（机械设计及理论专业论文）基于振动分析提取多缸柴油机故障特征的研究.pdf

摘要柴油机作为机械设备领域中重要的一部分，由于其用途的广泛性与特殊性，使得故障诊断的研究更有重要意义。近年来，柴油机故障诊断技术在国p 勺# l - 得到了很大的发展，这不仅提高了柴油机的工作性能，也减少了巨大的经济损失。本文结合实际课题的要求，对柴油机不解体的情况下，通过测量其表面的振动信号，从中提取能够表征故障的特征参数，有效地实现了柴油机的故障诊断。从柴油机表面振动信号的产生机理出发，论述了柴油机的主要激励源、表面振动信号及它们之间的内在关系，分析了表面振动信号的传递路径。为实验数据采集中振动测点的选取奠定了基础。研究表明，柴油机表面振动信号含有大量的有效信息，利用其表面振动信号对柴油机进行不解体故障诊断是行之有效的。在柴油机表面测取振动加速度信号以及上止点信号，在实验过程中人为地设置单一故障以及多种混合故障。为了从整体上明确柴油机的工作状况，提出了振动烈度的频域估计方法。对单一故障，采用功率谱能量分布法以及l a p l a c e 基波相关性分析提取表征单一故障的特征参数，并对这两种方法进行了分析比较。对多故障的综合诊断，为克服上止点测量的不准确性等因素，提出基于复信号的高斯基波相关滤波法提取燃烧冲击响应特征参数，并根据燃烧冲击响应的模式匹配算法准确定位上止点，实现以上止点为标准参考信号对故障部位准确定位。对多种混合故障的特征参数提取，采用了冲击分析的统一算法，即空间分离、时间分离( 相位分离) 、波形特征分离相结合的方法，并利用信号的最优化匹配追踪分解算法提取特征参数，实现对多种故障的综合诊断。通过大量的实测信号对上述方法进行了验证，结果表明，所用方法对复杂故障的诊断识别实用、可靠且准确。关键词：柴油机，振动信号，故障诊断，振动烈度，l a p l a c e 小波，匹配追踪分解a b s 仃a c td i e s e le n g i n e sp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nt h em a c h i n ed e v i c e s i ti sm o m e m o u ss i g n i f i c a t i o nt od i a g n o s ef a u l t sb e c a u s eo ft h ew i d e l ya n ds p e c i a lu s eo fd i e s e le n g i n e s i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n i q u eo fd i e s e le n g i n e s f a u l td i a g n o s i s ，w h i c hc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n e sa n dr e d u c et h ee c o n o m i cl o s s ，i sq u i c k l yd e v e l o p e di nd o m e s t i ca n do v e r s e a i nt h i sp a p e r , i no r d e rt os o l v ep r a c t i c ep r o b l e m s ，a l lt h ev i b r a t i o ns i g n a l sa r ec o l l e c t e di nt h es u r f a c eo fu n d i s a s s e m b l yd i e s e le n g i n e 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 sa r ee x t r a c t e df r o mv i b r a t i o ns i g n a l s ，a n dt h em e t h o di se f f e c t i v et ot h ef a u l td i a g n o s i so fd i e s e le n g i n e s f r o mt h es t a r t i n gp o i n to fv i b r a t i o ns i g n a l sf o r m e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a