监测，且功能又是单 一的磨损分析，不是一个全工况在线监测系统。 我国开展设备诊断技术的研究比较晚，但发展较快，现在取得了可喜的成 果。西安交通大学研制成功的大型回转机械监测与诊断系统，在国内多家石化 企业推广使用，直接经济效益达2 亿元；武汉理工大学研制的柴油机缸套磨损 监测仪通过了部级鉴定，并已投入生产；华中科技大学研制的柴油机高压油路 故障诊断系统是一个基于知识的诊断专家系统，在国内市场较好。但是这些仪 器或系统只是从一个侧面检测和分析了柴油机的性能，而且智能化水平不高， 和国外的技术相比，还需进一步的提高和改进i l j 。 从科学发展的大环境来看，设备诊断技术的产生也是各个学科交叉发展的 必然。2 0 世纪4 0 年代以来，控制理论出现了重大突破，产生了一系列现代控制 方法，但同时也暴露了一些问题，即如何避免运行中故障的发生，这就要求有 - - 1 3 相应的诊断技术。同一时期，电子技术，尤其是计算机技术的发展，为设 备诊断技术提供了必要的技术基础。2 0 世纪6 0 年代，快速傅立叶变换的出现， 使诊断技术的发展产生了飞跃。近年来，传感器技术的发展，信号处理的系列 技术，如各种滤波技术、各种谱分析技术，人工智能等技术，如专家系统、神 经网络等，以及其他技术在诊断技术中的应用，使设备诊断技术逐渐完善。 由于存在上述一些情况，使得现在的测试系统的更新是日新月异，变化的 结果是人们不得不花费昂贵的成本去采购各种新颖的仪器，但是虚拟仪器的出 现，使得传统的仪器观念被颠覆，取而代之的是“软件即仪器”的新思想，有 了自己开发的虚拟仪器，不管测控任务如何变换，用户所要做的只是更改一下 程序而已，再也不需要耗费大量的成本去淘汰旧仪器购置新仪器了，这也符合 了现阶段建设节约型社会的要求，相信不久的将来，虚拟仪器在柴油机故障诊 断领域的发展也会更广泛。 8 第二章基于虚拟仪器的柴油机故障诊断系统研究 第二章基于虚拟仪器的柴油机故障诊断系统研究 2 1 引言 柴油机是一种多振源、宽频带、振动形态复杂的动力机械，其振动频率范 围从1 0h z 到近1 0k h z ，信号的最大最小幅值比大于10 0 0 ，情况比较复杂。柴 油机的故障诊断技术是一门涉及振动学、发动机仿真技术、测试技术、机械学、 数据分析处理和微电子技术等多学科的边缘技术，是一种由表及里、由局部估 计整体、由现在预测将来的技术。 柴油机监测技术包括两大类，即性能监测和机械状态监测。柴油机运行时 性能好坏最终的指标是燃油消耗率。影响燃油消耗率的因素为喷油定时、喷油 设备状态、进气和排气系统、燃油的预热、中冷器等。柴油机机械状态监测即 柴油机故障诊断技术，是对其主要运动部件( 例如，活塞一气缸套磨损；进、 排气阀漏气及主轴承磨损等) 进行监测与诊断，使其安全可靠地运行【3 】。 对柴油机进行监测和诊断，采用的技术主要是振动诊断、铁谱诊断和光谱 诊断，其中，振动诊断技术发展迅速，是最主要的诊断方法，因为它具有以下 优点【1 l = ( 1 ) 敏感性。振动能灵敏地反映柴油机运行状态的变化； ( 2 ) 广泛性。柴油机的大多数故障都能从振动参量中反映出来； o ) 多参性。如振动的位移、速度及加速度等； ( 4 ) 多维性。如时域、时延域、频域、倒频域和振幅域等； ( 5 ) 可传递性。当柴油机内部出现故障时，其振动可通过一定的途径传递到 柴油机外表面，便于测量： ( 6 ) 可实现性。传感器技术、信号分析技术的日趋完善为振动诊断提供了有 力的保证； ( 7 ) 简单实时性。传感器安装在机器表面，可以对设备进行不解体诊断，同 时可以实现在线诊断的功能。 本论文主要做的是利用缸盖的振动信号和高压油管的压力信号对柴油机机 械状态进行监测和故障诊断。