（机械工程专业论文）段修机车柴油机性能检测及诊断技术的研究.pdf

工程硕士学位论文段修机车柴油极性能拨测及诊断技术熬研究 摘要 为了解决机车柴浊孝几套架试验存在黪捡溅设备帮检测手段浇 较落后闯遂，在分析国内外柒油机数据采集和故障诊断现状及发展 趋势的基础上，根据我圉铁路运用部门的粪体情况，研制开发了一 套柒油机试验数据采集及分析系统。该系统采用微枫和单片枧配合 工作静方案，解决了荣油机检测数据多，实时性要求高的难题；软 件方西，该系统基于骅in d o w s 操作强境，程序采用留前较为流行的 v is t l a lb a s i c 语言、c 语言和汇编语言进行混仑编写，操馆界藤麓 浩，美观，侄子现场工人学习和使用。另外，该系统应用模糊理论 对柴油机的状态进行综合评定，提如爆柴油极黟功率、燃漆消耗率、 排气溢度、柴油机转速及增压压力等性能参数作为特征向量，对柴 油极状态进行综合评判，爨嵩了诊断结采酶正判率。在较、硬件设 计和零部件的选用上，充分考虑柴油枧的试验环境条张，采取了一 系列抗干扰措施，提高了系统的可靠性，保证在柴油机台架试验的 恶劣环境祭传下，能长期稳定、霹靠地工作。经现场运用表明，该 系统基本符合试验要求，能较好的达到预期的试验鼹标，骞较大熬 实用价僮。 关键谲：柴油梳、模糊理论、台篥试验 三垂墅垡造笪! 堕 墼堡壑茎壁垫塑丝墼鉴型壁鲨堑垫盔塑堑塞 a b s t r a c t l no r d e r t o g u a r a n t e et h el o c o m o t i v e s d y n a m i cb e h a v i o r ，e c o n o m ya n dt h e r e l i a b i l i t y ， w em u s tk e e pt h ed i e s e l e n g i n er u n n i n gi nt h eg o o ds i t u a t i o n b e c a u s e 伽e d i e s e l e n g i n e i st h em o s t i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ei o c o m o t i v e i tc a n a f i e e tt h e l o c o m o t i v e h e a v i l y b e f o r et h ed i e s e l e n g i n e i s f i x e d ，i tw i l lb et e s t e dt ok e e 。伯e 。o r 。e 。t n 。s so ft h ep a r a m e t e r s t h e s p o te q u i p m e n ta n di n s t r u m e n t sa r ev e r yl a g ，a n di t w i l ld e p e n do i lt h e w o r k s e x p e r i e n c et oe v a l u a t et h es t a t u so ft h eo b j e c t s 1 no r d e rt o 3 0 l v et h e s e p r o b l e m s ，o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h er e l a t e d d a t u m ，a c e o r d i n 誊t 。t h e s p e c i a li n s t a n c eo fc h i n a ，t h ew r i t e rs t u d ya n de x p l o r eas y s t e mw h i c hi s c o n s t i t u t e db v t h ep c c o m p u t e ra n dt h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r t h i ss y s t e mh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ： i nt h ep a r to ft h eh a r dw a r ew eu s et h ep e r s o n a lc o m p u t e ra st h ec o r ep r o c e s s i 鑫g 韬珏i ta 韩d i “t h ep a r to ft h es o f tw a r e ，t h i ss y s t e mi s b a s e do nt h ew i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e ma n di s c o m p i l e db yu s e o ft h e p o p u l a rc o m p u t e r l a n g u a g e v i s u a lb a s i c ，ca n da s s e m b e l a n g u a g e ，o