t i o ns o u r c e s ，t h e i rr e s p o n s ea n dr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e ma r ed i s c u s s e d , a n dt h er a d i a t er o u t e so fv i b r a t i o ns i g n a l sa r ea n a l y z e d i te s t a b l i s h e sf o u n d a t i o no fp o s i t i o n ss e l e c t i o nc o n c e r n i n gv i b r a t i o ns i g n a l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c ev i b r a t i o ns i g n a l sc o m a i nag r e a td e a lo fv a l i di n f o r m a t i o na n dt h a ti ti se f f e c t i v ea n df e a s i b l et od i a g n o s i sf a u l tb ym e a n so fs u r f a c ev i b r a t i o ns i g n a l so fu n - d i s a s s e m b l yd i e s e le n g i n e s t h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l sa n dt d c ( t o pd e a dc e n t e r ) s i g n a la r em e a s u r e da tt h es a m et i m eo nt h es u r f a c eo fd i e s e le n g i n e s d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，s i n g l ea n dm u l t i p l ef a u l t sa r es e p a r a t e l yd e s i g n e dp u r p o s e l y i no r d e rt oj u d g et h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ew h o l ed i e s e le n g i n e ，t h ev i b r a t i o ns e v e r i t yb a s e do nf r e q u e n c yd o m a i ni sb r o u g h tf o r w a r d a sf 缸a ss i n g l ef a u l ti sc o n c e r n e d ，t h ed i s t r i b u t i o n so fp o w e rs p e c t r a le n e r g ya n dt h el a p l a c ew a v e l e tc o r r e l a t i o nf i l t e r i n ga r ea d o p t e dt oe x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，a n dt h e ns o m ec o m p a r i s o n sa r em a d eb e t w e e nt h et w om e t h o d s t d cs i g n a li su s e df o rs t a n d a r dr e f e r e n c es i g n a lt oo b t a i nt h er i g h tp o s i t i o no fd i f f e r e n tf a u l t sd u r i n gm u l t i f a u l t sd i a g n o s i s ，i no r d e rt oc o n q u e rm e a s u r e m e n te r r o ro ft h et d cs i g n a l ，t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fc o m b u s t i o ni m p a c tr e s p o n s ea r ee x t r a c t e df r o mc o m p l e xs i g n a l sb a s e do ng a u s sw a v e l e tc o r r e l a t i o nf i l t e r i n g ，a n dt h ef i g h tt d cs i g n a li so b t a i n e da c c o r d i n gt om o d em a t c h i n ga r i t h m e t i co ft h ec o m b u s t i o ni m p a c tr e s p o n s e 一-w h e ni tc o m e st op a r a m e t e r se x t r a c t i o no fm t l t if a u l t ，u n i f o r ma r i t h m e t i co fi m p a c ta n a l y s i si sa d o p t e dt oe x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fm u l t i p l ef a u l t s t h eb a s i ct h o u g h t sa g et oa s s o c i a t et h em e t h o d so fs p a c e s e p a r a t i o n ，t i m e - s e p a r a t i o nq h a s e - s e p a r a t i o n ) a n dw a v e f o r mc h a r a c t e r i s t i cs e p a r a t i o n a n do p t i m i z a t i o nm a t c h i n gp u r s u i ts i g n a ld e c o m p o s i t i o na r i t h m e t i ci su s e dt oe x t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s a l lt h ec o n c e r n e dm e t h o d sa r et e s t i f i e db yl a r g ea m o u n t so fs i g n a l sa g a i na n da g a i n i ts h o w st h a ta l lm e t h o d sa r ep r o v e dt ob ef e a s i b l e ，r e l i a b l ea n dc o r r e c t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，v i b r a t i o ns i g n a l s ，f a u l td i a g n o s i s ，v i b r a t i o ns e v e r i t y ,l a p l a c ew a v e l e t ，m a t c h i n gp u r s u i td e c o m p o s i t i o n 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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些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了谢意。学位论文作者签名：专骼签字日期：刁) 年) ，月刁臼。，学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞鎏三些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：占辱受务瓤叮妒导师签名：伽氧|签字p 期：可年了月可日j学位论文的主要创新点一、提出振动烈度的频域估计方法，建立振动烈度频域估计的基本表达式，对方法进行数值验证；二、提出基于复信号的高斯基波相关滤波法提取燃烧冲击响应特征参数，据燃烧冲击响应的特征模式匹配算法准确定位上止点；三、对多种混合故障的特征参数提取，采用空间分离、时间分离( 相位分离) 、波形特征分离相结合的方法，以及信号的最优化匹配追踪分解算法提取特征参数，实现对柴油机多种故障的诊断。