在柴油机中，常见的故障有气缸套磨损，进排气 9 第二章基于虚拟仪器的柴油机故障诊断系统研究 阀磨损和漏气，连杆轴承和主轴承磨损，喷油系统( 高压油泵和喷油嘴) 故障、 漏水、漏油等。据有关文献提供的工业用柴油机停机故障4 1 0 次记录中，发生 故障最多的三个设备的故障发生率超过了事故发生率的一半以上，分别是喷油 设备及供油系统故障率2 7 ，漏油、漏水故障率1 7 ，气门及气门座1 1 9 。 2 2 柴油机故障形成机理 2 2 1 柴油机的主要结构 柴油机的结构非常复杂，而且不同用途的柴油机结构也不尽相同，下面以 机车柴油机为例，简单介绍其主要结构【1 9 】： ( 1 ) 固定件。包括机体、气缸盖、气缸套等，它是柴油机的骨架和所有零部 件的安装基础； ( 2 1 运动件。包括活塞、连杆、蓝轴等，是实现能量转换的重要部件； ( 3 ) 配气机构。主要由凸轮轴、气门等组成，它控制着进、排气道的开启和 关闭； ( 4 ) 进、排气系统。主要由增压器、中冷器、滤清器及进、排气管等组成， 完成换气： 佑) 燃油系统。是柴油机的重要组成部分，其工作状态直接影响着柴油机的 工作性能。其中喷油泵、喷油器及高压油管是其重要结构； ( 6 ) 调控系统。以调速器为核心，实现对柴油机供油量的调节； ( 7 ) 润滑系统。为运动摩擦表面提供充足的润滑油，保证柴油机的正常工作： ( 8 ) 冷却系统。适时地降低零部件的温度，保证柴油机的正常工作； ( 9 ) 其它辅助系统。包括启动系统、静液压系统等，协助柴油机完成正常工 作。 2 2 2 柴油机主要部件的故障形成机理 ( 1 ) 固定件和运动件的故障形成原因及特点【3 1 。 此部分部件常见的故障，概括起来主要有；气缸压力不足( 漏气) 、漏油和 漏水、运动部件产生异常响声、排气管冒黑烟等。如果气缸压力不足，其结果 将会导致柴油机起动困难，功率不足，严重时柴油机甚至无法起动；柴油机漏 l o ， 第二章基于虚拟仪器的柴油机故障诊断系统研究 水，并且又未能得到及时补充时，柴油机将会过热，使气缸充气量减小，并会 产生早燃，使工作粗暴，功率下降；油耗增加，温度过高也会使机油变稀，润 滑效能降低，加速机件磨损；当活塞和气缸过热时，其表面润滑油会被烧焦， 活塞环烧损，甚至活塞可能咬死在气缸内，使柴油机不能正常工作；发生异响 标志着该机构某一工件的技术状况发生了变化，也就是说柴油机存在某种故障， 这样就会影响柴油机的正常工作；排气冒蓝烟，表明燃烧室内窜入了机油，这 样不仅使机油消耗量增加，以及工件( 火花塞或喷油嘴等) 积炭增多，影响发 动机的正常工作，而且排烟还加重了对空气的污染。 如果是气缸压力不足，可能是气缸垫变形，或者是气缸盖出现了裂纹或者 也变形了，如果排气管经常冒黑烟，则可能是出现了拉缸现象，气缸被拉伤后， 机油就会窜入燃烧室，这样排气管中就出现了蓝烟，造成燃烧室大量积炭，同 时可燃气体漏入曲轴箱内。会稀释机油，同时，活塞也会出现敲击声，造成内 燃机的功率不足。 f 2 1 配气机构和进排气机构的故障形成原因及特点。 配气机构和进排气机构的常见故障主要有：气门漏气、工作产生异常响声、 配气相位发生变化等。气门漏气是由于气门与气门座密封不严等原因造成的， 表现为气缸压缩力不足，燃烧不良，排气有规律地冒黑烟或者是白烟，耗油量 增加，功率下降，漏气严重时，柴油机甚至无法正常起动。如果是工作时排气 有“扑哧、扑哧”的声音，可能是排气门烧坏；如果排气门咬死在导管内，则 会导致配气相位发生变化，原因可能是灰砂窜入了气门导管内。 ( 3 ) 燃油系统的故障形成原因及特点。 燃油系统的任务，是把适量和干净的柴油以足够的压力，在适当的时间内 喷入燃烧室。这样，就有可能使柴油机长期在不冒烟的情况下发挥足够大的功 率。此外，供油量还应随着负荷的变化进行自动调节，多缸柴油机还要求各缸 供油量尽量一致，保持运转均匀。