t h e r w i s ei tu s e st h ef u z z yt h e o r yt o h e l pj u d g i n gt h es t a t u so ft h ed i e s e t e n g i n ea n du s e st h ee n g i n ep o w e r ，f u e lc o n s u m p t i o nr a t e ，t e m p e r a t u r eo ft h ee x h a u s t i o n a n dt h e s p e e do ft h ed i e s e l o rt h e s u p e r c h a r g e 鲥fp r e s s u r ea n do t h e rp a r a m e t e r st o e v a l u a t ei t s i n t e g e rp e r f o r m a n c e w h e nc h o o s i n gt h eh a r da n ds o f tw a r e 。w et h i n k 。v e f t h e e x p e r i m e n te n v i r o n m e n to ft h ed i e s e l e n g i n es u f f i c i e n t l yt h e n a d o p t as e r i e so f 。f f e c t i ”m e a s u r e st op r o m i s et h ep r e c i s i o na n d v e r a c i t ya n dt h ea b i l i t yt oa n t i - j a m m i n g t h r o u g hm a n a g i n g i nt h es p o r t s ，t h i ss y s t e mc a nf i n i s ht h eg o a lb a s i c a l l ya n da c c o f dw i 撼 t h er e q u e s t s i th a sb i g g i s hu t i l i t yv a l u e k e yw o r d ：d i e s e le n g i n e ，f u z z y t h e o r y ，s u p p o r te x p e r i m e n t a t i o n h y6 8 3 3 4 8 声明 本学位论文怒我在导师麓撰普下取得豹研究成果，尽我掰知，在 本学位论文中，除了翔以标注和致谢的郝分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同疆对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：童兰童如蜱产月罗网 学位论文侵耀授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上阏公布本学位论文的全部或部分内容，可戳向有关部f - 】或祝梅送 交并授权其保存、借蘑或土霹公磺本学位论文的全部鬣部分建客。对 于保密论文，按保密的考关觏定釉程序处理。 硬究裳签名：堑堕 细筘年岁舞，多疆 工穰硕士学位论文段修机车柴油钒性能梭测及诊断技术的研究 i 绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 就世界范疆藕畜，铁路“高速藿载”的发展，冲破了民航和高速公路对铁路 交织形成的“天罗地网”，甩搏了人们一度绘铁路运输戴上的“夕阳产业”静 槠予，_ j 氆来了铁路邋输复苏的新时代。国外有专家预言，2 l 世纪的交通运输仍 憋出铁路来主宰，2 l 世鳃将是离遮铁路时代。 在机车实际运用过程中，机破事传时有发生，严莛影响正露的铁路运输 生产。尤其随着铁路全面提速战略的实施，及保证列车正点率工作的开展， 机车的负莓不断增加，运用条件更烟苛刻，枫车运用状态豹好坏已经成为影 响列车安全正点运行的主要因素，是铁路的热点细难点问题。机车质量稠运 用状态已经成为铁道郜领导和祝务运用部门关注的焦点，并从管理、检修、 运用、技术装备、科研等多方露入手，采取措施保涯极车孵运耀状态，鞭得 了很大成就。但是，根据机车运用部门提供的统计资料显示，在机车的备謦巾 故障中，柴油杌故障约占7 5 。因兢，提高柴油梳的检修质蟹，保证其在良 好的状态下运行，是保证列车安全运行的关键。 柒油机试验台是迸行内燃机车功率整定时必须使用的设备，广泛皮照在 铁路各极务段毒曩极车制造厂。 铁路牵引用柴油机在装车前均须进行浆油机台架试验，柴浊机熊螽架试验 是靖柴油视总组涟后迸行柒油视零部件的磨合，检查备部件和柴油发呶机缎 的缝装质娃，奁明和消除全部缺陷，并且调整柴油橇的全部工作参数，通过对调 整台格的柴油发电机组进行连续的试验，检查其工馋壤况及测定表 夔紫油摭 特性的工作参数。桨泊机台架试验的嗣韵是验证柴油机的基本性能及各项工 作参数的夔确性。 1 2 国内夕l 、技术发展状兕和趋势 憝蕃微枧软疆件技术游飞速发震，各种功能的测试系统都向着班通用微 机配数据采集装鼹及专用软件的构成模式发展柴浊规试验台数据采集检测 系统落不例外。 