第一章绪论1 1 课题背景及研究意义第一章绪论发动机是工农业生产中的主要动力机械之一，是汽车机械动力系统的“心脏，其运行状态的优劣，直接影响到整个机组的工作状态。随着现代科学技术的迅速发展，机械设备日益朝着大型化、复杂化、高速化、重载化、连续化、综合化等高度自动化的方向发展，造成机械设备日益复杂，零件数目显著增加，零、部件之间的联系更加紧密。一旦某一部分发生故障，往往会引起整台设备的瘫痪，造成巨大的经济损失和人员伤亡事故。随着现代科学技术的发展以及自动化程度的提高，发动机状态监测和故障诊断技术已从最初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及就车检测，即发动机在车上工作位置不拆解、发动机本身不分解情况下的检测。其目的在于：提高检测效率，因而提高维护效率、维修效率；进行可靠的性能评价；指导维修、降低维修成本；提高车辆、设备野外保障能力和水平。在发动机不解体的情况下，若能及时准确地对其当前的技术状况做出判断，判明故障部位，指出故障原因和排除方法，这无疑将提高汽车使用的可靠性和安全性，同时也能减少修理工作的盲目性，提高修理质量、缩短维修时间、降低维修费用。对于柴油机故障诊断技术的研究，无论从柴油机本身还是整车来说，其重大意义大体上可分为以下几个方面h 2 3 1 ：第一，提高经济效益和社会效益，这是市场经济环境下生产者追求的根本目标。故障诊断与预知维修技术研究的目的就是更准确、更及时地发现故障，使零部件的寿命得到充分的应用，延长检测周期，提高维修的精度和速度，降低维修费用，获得最佳经济效益。第二，推动机械设备维修制度的变革。预知维修方式是一种动态维修制度，也称为视情维修，是种较为理想的维修模式，是维修制度变革的目标。不过真正意义上的预知维修应该建立在设备故障诊断技术成熟和比较完备的基础上，即在不拆卸、不破毁设备的条件下，能对设备的工作性能、状态变化以及故障趋势进行定量的描述与掌握，并且能正确地预测机械设备的寿命和可靠性，同时能够制订出对其修复的方法和计划。因此，设备故障诊断技术的发展状况天津工业大学硕士学位论文决定着预知维修实现程度，它的研究、推广和应用，改变了机械设备原有的维修制度，也是生产者提高设备综合管理水平的标志之一。第三，预防机械设备运行事故，保证参与者的生命安全及设备的安全运行，延长机械设备使用寿命。防患于未然是生产者安全生产的根本保证。柴油机作为典型的动力设备一旦发生故障不但会造成巨大的经济损失，而且会带来严重的社会公害的人员伤亡。为了避免恶性事故的发生，对之进行有效的故障诊断是十分必要的。1 2 柴油机故障诊断技术的国内外研究现状柴油机作为机械设备故障诊断技术的一个重要研究对象，已经得到国内外研究界的广泛关注。其研究水平和成果可以从侧面反映机械设备行业故障诊断技术的水平。由于发动机在运行时产生的振动、冲击和噪声含有丰富的故障信息，是获取诊断信息的重要来源，它能实时地反映发动机的工作状态h 1 。因此，根据发动机振动信号监测其机械状态并诊断故障，是行之有效的手段之一陆6 1 。1 2 1 总体概括最早开展故障诊断技术的是美国，美国在1 9 6 1 年就成立了国家机械故障诊断研究所。目前，美国的故障诊断技术在航空航天、军事、核能等尖端工业方面得到了广泛的应用，并处于世界领先地位。早在2 0 世纪8 0 年代中期，美国就已研制出机车、船舶柴油机故障诊断专家系统口1 。近年来，w a v e b o o k 公司开发了一套适于内燃机振动和噪声信号分析的软件包，正推广应用到全世界内燃机研制和开发较强的知名企业。在我国，到了8 0 年代初才开始对内燃机故障诊断做探索性研究，柴油机故障诊断的研究略滞后于其他机械设备，并且仍然是目前故障诊断的难点。到目前，对柴油机故障诊断方法的研究是如火如荼地进行着，众多研究工作者都在努力探索着满足柴油机自身特性的实用性方法。1 2 2 方法研究现状综合国内外的研究现状，柴油机的状态监测和故障诊断的方法主要有以下几种：性能参数法、振动分析法、噪声分析法、瞬时转速法、金属介质法、信息融合法等分析方法。2第一章绪论1 2 2 1 性能参数法在柴油机产品投入市场之前该设备的一些技术性能参数经过了测试，并形成了一系列技术参数指标，这些指标一般包括：额定工作压力、功率、油压、扭矩、尾气指标等。由于性能参数的变化直接反映柴油机工作状态的变化呻1 。