供油量过多或过少，过迟或过早，都会使柴 油机动力性和经济性下降，甚至不能正常工作，因此必须正确地使用与维护保 养燃油系统。 燃油系统经常发生的故障有喷油器雾化不良( 通常是由于喷油器本身的作 用失常造成的，有时也可能是喷油泵喷油压力低造成的) ：各缸供油量不均匀； 供油提前角太大或太小；不能供油或供油量少等。如果发生此种故障，会使喷 入气缸内的柴油机燃烧不良、不平稳，导致柴油机起动困难，即使能起动起来， 第二章基于虚拟仪器的柴油机故障诊断系统研究 柴油机排气也会冒黑烟，排烟断续，排气声不连续( 有时伴随着放炮声、气缸 内有金属敲击声) ，运转不良，振动j j n , 晤4 ，功率下降，甚至自动熄火停车，严重 的还可能发生“飞车”( 转速突然增高，超过柴油机允许的最高转速，并伴随有 巨大的声响) 事故的发生。 f 4 1 润滑系统的故障形成及特点。 润滑系是柴油机的重要部分之一，若润滑油不流通，就会引起轴瓦燃熔、 机件损坏等重大事故，因此，每次起动前，必须检查机油量，不足时应添加。 在发动机运转过程中，要注意机油压力表上的读数，若下降或不指示，应停车 检查。 润滑系统的主要故障是：机油压力过低或过高：油压不稳定；油温过高； 机油损耗过多；曲轴箱油底壳内的机油油面突然增高等。 机油压力过高的原因可能是曲轴箱油底壳内的机油不足，使机油泵吸到的 机油量少：或者机油路漏油或者是堵塞；一般小型高速发动机的机油温度不应 超过9 0 ，温度过高，将使机油粘度大大降低，这样就会使机油容易从零件之 间的配合间隙中流失掉，产生润滑不良，使机件磨损加快或发生机件被卡住等 现象，造成此种现象的原因可能是机油冷却器出现故障；机油消耗过多，可能 是机油泄漏，但通常是由于活塞环与气缸套、气门与导管的过度磨损，配合不 正常，使机油窜入燃烧室。如果发现油底壳中的机油越用越多，很可能是冷却 水或燃油泄漏到油底壳中造成的。 f 5 1 冷却系统的故障形成及其特点。 风冷柴油机的冷却系统结构简单，不易损坏，加之柴油机热起时间短，因 而不易发生故障。这里说的主要是水冷系统。水冷系统经常发生的故障主要有： 冷却系水温过高，水箱开锅；冷却系水温过低等。一般情况下，柴油机在正常 工作时的水温应保持在8 0 9 0 的范围内。如果水温过高( 超过规定值1 0 以上，一般原因是冷却系缺水或者水温表失灵) ，会使柴油过热，使润滑油变稀、 烧损，加速运动副之问的磨损，并产生大量的积炭，由于零件过度受热膨胀和 积炭，易使运动副之间发生卡滞现象，因柴油机功率下降，还会使柴油机早燃、 工作粗暴、燃油消耗量增加，而功率下降，还会使机器工作时出现敲击声、冒 黑烟、不易熄火等现象。如果水温过低( 一般在冬季出现，可能原因是无保温 装置或保温装置技术状况不良) ，则又表明燃料燃烧的热量的大部分被水和空气 带走，燃料燃烧不充分，导致活塞环容易积结，燃烧室内形成积炭。 一1 2 第二章基于虚拟仪器的柴油机故障诊断系统研究 2 2 3 柴油机典型故障的测试方法实现 结合柴油机工作特点及故障特征，选取了五类检测信号作为系统诊断特征 参数，实现柴油机不解体动态检测与诊断。这五类特征信号包括：表面振动信 号、转速信号、高压油管压力信号、温度信号等n 2 2 3 1 利用表面振动信号进行故障诊断 ( 1 ) 用缸盖振动信号对排气门漏气故障的研究。 气门头部底面直接与缸内高温燃气接触，特别是排气门还受到高温燃气的 高速冲刷作用，其气门开启瞬问，燃气温度高达8 0 0 9 0 0 ，流速达8 0 0 m s ；且气门落座频繁、冲击力相当大，极易在气门与气门座处产生漏气故障。气 门漏气不仅使缸内压力降低、燃烧恶化、油耗增加、排温上升、功率下降，而 且易导致气门被高温燃气吹穿，严重时气门吹穿的碎片进入增压器涡轮将工作 轮打坏，产生严重事故【1 0 1 。 柴油机气门漏气时高温高压气体通过很小的狭缝在