l 工程硕士学位论文段修枫车柴浊机 生能检测及诊叛技术的研究 国外在这方匿的磷襄起步较旱，并寿银多产品闷世。其中有代表性的产 品有日本小野测器公司的c b 4 6 6 、5 6 6 ，奥地利李颊特农燃机及测试设备公 司的a v l 6 5 6 、6 7 0 等系列专嗣仪器，这些仪器主要用于柒油视缸内燃烧过程 的分析，比较适合柴浊机的设计积开发郝f 1 使用。柴浊枫镌台架试验设备也 有很多产品，如美国、日本、德国等发达国家的柴油机生产厂家，都有技术 先进，功能完善灼试验台。国外韵产品具有技术先进，性能可靠等优点，但 其价格昂贵，可扩展性较差，由于语言障碍现场学习和操作使用困难，因北 国辫的产品不适合我国的机务运用部门。近几年国内有关单位在这方顽也开 展了大量的工作，主要成果有戚墅堰桃车车辆厂自行开发的1 6v 1 8 0 z j a 型 柒油机性能试验数据测控及处理系统，洛阳南峰航空精密机电有限责任公司 生产静f s t 2 型发动机数控试验台，杭州中成测试设备有限公司生产的e s t 系列内燃机测试系统，抗州科艺电子信息帆器公司开发的e i m 0 3 0 0 系列发动 视台架自动实验系统等。国内的产品县有价格优势，但是阂开发较早，或其 它原因限制，在功能上和操作使用上还存在许多不足，不能满足使甭蔡求。 我国内燃机车用柴油机试验台上装蠢各抛检测期监视仪表，翔柴浊枫转 速表、视油医力和温度表、燃油压力表、冷却水温度表，功率检测仪和油耗 仪等，这些仪表爆来检测稠靛视柴油梳的工况，找出闯题，及时处理。然而 有关参数的采集及性能判断仍然靠仪表自身进行测量，人工记泶秘判断。这 种方法测蠡精度低，入为误差犬，影响柒、油机性能的诊断结果，容易造成锈 判和漏判，使状态不佳的柴油规装车运羯，鸯安全生产堙下隐患。傻楚，柒 油机结构复杂，检测和虢视仪表的数量有限，不可能全霹反映柴油机各圭要 部分的互作状态及故障情况，嗣时，仪表的精度较低( 一般精度为2 5 级) ， 以此作为柴油机状态和数障判断懿依撂，褥出的结论可靠性较差，雅戬满足 要求。另外工人的劳动强度大，与科技发展水乎不棚适应。因此，利用先进 的微枫技术、电子技术帮检测技术，根据先进的诊断瑗论，研制柒油机数据 采集和分析系统，解决柴油机试骏数撂的岛动采集秘搜能自动浮价闷题，提 高柒i 由机稔修质量，减轻操作人员的劳动强度悬十分必要的，具有积极的理 论和现实意义“+ 2 。“。 在国外产品中，日本小野公司接出的产晶主要包括c 8 4 6 6 、4 6 7 、5 6 6 ， 英主要特点有： 1 ) 。可剽用三种方式产生采样脉 率：转角信号脉冲、倍频电路生成的脉 2 工稳硕士学位论文段修机车柴油虮性g 检测及诊凝技本的臻究 狰秘内部时钟产生静脉冲。角度信号产生静脉、肄有7 2 0 p r 、3 6 0 p 靛和i p r 。当使用i p r 时，用1 4 4 0 倍频产生搬定的每0 + 2 5 度转焦信号。内部 对钟采样频率有2 5 0 k ，1 0 0 k ，5 0 k ，2 0 k ，t o k ，s k ，z k ，i k 等八个档次。 2 ) 。具有较完善的处理功能，分为四个方西2 5 个功能，这是其最大特 点之一。c b 一4 6 7 多通道发动机燃烧分析仪，除具有c b 一4 6 6 的功能以外，还 有如下的特点； 内装3 5 英寸软磁盘，外接5 英寸磁盘驱动器，寄g p i b 接墨能接外部 计算梳或记录仪器，另外有任选软件c b 0 4 5 0 能对燃烧过渡现象进行每个 锤环躲分辑，还有数字滤波软件和双韦倍涵数处理软件。 c b 一5 6 6 称为发动机燃烧过渡特性分板仪，具器c b 一4 6 7 的赝有功能， 还县有大容量的存储功能，能对每个循环进行燃烧分析，并可扩充为8 通道 用于低速采样。 从整体上看，c b 系列产品的优点在于具有台理的角度分辨率，较丰富的 处理功能，能进行过渡过程的燃烧分析强。“2 。2 “”1 。 奥地列a v l 公司的发动机分板仪主要特点是：啮牟垂转蹙分辨率选择范姻 大，有0 1 、0 2 、0 5 、1 、2 五个档次，并且可编制测量表在不同时刻按不 固分辨率采样；上止点瓣确定有两种方法：一是疆缩篪力曲线法，二楚上正 点传感器测量法；具有一个示波器功能软件，可实时观察各信号；主机扳上 带有大容蓬贮存器。从1 m b y t e 到4 m b y t e ，配有3 5 英寸软盘；舆有同步采 样功能。 荚园p e i 公司利用现有微机开发了d a b 5 0 0 、d a b 5 0 4 强个产品，具有4 个遴 道，选粥的楚1 2 位a d 转换器，最高采样频率是5 0 0 k h z 。d a b 5 0 4 是d a b 5 0 0 的改进产晶，具有月步采样静功能释各通道教大倍数可独立编稷调节的功 能。采样主板带有内存储器丽是利用计算机内存以d m a 方式存储数据；慰1 m b 内存酌机器掰黻连续存储5 1 2 k b 数据。软件编写上有许多可取之处，每一个 程序完成一个处理功能，不邋程序共鄹使用同一格式熬露始数攒，使予不溺 人员、不间时间合作完成一个程序包“2 ”。 