故可根据实际测定参数值和标准值的差异判定故障或工作状态。1 2 2 2 振动信号分析法在不解体的情况下对柴油机进行状态监测和故障诊断是到目前为止研究最多的。由于柴油机在工作时产生振动是难免的，内部工作零部件的性能状态信息通过一定的传递路径反映到其表面的振动信号中。依据振动传递路径以及振动信号的特征，对柴油机进行状态监测和故障诊断到目前已经取得很好的效果。本文即是基于振动信号对柴油机故障特征信息进行提取。1 2 2 3 噪声分析法柴油机的噪声来源于设备内部各类机械振动，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，这些振动最终通过一定途径反映到机体外的声辐射中，因此通过测量外部噪声信号，可判定零部件的工作状态。但是噪声测量受环境因素影响较大，实际应用中大部分局限于柴油机整体噪声的测量，因此噪声分析法与振动信号分析方法相比，其研究深度还具有一定的差距，应用受到一定限制。1 2 2 4 瞬时转速分析法对于多缸柴油机来说，曲轴瞬时转速波动能反映出各缸密封性能和工作状态的差异。因此通过对瞬时转速波动的测量分析可以获得柴油机运行状态的丰富信息。正常工况下，各缸的性能和状态基本一致，柴油机运转平稳，各缸相应的瞬时转速波动虽有差异，但在一个许可的范围内，呈现规律性波动。当某个缸工作状态异常时，均匀性将遭到破坏，柴油机运转平稳性变差，转速信号波形会产生畸变，由此可以判断各缸工作状态的差异。例如气缸的密封性、各缸的燃烧差异性等。瞬时转速测量方法比较简单，便于应用，但是这种方法也存在只能确定工作状态异常的缸位，不能确定产生故障的原因国一们。1 2 2 5 金属介质法柴油机的运动件含有多种材料的摩擦副，在运动的过程中这些摩擦副会产生一定的磨损，磨损掉的金属微粒进入润滑液中，因此通过定期对润滑液中金属微粒的成分及含量进行测量，就可以对集体内部磨损程度和磨损部位做出判3天津工业大学硕士学位论文定h 。铁谱和光谱分析是两种常用并且行之有效的方法。1 2 2 6 信息融合分析法柴油机在工作过程中，引起其某一性能参数变化的因素可能很多，故通过单一性能参数或某一特征参数的变化，有时无法给出造成故障的部位、不能定量的说明故障程度。因此，在实际诊断过程中，只有从多方面获得关于诊断对象的多维信息，才能对其进行更可靠、更准确的故障诊断。信息融合技术是柴油机多故障诊断的必经之路，也是在线监测研究的重点。王江萍等应用多传感器信息融合技术从柴油机燃油系统的振动信号和压力波形中提取出各种特征信息，然后利用d s 证据理论的决策层信息融合进行柴油机状态监测与故障诊断n 引，接着又提出了基于神经网络的信息融合技术n 引。结果表明，该方法可有效地提高柴油机故障诊断的准确性和可靠性。除上述理论方法之外，还有很多可用于柴油机故障诊断的理论和方法n 乱1 副。如灰色系统理论及其方法、专家系统、模糊理论以及其它方法等等。这些方法虽然在其它机械中得以充分利用，不过对柴油机故障诊断还不成熟，还有待于深入的研究。1 3 柴油机故障诊断特征提取振动分析方法研究现状近几年，通过振动信号提取柴油机故障特征的研究已取得较大进展，该方面研究的重点是通过缸盖或缸体表面振动信号，提取燃烧激振力、气门落座等响应的特征信息，进而实现对柴油机工作过程故障进行诊断。由于振动信号包含丰富的信息，信号易于测量并且测量过程不会影响柴油机运转，因此可采用振动信号作为柴油机故障诊断的依据之一。但振动信号是非平稳时变信号，其分析直接影响故障诊断结果的准确性，因此振动信号分析方法的选择变得尤为重要。目前振动信号分析方法一般包括时域分析法、频域分析法、时频分析法、时序分析法、非线性动力学分析法等。1 3 1 时域分析由于柴油机中各执行机构工作先后有序，且具有一定的周期性，故表面振动信号具有一定的时域特性，结合其工作原理，从时域波形上可以对设备运行状态做出粗略的判断，这也是利用振动信号对柴油机进行状态监测与故障诊断的早期方法。为了提高诊断的可靠性，应尽可能多的提取反映振动大小的参数。时域特征参数主要有峰值、均值、均方根值、方差、标准差、三阶距、四阶距、4第一章绪论波形因子、脉冲因子、裕度因子等。这些特征参数由于测量比较直接，可以用于在线监测。1 3 2 频域分析频域分析主要是通过某种变换，将振动信号从时域变换到频域，进行频域特征提取，然后根据频率分布的特征和变化趋势来判定故障类型和故障程度。它是目前信号分析中较常见的一种方法，这种方法在特定条件下或对某一类故障有一定的效果，但是不适用于整体性能的判断。频域分析处理方法有古典谱估计法和现代谱估计法。古典谱法基于快速算法，包括周期图法、相关分析、相干分析、自谱、互谱、细化谱、倒频谱、传递函数、谱趋势分析等等。现代谱法包括最大熵谱估计、时序分析以及最小方差法等。1 ，3 3 时频分析法时频分析方法是柴油机故障诊断中较为常见的一种方法，其中小波及小波包分析是目前研究较多的方法。一方面它作为一种通用方法实现了对实测信号的降噪处理n 氐”1 ，另方面它作为独立的方法对柴油机进行故障诊断。何正嘉教授等利用基因小波中有效的提取到了气阀漏气的信息n 引，刘世元等利用小波包对柴油机缸盖振动信号循环特性的分析，并且对气门故障进行了诊断n 们，陈长征等利用小波神经网络对柴油机故障诊断进行了研究啪1 。1 3 4 小波分析方法小波分析方法是一种多分辨的时频分析方法，具有多分辨率的时频局部化、快速线性多通道带通滤波等优点，为非平稳信号的分析提供了一个有价值的工具。在实际工程应用中，常使用简单的二进制小波变换或小波包变换。在发动机故障诊断与状态监测领域，小波变换分析的应用分为特征提取和去噪。1 。3 5 时间序列分析时间序列分析是从先后有序的数据中提取有用信息的一种分析方法。最具特色的一点就是通过少量数据可以建立起系统的数学模型，并且可用此模型对系统状态进行预测。不过时间序列分析的理论基础是序列的平稳性，这对用于柴油机故障诊断受到了一定限制。5天津工业大学硕士学位论文1 4 本文的主要研究内容本文主要研究的是在发动机不解体的情况下，利用其表面的振动信号对其进行状态监测和故障诊断，故障特征参数的提取是本论文的主要研究内容。作为后续分析的准备知识，对柴油机振动激励源以及振动传递路径的分析作了简略介绍，其内容参考文献口1 1 。本文主要进行了以下几方面的研究工作：1 、对柴油机结构振动激励源及振动传递路径进行了简单论述，据此提出了柴油机表面振动信号获取过程中的传感器、测试仪及振动测点位置等的选取问题，以及对柴油机的几种常见故障、表面振动信号的性质的描述。2 、为从整体上评价柴油机整机的运行状态，提出了振动烈度的频域估计方法。本文实验中所测取的是机体振动加速度信号，必须有效地由振动加速度序列估计速度有效值。由于存在传感器的非线性特性、测量噪声、冲击干扰等因素的影响，给问题的解决带来了困难，为此提出了由频域估计振动速度有效值的方法，建立振动烈度频域估计的基本表达式，并对基本公式进行了数值验证，阐明了该算法的m a t l a b 程序实现过程中的算法设计，最后对该方法进行了验证。3 、对柴油机单一故障的特征参数提取进行了分析，首先提出基于功率谱能量分布法检测缸盖振动信号中的异常冲击问题，分别从时域、频域方面对冲击进行分析，发现能量分布具有聚类性，利用统计分类的f i s h e r 判别法可以通过频带范围对故障进行分类。提出了由l a p l a c e 基波相关性分析提取冲击特征参数的方法，该方法能够准确识别冲击开始时刻和特征参数，可以从冲击时间和频率对单一故障进行准确定位。4 、对柴油机的多故障综合诊断，提取故障特征参数是以上止点为基准的，必须保证上止点位置的准确性才能对故障准确定位，采用机械的方法对上止点进行贴片，由于上止点贴片和光电传感器都很难准确定位，既费时又容易造成缸错位。为此提出了一种有效、准确定位上止点的方法，即用燃烧冲击相关系数法定位上止点，由所有有效测点的信息，通过特征模式的匹配得到准确的上止点位置。5 、多种故障同时出现时，为了提取表征不同故障的特征参数，采用了空间分离、时间分离( 相位分离) 、波形特征分离相结合的方法，并且采用信号的最优化匹配追踪分解算法提取特征参数，实现对多种故障的诊断。最终通过统一程序来实现对不同故障特征参数的有效提取。6第二章柴油机结构振动激励源及其振动传递路径分析第二章柴油机结构振动激励源及其振动传递路径分析2 1 引言内燃机的结构振动主要是指具有弹性的内燃机结构部件，如活塞、连杆、曲轴、机体等，在燃烧气体力和惯性力作用下所激起的多种形式的弹性振动昭别。由于内燃机结构复杂，零件众多，多数零件又是用螺栓刚性的连接在一起的，它们受到冲击载荷激振时，都以各自的固有频率和振型或者独立或者相互影响地进行复杂的瞬态振动，再沿多种途径传递到内燃机表面。这些传递路径有：( 1 ) 燃烧所引起的气体力，使缸盖产生振动，进而传播到气缸盖罩和进、排气歧管等零件；( 2 ) 作用在活塞上的燃烧气体力和惯性力使活塞产生垂向振动，并沿连杆、曲轴、主轴承、曲轴箱、油底壳等零件传播；( 3 ) 与此同时这些作用力又引起活塞横向敲击，激发起缸套和气缸体的振动，进而导致推杆室盖、正时齿轮室盖、机油冷却器体等零件的振动。