溶沟有上海铁道学院豹r s o 4 燃烧分析仪、上海内燃机研究所的e a s 一8 0 0 、山东工业大学的e c a 型内燃机分掇仪等。返期豹毒上海内燃梳研究 所的e a s - 8 0 0 、e a s - 9 8 0 发动机分析系统、江苏埋正大学j x x 型内燃机数 据采集分耩系统等。 工程硕士学位论文段修机车柴油机性能检测及诊叛技术嬲研究 棚比之下，国舢的微枧化澳4 试分柝系统较为系统化，但是晷外的产品售 价舔贵( 醵c b 5 6 6 为侧，它的日本东京港离岸价为1 5 0 0 万同元，就是在日 元贬僵时也辎当予1 0 多万美元，1 0 0 万入民币) 、专业仡程度高( 全英文界 面) ，也同样存在蓿部分功能缺乏旦无法扩充与更瓤等缺点。 1 3 本课题的研究目的和内容 1 3 。1 研究目的 在柒油祝台粲试验数据检测和故障诊断方面，我国起步较晚，与国际先 进水乎有很大差距，开发的试验台用检测系统也比较落后。僵佼柴油杌保持 优良的整体性能又是机车运用部门的最为关注的问题。通过对柴油机综会性 能的检测诊断，也可以为故漳判断提供信息和线索。因此，开展柒油机综合 性能检测鄹诊版研究对提毫柴油枧媳技术水平，缩，、与困辨先进水平躯差距 具有较大的学术价值。研制简单、实用、准确的检测诊断系统为实现柴油机 状态修理提供必要物质手段，具有一定游实箱价值。本文对柒油机试验台的 检测诊断方法和诊断仪器的硬划避褥了鸯懿灼探索 4 1 。 3 2 研究内容 论文结合本人所承柜的有关科研颁褥，钎对1 6v 2 4 0 柒油机试验台，开 发了新的微机检测系统，阐述了系统的测试原理和功能、系绞的硬件和软件 结构黻及测试系统的特往 5 ，6 ，7 ，钉。 试验台现代化是柴油机技术发展的一个重要组成部分，其中最显著的标 志就是微机技术的应用。我们设计7 一套远行程w i n d o w s 9 8 下的，它是微机 测试系统研桶的。文章该系统是根据柴油机试验研究的实际要求而设计研制 熙，非常适合现场应鼹。随着计算枫技术髂普及，d o s 环境下韵数据采集软件 已比较蛰遍，但它们与w i n d o w s 应用程序有黄本质的区别。m s w i n d o w s 9 8 是 一种多任务的图形优操作系统，有着良好的入机交互界面和多任务支持功能。 在w i n d o w s 9 8 环境下实现试验台测试参数静检测不仅胃增强软件入橇交互 界面的友好性，符合软件发展的趋势，面且可以在参数实时检测的同时将它嬲 的变纯旒律敷曲线的形式表现出来，增强了数据的直观性，有利于状态监控和 4 互程磺士学位论文段修机车柴油视性能检测及诊断技术的研究 实时检测的实现 9 , 1 0 , i t l 。 2 设备诊断的基本理论和方法 2 1 设备诊断的基本理论 机械故障诊断技术是识别机器运行状态的一门实用技术，它研究机器运 行状态的交化在诊断倍意中的反妖。它的内容包括对机器运行状态进行监 测、识别和预测的这三个方瑟。近年来，随着计算梳技术、信号检测与处理 技术以及预测技术的飞速发展，机械振动诊断技术在振动监测系统的开发、 振动信号静分析和识剐、人工智髓的应甭等方面都有了很大的发展。 ( 1 ) 状态鉴测功能 在蓝测系统的开发方面，人们已经进行了大最的研究，并开发了许多粳 应斡仪器设备。在离线监测方式上，益测硬件正在向小型化方向迈迸。由于 微机，特别是便携机与笔记本计算机的迅速发展，蒸于便携规、笔记本桃的 离线益测与诊断日益增多；此外，基于便携式数据采集品的监测系统也有了 很大的发展，妇i r d 公司的i r d 8 9 0 、c s i 公司的z l l s 、国产的y e 5 9 3 8 等等。在线监测方顽，目前有西安交大机械诊峨礤究所开发的在线监测系统、 美国c s i 公司的在线箍铡系统等产赭。黻个人计算机为基础开发的在线懿测 系绫，出于性魃馀格比寒、柔性好、开发周期短等特点，近年来在翻内外嗣 益受到霾视。值得一提的是，国内开发的一些基于微机的在线竣测与赦障诊 断系统，大都其有较完善漪信怠采集、数据处理及事故追忆功能，特别是具 有多差中分辑手段秘诊叛方法，因此农国内企业中得到了越来越多的应用。 从总体上看，近年投用的各监测系统，基本上能满足对机组工况的了解， 必备厂关键桃组的安全运行、避免事故的发生起到了馥好的作用；经济效益 也很显蓑，初步统计，投周的经济效蕊可为投入费鼷的5 8 储，累计效益 粥更为可蕊 t 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 l 。 ( 2 ) 故障诊断功能 随羞信息处理技术的飞速发展，枧槭状态的诊断方法也不断垲褥到丰 富。跌传统的分祈方法，如相关分析、时域波形、轴心轨逊、a r 谱分析、 f f t 谱分攒，到一些较薪静分掇方法，始主分量分析、时频分析、全惠谱理 工程硕士学位论文段修极车柴浊极性能梭测及诊断技术的磺究 谂、轴心软遮的计算极模拟等，均被应用予故障诊断领域，并取得了很好的 应用效果。而且这种借鉴和发展的速度还在不断加快，一些信息处理领域剐 撮崮的新方法稚快就被应用到诊断领域，俪如分形理论、混饨理论、小波分 掇等。 一般而言，设备故障是指设备性能指标的降低或丧失。对设冬进嚣故障 诊断，晷的是为了了解设备在运行中的状态，并预测其发展变化，及时发现 存在的隐思，对故障部位、原因、严重程度、发展趋势以及数障性质等傲港 识嗣翔断，提出维修建议与决策意见。 