所有这些振动的最终的、最有影响的后果就是，引起内燃机表面的高频振动。按照激振力和传播途径的不同，内燃机的结构振动分为两大类。一类主要是由于燃烧气体力引起的，主要通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传到机体的振动，称为燃烧( 单向力) 激振。另一类是指由于气体力和往复惯性力的作用，活塞侧压力变换方向时引起活塞敲击缸套，激起缸套和气缸体的振动，称为活塞敲击( 交变力) 激振。2 2 直列六缸柴油机的动力学特性分析柴油机一般都包含有活塞、连杆、曲轴等组成的曲柄活塞机构。在工作的过程中由于磨损、腐蚀等作用，柴油机内部运动部件之间的间隙会随之增大，固定件装配配合状况发生变化，从而使其工作性能发生变化，进而影响柴油机表面振动响应，即振动幅值和振动信号的性质发生变化口引。欲通过振动信号对柴油机工作状况做出准确的判断，关键在于建立激振源、传递路径与振动响应之间的相互关系，建立三者之间关系的基础是激励产生条件及影响因素2 4 1 。7天津工业大学硕士学位论文2 2 1 活塞组件动力学分析心妇活塞组件是曲柄连杆机构中做纯粹往复直线运动零件的总称。活塞组件包括活塞、活塞环、活塞销以及它们的紧固原件等。活塞组件的质量等于上述各零件实际质量的总和，在对其进行动力学分析是可以近似认为该质量集中在活塞销中心处。曲柄连杆机构的受力分析如图2 - i 所示：2 2 1 1 活塞上的气体压力e( c )图2 - i 曲柄连杆机构受力分析只( d )柴油机工作时，气缸内燃油燃烧产生的高温高压气体作用于活塞顶部，这是活塞工作时受到的主要作用力，设气缸内气体的压力为弓，同时活塞还受到来自曲轴箱内气体的压力，设为昂( 近似为一个大气压力) ，那么作用在活塞上的总的气体力为：以：孚( 乞吲以2 下啪一)( 2 - 1 )柴油机工作时，乞远远大于晶，因此一般忽略昂的影响。一个工作循环中缸内气体压力是变化的，并且是曲轴转角夕的函数。8第二章柴油机结构振动激励源及其振动传递路径分析2 2 1 2 活塞往复惯性力柴油机工作时，活塞组件质量和连杆小端等效质量都沿气缸中心线做往复运动，因此，集中在活塞销中心的做往复直线运动的质量可以表示为：2 肌 + ( 2 - 2 )由活塞的运动方程嘶3 ，并考虑曲轴连杆的实际结构( a 的取值一般为l 5 l 3 ) ，可得活塞往复运动的加速度为：a = 砌2 ( c o s p + i c o s 2 , 8 )( 2 - 3 )活塞往复运动惯性力的大小为运动质量与加速度的乘积，而方向与加速度方向相反。因此活塞的往复惯性力e 为：c = 一肌g r o j 2 ( c o s p + 3 c o s 2 , 8 )( 2 - 4 )在以上的各式中，册。，r 和力都是常数，当机器稳定运行时，缈也可以视为一定值，故其往复惯性力的大小和方向都随曲轴转角做周期性的变化，此时= 研。另外，往复惯性力方向总与活塞加速度方向相反，为了使计算时避免弄混，现规定气体压力与往复惯性力指向曲轴中心是为正。如图2 - 1 ( a ) 所示。则活塞所受合力的表达式为：p = 名+ e2 2 2 活塞和曲柄的等效系统动力学分析瞳钔( 2 - 5 )在曲柄连杆机构中，曲柄不平衡质量和连杆大端质量都作用于曲柄销中心处，并随曲柄作回转运动，因此其回转总的不平衡质量忱为：曲柄连杆机构中，作用于曲柄中心的不平衡离心惯性力圪为：。只= 肌搿尺彩2( 2 - 6 )( 2 - 7 )当柴油机转速稳定时，式中豫，r 和彩都可以近似为定值。因此，离心惯9天津工业大学硕士学位论文性力的大小是不变的，而方向则始终沿着曲柄半径远离曲轴回转中心，并随曲轴一起不断回转。如图2 - 1 ( c ) 所示，作用于曲轴回转中心( 主轴颈) 的不平衡离心惯性力层为：斥= m , r c a 2( 2 - 8 )来自连杆的推力c 可分解为指向曲轴回转中心的径向力c 和推动曲轴旋转的切向力f 。因此曲柄销中心点b 处除了承受法向力c 和切向力f 外，还承受连杆大端质量产生的离心惯性力e ，如图2 一l ( c ) 所示，故曲柄销所受的作用合力五为；曲轴回转中心d 处除了承受由b 点平移到此处的法向力c 和切向力z ( 这两个力的合力为g ) # i - ，还承受连杆大端质量及曲轴不平衡质量的离心惯性力磊，如图2 - 1 ( d ) ，故曲轴主轴承所承受的合力c 的大小为：2 2 3 配气系统动力学分析典型的气门系统主要由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气门及气门弹簧组成，它是通过凸轮来控制气门的运动，进而达到进排气的要求。