2 2 设备故障诊断技术 在现场设备管理工作中，枧组放障则经常是攫枧组振秘过大，零部件过 早过量磨损等情况。园诧，现场使用的机组故障诊断技术主要也就是振动分 辑和油渡分板这题类技术。 设备故障诊断技术的实施，主要包括三仓环节，一是状态参数鲍采集， 海黻障分析诊断提供依据：二是信号箍疆，将杂觌无章的信号去伪存真，并 根握分叛要求进行粳应嬲转换( 变换) ，以获锝对诊断工作有价俊的既敏感 又直观的信息；三是通过信号处理得到的信息对设备的状态( 禽故障状态) 进行识别、判断和预报。 准确的预报必须对设盔赦蹲规律有足够的了勰，因此是更离瑟次煞故障 诊断。放障诊断的基本实施过程，如下豳2 1 所示。 图2 ，t 故障诊断的基本实施过程 工程硕士学位论文段修虮车柴油枧性能检测及诊断技术豹磷究 故障诊断实施韵方式有简易与精密、离线与在线、人工诊断与智能仡诊 断等区分，具体方式要视诊断对象、诊断要求、人员素质与仪器手段等具体 情况丽定。 大搬组奁企业生产中县鸯举足轻重的地位，一般均实施在线监漏稻精密 诊断方式。智能化在线系统也有应用，但在耳煎技术水平下，由于虮组款障 黪复杂槛，最终决策确诊还需要诊断专家参与意觅，因而完全依靠诊断系统 实现在线锂能化诊断的磬不多见。 生产管理层希望设备敌障诊断技术能达到这样的境地：故障早期发现， 诊断迅速及珏寸，结论定点定量，梳理清楚明白。要求是相当商的，当前现状 离此要求还有很大距离，寅待进一步开发与提离。 旋转机械故障益测与诊断系统从实现功能上来说，主要分为数据采集、 状态监测和故障诊颤三部分。它们之趣的关系是：数据采榘是保证i e 确监溯 和诊断的前提和基础；状态监测是数据采集的功能延伸翔皂幼化实现，又终 为数障诊断的前提和基础；故障诊断是系统的核心。它们互为补充，构成一 个完整的诊叛系统。 三个部分的流程如图2 2 所示。 图22 监测诊断系统的 芏务 数据采集部分的任务包括：瞬变、缓变傧号及开关量信号的采集；傣号 的预处疆，包括电平交换，放大，滤波，限幅，以及单位转换，异常点剔除， 零均僵化处理等；鉴相信号蠡冬处理敷莽j 躅；数据韵检验工作，包括平稳住裣 验，周期性检验，正态性检验等；数据的a d 变换；数攒的基缨，存贮， 自动更新等：与髓溯及诊断部分的通信协调等。 状态鹱测郯分熬任务是在翦端数据采集韵基础上，对机缀的状态进行判 别和分类，给出机组的状态报告。其体内褰包括：信号分板工馋，毂越限分 析，统计分析，时序分析等：数据韵快速傅重旰分析及谱分析：旋转机械的 启停工况分掇： 讵常运转工况分析；器种监视图形的显示，如频谱豳、轴，心孰遮图等； 梳缀状态的判剐和分类；梳缴状态的显示：机组的状态报告及打印；机组日 工稷硕士学位论文段修枧车柴油极性能梭测及诊断技术的研究 常搬表管理及档案管理：舀动声光报警：趋势分析：前端的数据处理及后端 故障诊断的通信协调等工作。 襟掭状态监测部分的设备状态报告可以决定放障诊断部分是否启动进 入工弦状态，以诊断出故障发生的原爨、部位，并给出故障对策等。具体内 容包括：机组状态参数管理；诊断知识库的管理与维护；救障诊叛；诊叛结 果静解释；诊断结果报告打印及管理：诊断结采显示及声、光提示：故障的 处理对策，建议和维修咨询等。这些是诊叛部分螅基本功能，还可以鸯羁入其 它扩展功能，如知识获取的功能：潜在故障的早期渗断功能等。如果从结果 上来划分，监测与诊断系统可分为硬件帮软件两大部分。 设备状态监视和故障诊断的模型如图2 。3 赝示。图中m ( f ) 是赦障桃理 传递函数，h ( f ) 为异常( 故障) 模型向量e ( f ) 和设备状态向量x ( f ) 之间的传递函数，s t ( f ) 戈载蒋或应力向量。出图i 冒知：在机器藏设备正 常时( 即m ( f ) = 1 ) ，其状态向量x ( f ) 是由外因s t ( f ) 、内因h ( f ) 共 露决定的：褥当蹬瑗异常藏敞障( 郎m ( f ) 1 ) 或载荷向量超过正常值( 即 s t ( f ) 超限) 时，x ( f ) 除与铃因s t ( f ) 翻内因h ( f ) 有关外，还与载荷 超差及故障机理传递函数m ( f ) 有关。 在设各状态监视和故障诊断中，设备的状态向量楚设备羿常或故障信息 的重要载体，是对设餐进霉亍放障诊叛的客观依据，所以及时、正确地掌握状 态向餐是迸行诊断的先决条件，为此就需要选择最能反映设餐状态的参数住 为状态向量，阂时要蹋传感器蠛其链检测手段对状态信譬进行监测，西为状 态信号是由载荷和系统特性确定的，所以对状态僚母豹戴测也可以分裂避过 对裁衙及系统特性的箍溯来实现。如栗需要判明故障是来自内因( 绩构) 或 妯因( 运行条件) ，往往必绥对状态镕号、载荷信号和系统特慌进行同时测 疆。 决定状态向量的因素并不其怒载荷超差和故障机理传递函数，同时还有 与故障无关的因素一噪声的影晌，故障铸患将混杂在大量静背景臻声当中， 为提高诊断的灵敏度及可靠性，必须采用信号处理技术，在状态馈号中按除 噪声、干扰的影确，撬取有用的故障信息，以突出故障特征。 8 工稷硕士学使论文段修极车柴油枫性能检测及诊断技术的研究 载荷( 应力) 向量 s i ( 厂 载荷( 应力) 的检 瓣攫评价技 术 异常或故障的检测评价技术 砑! ! l 而 ，一l 一 系统特性( 数学模型) 韵检测及讦价技术 状态向量 x ( p 状态的检测及 评价技术 综台诊断 ( 1 ) 异常和故障的原因、部位、程度；( 2 ) 可靠蛀及寿惫预测 ( 3 ) 性能优劣、使用好坏的评价；( 4 ) 决定修复和改善的方法。 墨2 ，3 设备状态鉴筏及敖簿诊断模型 异常模型向量是通过故障或疰状来建立魄，状态向量中的救障特 正信息 ( 或症状) 取决于异常向羹模穗( 它取定于载荷超差部分及故障机璁传递函 数) ，恧设备的一定状态与一定黪特征信息裙对应，为区剐不同异常或故障， 确定异常、放障在状态诊断中的反映，即确定故障的特缝信息，除必须掌握 载旖检测与评价技术矫，还应掌攒并常或敌障的检测及评价技术。也就是说， 通过设罄的状态特姬信愚来识别或估计设备骶处的状态，掰 ；主建立设备备类 状态特征信息和状态间对应关系的工作十分重要。由于故障类型的多样性， 特锰信怠翡模式也种类繁多，所谓建立故障特征信怠模式，即建立各类故障 的样板模式，习蠼上拣之为建立诊羧对象鲶故障档案。故障诊断或状态识涮， 实际上就是将待检模式与融知的样板模式对比，将其归属到某已知样板模 式中去的过稷。 通过上述务个步骤弄瀵设冬魄状态之基，就可以进行决策娥划，采取晴 皮的措施醵控制故障的迸一步发展或加以彻底的治理修复。 9 工程硕士学位论文段修机车柴油机性能梭测及诊叛技术的研究 文档建立一 画哇* 赋检测 提取 设备 导匠涸刊釜o l 茎主酬i 鲨b 哆刈： 干预 谤断淡戴 敖漳 倚况 欺j 奄 趋势 隧2 4 设器故障诊断蠹客 根据上述分析，可以总结溢设备故障诊断的其体实施步骤为： ( 1 ) 依号检测：按不同诊蜒舅的选择最能表缝设备王作状态的信号。 一般将这种工作状态信号称为初始模式；( 2 ) 特征提取：将初始模式向量进 套维数压缩，形式变换，去摔冗余信患，撬取故障特征，形成待检模式； ( 3 ) 状态识别：将待检模式与样投模式比较，进行状态分类。必鼗要 建立判澍函数，规定翔嗣准刚并力争使谈判率最小； ( 4 ) 诊欺决繁：掇掇判别结栗采取响应对策，对设备及其王作进行必 要的预测及干预。 综上新述，整个蔽障诊断的内容，可用图2 2 来表示。它包括诊断文档 建立瓤诊叛实施嚣部分。 诊断实施部分是一个典型的去伪存真、去粳取糖、由此及彼、由表及星、 豳逯及遴的模式谈别过程。选掸适当的状态信号，就是去伪存真；由初始模 式获褥德检模式，就是去糗取糖；识别过稷各个环警之阗必须依序遴行，互 为依存，就是由此及彼；而由待检模式和样板模式获知状态模式，就是由表 及壁；出状态模式黔对黼历程了解模式趋势，就是由近及远| 1 6 , 1 7 1 。 1 0 一 车 工程硕士学位论文段修极车柴漶撬性能检测及诊断技术的研究 3 段修机车柴油机性能微机采集系统的设计 隧着微电子按术和计算枫技术的迅速发展，微机化的内燃机测试分析系 统已越来越多地应用于内燃枫的测量积分横，茏论雷肉、国乡 ，都有不少类 似的产晶 t g a g 。 3 。1 段修机车柴油极性畿微车a 采集系统的设计 3 。1 段修机车柴油机性能特征参数选择 欲剡断柴油枫往能的优劣，首先必须选择合适的特征参数，一方面要最 大眼度的反映柴油机的工作状态，另一方面要便于测量。为诧，选择菜油祝 转速信号作为工况判断的依据，用柴油机的功率衡量其动力性能，用燃油消 耗率评定其经济性，用柒漓视捧气温度判断其燕负荷，也可问接了解柴油机 的燃烧情况。严格来讲还应该选择反映柴油枧拱 放性能的特征参数，戳剿新 箕排放指标是否满足要求，但由于这方厩的检测分析仪器价搀昂贵，体积较 大，枧车基层运用部门不可能配置，函诧这星不作考虑。上述参数基本能反 映柴油机的总体性能，但考虑到增压器是柴油极熙霪买部件，拄其设计寿命 与柒油梳的寿命不匹配，目前我国机车的大修期在8 0 9 0 万公里，甄增压 器灼寿会只有2 5 万公里左右，大约是柴油机寿命的三分之一。并且，增压 器的放障占柴油机故障的3 5 4 0 ，为了便于了解增援器的状态，选择增 疆器转速作为判断的特征参数。这样就能对柴油机及增压器的性能进行准确 期l 妪 z 8 ，2 9 。，们。 除以上提狲的参数以外，还要检测赢滠系统、低漫系统冷帮术温发，梳 滴溢度和笨力等参数，作为试验的蓝视参数，保证试验的正常进行。 3 1 2 段修机车柴油机性雒微机采集系统的设计原则 考虑柴油机试验过程，梭测系统应符会以下设计原则： ( i ) 测试时，应器量避免对稔铡对象产生酣加影响，如不影响原有流场与 工程硕士学位论文段修机车柴油枧性8 梭测及诊断技术的研究 瀑度场，不破坏原有结构等，试验应尽可能反浃紫油机的实际情况。 ( 2 ) 测试时应尽可熊实时反映柴浊机各静参数的真实螬况，这就要求整个 测试系统要具有一定的精度和灵敏度，以及与柴油机内部高速动态变化过程 棚适应的是够裹的响应速度秘采样频率。 ( 3 ) 考虑到柴油机工作环境比较恶劣，整个测试系统应尽量不受漫度、压 力、振动、噪声的影晌，在整个测量过程中保持性能稳定。 ( 4 ) 由于测试参数比较多，有些性能指标是逶过多个参数计算得到抟，因 此，往往要对多个数据进行同步铡蒙，以保证检测结果的准确性。 ( s ) 测试系统应当是胃靠、耐用的，为诧应采教必要静抗干扰措施如采厢 电磁屏蔽或是较小噪声等。 根据上述设计原刚，参考国内外的典型发动机分析仪设计了段修机车柴 虫枧性能微极采集系统熟图3 。l 所示f 3 卜4 0 1 。 3 1 。3 段修机车柴油橇性畿微辊采集系统的设计 3 。1 3 。1 温度参数的测量系统 测量郏分出传感器感滠元 牛、测瀑毫轿、前置线性放大电路、a d 转换 电路组成。 霉3 ，2 检测鄹势原理粼 在测量冷却水翘机油溢发时，感澡蠢体采耀w z b 型铺壤隘，分痰符号 为b a 2 ，r o = 1 0 0 u 土0 1 u ，电阻比r l o o r o = 1 3 9 1 0 土0 。o o l o ，灵敏度 o 3 9 u ，o e ，溅温范墨2 0 0 + 5 0 0 c 。铂电隘为测湓桥路的一个臂。当溢度升高 或降低时，测滠电矮失去平衡，虽竣出一个与瀑痰变化戏线性失衡嗽羼。经 过线往放大嘏路爵经过a d 转换与上位机相连等待处理。 在测量摊气温发时，由予澈度蹴较离，温度交仡范围较大o 8 0 0 ，敌 选用镍铬一镍铝热电偶测馒。热电偶的作用原理是磁辨不慰成俭黪导体薅端 工程硬学位论文段修枧车柴油机性能捻测及诊断技术的研究 稚 鲻 餐 斗 端 嚣业 疆 浆 耀 删 由 凸 跫删 逛 箍 喇 镣 斗 ；舔 逆 鼙 基 墩 穴 辎 l 蜀 殿媸 静 磐 啼 逛 o磐 捌 蕊潞 醋镣 辫迎 基 坟 嫂 。& 卜 黪舞 i el r u l 嚣 出删 靶 础 - 霹 岳 船 辖 皿嘲 荫 鞴 翳 啦 盎 潮翻 凳 树 罄 镄 蓬 暴螺 n v 、 露 删 t q 鲽擞 恭 f 船 螂 嚣l i 乓翘k 啦 峭 释 粼糕 l r 鹾 最 静 珏篓逛 崮 咖j 苷 斗 斌 糕 耧 辩 夥 鲻 邑鹜 静 凸 瘸 掣 逛 霰 醴 靶 露 撩 螺 蝼 一 一 匦 3 工稷磺士学位论文段修梳车柴油枫住能稔澌及诊断技术的研究 结合成回路时，当两结合点温腹不同时，就会在回路内产生热电流。其测 溢范围一2 0 e t 2 5 0 ，误差为1 5 ，渊量精度为：0 4 。 l 线性放大电路 一般运算放大器虽然输入级是采用差分放大电路，具有较高的输入阻 撼。但是，由于受湿度数影响悉弓l 起输入瞧压失调，有时失调电压往往超过 被放大的弱信号。因此，需要低漂移、商输入阻抗赢糙度运算放大器。髫煎， 冒外生产的i c l 7 6 5 0 登高精度自圄零、载波运算放大器是专门为直流小信号 放大恧设计的，比较适合漫度测量电路。其原理是将被离量的信号用载波原 理。 2 a d 转换毫路 本部分电路中采用的a d 转换芯慧必5 g 7 1 3 5 大蠼模集成电鼹是采耀 c m 0 3 工艺稍作的荦片9 2 位a d 转换稀。 5 g 7 1 3 5 集成瞧黪王 搴过程分为翻个节段。首先是积分器舀动调零。这个 过程结束后，积分电容对被测量电压进行正向积分，积分时间嫂定1 0 0 0 个 嚣于钟周期。而后通过内部控制开关转换。祀与测匿的电压反极性蒺准电压送 入积分电容进幸亍反向积分。反向积分开始的同时，数字部分计数据从零开始 计数。当积分电容上电压回到零时，关断计数器。由于反积分回零时间正比 于输入电压幅度。计数器内部同样也正院于输入电箍幅度。只簧选定一个准 确的基准电压，就能 ! 导到a d 转换结果。读数与输入电压v ；。关系式夯： 读数一1 0 0 0 ( v i 。v r ) ，其中v r 为基准电压，通常选定为1 伏。 扶以上分析可知5 g 7 1 3 5 集成电路完成一次a d 转换，要经过正反两次 积分。通霪我们拣这葶申a d 转换形式为双积分式。因此这类a d 转换时阙 较慢，通常选定为3 秒1 4 “。 3 1 3 。2 压力参数的测量系统 压力的测量采用压力变送器及差压变送器。它的糙度稠稳定性态，体积 小，重量轻，其有不锈铜矫壳，坚阐可靠。其核心是高性能的隔离式传感器 缀l 牛，该组转翡敏感元转是利蹋擎晶醚静难隧效应，在擎晶硅上扩散一个惠 斯登电桥，然后利用先避的模片和充硅浊隅离技术封装藤成。被测介质愿力 通避隔离模片及密封硅油传递到硅晶片上，参考端的压力( 大气压、真空或 工稷硕学位论文 段修梳车桨油裙性能稳溯及诊断技术的研究 密封盛) 作用于硅晶片的另一侧。两边的压差使硅晶片的一侧受压缩，一侧 受拉停，由于压阻效应，蹬伞桥臂电阻静溢值发生交仡，电桥失衡，敏感元 件输出一个对应压力变化的电信号。输出的电信号经过差分放大，电压电流 转捺，变换成相应的电流信号，通过放大和非线性矫正环路的补偿，以及精 密的二次遗度卦媸，产生与输入压力残线性关系的二线索标准信号。再经j 童 电流电压转换，变成1 5 v 的电压信号送入a d 转换通道1 42 1 。 3 1 3 3 柴油机转速测量系统 柴油机转速是锈量柴油机工作特性的一项非紫霆要的参数指标，是判 断其技术状态的基准，柴油机转速的测量及测量精度直接影响内燃机车的检 修质量和检修效率。即柴油枫经济性、动力性优劣，戳及燕负荷大小、增压 器的状态，都是在一定转速下检测、计算褥到的实际参数，与在阚一转速下 酌标准参数裙跑较进行得出韵，问一参数在不问的转速下将有较大的区别。 因此，要进褥准确的诊凝，必须对柴油概转速进行精确的测譬，使其误差保 持在允许的范国内，并且要保证检测过程简便、快速。 有一种测速方法是利用光电转速测试仅宜接测量柒油机输出转速，该测 速方法测量误差主要由甄方露因素所决定：其一是贴予被测物上定向发射纸 的数量；其二是输出电压脉冲换算成柴油机转速引起的误差。一般情况下， 这种溺速方法霹以满足柴油梳检修要求( 东风4 黧内燃机车永阻试验大纲要 求测速误差为1 0 r m i n ) ，但测试成本毫，安装调整费王费时。 这疆采厢磁电感应式测速传感器为测速元件。 测速传感器与测功器主轴上的6 0 齿溯速齿盘一起完成转速测羹彳芏务， 安装时必须保证传感器与蝮盘之闻的阅隙在o ，5 1 0 m m 之闽。出于测遴齿 盘切割测速传懑器中韵磁力线，使线豳中有一感应信号，输出信号的频率： f = 6 0 n 6 0 ，式中f 单位为h z ，n 单位为r r a i n ，传感器的输出信号经过放大、 整形后，送8 2 5 3 进行计数，通过软件对计数结果进行读取积计算实现柴油 杌转速的测量，然后交由上往机进行处理。磁电式转速传感器原理如圈3 。3 所表f 4 3 , 4 4 , 4 5 。 工程硕士学位论文段修枕车柴 橇性能检测及诊断技术的研究 圈3 3 磁电转速传感器 3 。1 。3 。4 增压转速的测量系统 永久磁铁 增压器是内燃机车柴油虮燃气系统斡重要器件，对柴油桃熬性能有很大 影晌，它是向气缸提供空气压力，保证燃烧和功率发挥的关键，其转速惠达 2 3 0 0 0 2 5 0 0 0 r m i n ，翔果增箍器性雒不佳，将使柴油机的经济性和动力性下 降，影响运输生产安全和效益，所以要保证增压器在良好的状态下工作。增 压器转速是反应其工作状态的重要指标，国外机车诊断系统大都采用增压器 转速寒判断其技术状态，它泷用压跣、流量、效率等参数进行诊断更窟接、 更简便、快速。 测量增压器转速的传统方法是在压气机迸口导流罩上安装磁电式传感 器，通过压气枧固定螺帽上躲韪肋，在传落器中慧瘟潞频率与增蘧器转速成 正比的交流信号，对该信号经过放大、攫形履，艘得到与转速成正比的脉、辟 信号，其对应关系建：增压器转予每旋转一周，传感器输出两个脉冲信号。 该脓冲信号经二次仪表计数和处理即掰得到相瘫熊增笨器转速。这种渊羹方 法具有精确、直观的特点。但必须对增压器导流罩进行改造，使英躯够安装 转速传港器，衙整每次溯量时赫须安装和拆卸传戆器，由于操作空间和工僚 环境的艰制，传感器的拆装工作 常艰匿，并显由予转速倦号的大，j 、与传感 器和紧阐螺帽凸肋的距离密切相关，距离太大将导致信号减弱，甚至瀵失。 妻蟊累距离太小，出于梳车的振动又徽容荔造成传感器损坏。这种测量方法在 实际使用中，商一定的难度。 为了解决增压器转速的测豢问题，铁道科学研究院机辆所研制成功了一 秽利用振动频率测量转速静新仪器，它剩用磁暖式压电加速度传感器吸附子 1 6 工程硬士学位论文段修桃车柴油梳性能检溺及诊断技术的研究 增嚣器外壳上，检测增篷器工作时叶片产生韵振动信号，该时域振动信号经 过f f t 变换后，褥出频域特性，在频域内找出最大振动幅值对应的频率，该 频率与增盛嚣转速和压气机的叶片数有关，通过计算机分板即可壬导出增压器 转遴。该仪器具有测量快速、灵活韵特点，测量精度也能满足要求，是目前 比较理想的增压器转速测量方法。 该仪器的主要技术指标如下： 测量转速范围：6 0 0 0 2 5 0 0 0 r m i n ；测量精度；1 0 0 r m ir l ；使用范 围：任意大功率柴油机增压器( 压气机叶片数l o 3 0 只均可) ；输出方式： 数码管四位半数显。 为了便予糁增压嚣转速傧号输入微枧检测系统进行运算帮处理，将 j s c 一5 1 0 澜蓬仅输出的o 5 v 的模拟信号送入a o 转换通道进行模数转换， 然层进行数据处理。 为使检测系统供电统一化，增压器转逮测量仪采用1 2 v 妻流蕾电池供电。 3 。1 。3 。5 柴油机功率的测量系统 系统在测量柴油枫输蹬功率的时候采翔先铡输癌扭矩，然精间转速相乘 的方法。计算出功率值。 测力元件为高精度拉压力传感器。 将力传感器安装在测秘器熊连杆上，这样测劝器在工作时产生剃动力p 加在力传感器两端，使之由力转变成电信号。对力健感器的拱横电压，必缓 要求稳定，为诧选角了1 2 v 电压，再用2 d w 2 3 3 作基准源，经过双运放进彳子 比较，传感器鼹端魄压为裹耱度6 v 电源，在一般力传感器爱敏度为2 m v v 时，力传感器最大输出幅度为2 4 m y 左右，通过o p 0 7 离髓度运放对传感器的 输如傣号放大衙，送入7 1 3 5 进行a d 转换，并由单片机计算出相应的扭矩 诅，最聪健至上使枞进彳亍处理【4 6 49 1 。 3 。1 。3 8 柴油枧油耗的测量系统 油耗是反映柴油梳经济性的重要指标。柴油机燃油消耗率测量属于质量 流量( k g h ) 的测量。为确 l 质嚣要的测量糖度，遥常的方法是采用测量 工理硬学位论文段修桃擎柴油梳性能检测及诊断技术的研究 段楣当长时瀚肉消耗燃滴的重量或体积经计算求出油耗率。这种测量方法是 间歇的，每测量一次嚣经魇充浊定时秣重两个阶段，因诧每取得一个测量 数据需要较长的时间，且读数是间歇的。另夕 测量的重复性缀难保证。本系 统中我们借鉴一种叫做失重法瞬态油耗测量的方法1 5 “。 1 密越健池罐2 。重量传感嚣3 ，信号处