该系统的运动微分方程为：研窘+ q 嗉一争一c 2 警州m ( u - x - l m = 。( 2 - 1 1 )式( 2 - 1 1 ) 中，气门间隙；优机构换算到气门出的当量质量；x ( o 气门的位移( 开启方向为正) ；甜( ) 凸轮的升程函数，由凸轮形状及转速决定；毛气门弹簧的总刚度；g 外阻尼系数；毛传动系统( 包括挺柱、摇臂、推杆等) 的刚度；h 弹簧安装时预压量；1 0第二章柴油机结构振动激励源及其振动传递路径分析_ 体阻力。从式( 2 - 1 1 ) 可以看出，气门间隙的变化将引起气门运动参数的变化，即随着间隙的增大，气门开启时刻延后，落座时刻提前，气门落座速度增大，并导致气门落座冲击增强。据此，可以利用缸盖振动信号诊断气门间隙异常故障 2 7 】2 3 直列六缸柴油机振动激振源及其特性分析柴油机振动激励源多而复杂，且各激励源相互干扰，有时也会产生耦合。图2 - 2 为一个缸在一个工作循环过程中冲击示意图。| | | | | 一| | | |一dchj4j5ca( 11 3 8 0 5 c a5 4 0 c a7 = 2 d c 3 卯c a天津工业大学硕士学位论文排气门节流冲击响应为f 2 ：乞= 号茅等兰；排气门落座冲击响应为毛：岛= 百3 6 0 + y i 1 0 万0 0 ；进气门落座冲击响应为f 4 ：f 4 = 5 4 3 0 6 + o f l 丽1 0 0 i 0 。2 3 1 燃烧激振源b d c2 - 3四冲程柴油机的配气相位图进气持续燃烧产生的冲击能量大部分是通过内部传力零件：活塞一连杆一曲轴传到机体外表面并引发机体外表面的振动。燃烧激振力主要包含压缩和燃烧两部分：在不发生燃烧时，气缸内气体力主要是由气体压缩形成，这是气体力和往复惯性力的合力产生的周期性激励，在频谱上的表现为低频成分。当发生燃烧时，在上止点附近，由压缩和燃烧形成的缸内气体压力急剧升高，极大的压力升高率包含着激励的高频分量，能够激起固有频率较高的零部件振动。在柴油机运行过程中，燃烧发生的时间很短，燃烧激励的作用范围大约在上止点附近曲轴转角的区域。爆发阶段振动信号蕴含丰富的特征信息，是缸内燃烧过程的直接反映，在柴油机振动信号的分析中得到广泛的关注。2 3 2 活塞侧向敲击激振作用在活塞上、由气体力和往复惯性力产生的侧压力( f ) ，其数值随时间变化的速率较小。这种变化速率，不足以引起机体的明显振动。但在工作中n ( t )有规律地改变其作用方向，更由于活塞、缸套间存在间隙瓯，这就必然引起活塞由缸套一侧移向另一侧的横向运动，敲击缸套和气缸体，激发起内燃机另一种形式的结构振动。可见，活塞敲击振动的原始激振源是交变的侧压力，工作第二章柴油机结构振动激励源及其振动传递路径分析间隙的存在是形成敲缸的必要条件。从动力学角度看，除了( f ) 变换方向这个基本因素外，活塞的这种运动，还与活塞绕活塞销的转动、活塞和缸壁间的油膜状况、活塞和缸套的变形以及缸套振动状况等因素有关。这种敲击在一个工作循环中发生多次，其中以压缩燃烧上止点附近的敲击最为严重。研究表明，活塞敲击激振在一个工作循环中多次发生，其中以膨胀上止点附近的敲击最为严重，称为主撞击，因此对缸套活塞磨损故障诊断时，应选用该段振动响应信号进行分析啪1 。2 3 3 气门撞击激振力分析由气门工作过程可知，在发动机工作循环中，气门机构的顶杆在进、排气凸轮推动下，驱动摇臂使气门定时定量开启，换气完毕后再依靠气门弹簧的弹性恢复气门的关闭状态。气门机构运动形式不同，对缸盖、机体等产生的振动影响也不同。气门开启或关闭过于迅速，会使加速度过大，容易导致接触应力过大或气门飞脱昭9 弧3 ，也容易引起缸盖、机体的振动，因此，对缸盖振动信号进行分析可以判断出与气门机构相关的故障。据分析可知，随着气门间隙的增大，落座速度变大，缸盖振动急剧增加，并且增加的主要是高频成分。根据配气相位以及发动机的工作过程可知，在气门落座阶段的振动信号分析对于进排气系统的故障诊断十分重要。2 4 柴油机振动传递路径分析引起柴油机振动信号的主要激振力有燃烧气体力和机械力两大类，机械力曲柄连杆结构惯性力外，还包括活塞敲击气缸、曲轴敲击轴承、齿轮振动相互撞击等而产生的二次激振力。此外，气门、喷油泵、喷油器等对缸盖、机体结构也产生激振作用。这些激振力大都具有冲击的性质，包含有很宽的频率成分，其作用的相位、周期也不完全相同，这就更增加了内燃机结构振动研究的复杂程度。内燃机结构振动的传播途径如图2 4 所示。从图2 4 中可以看出，直接作用于机体上的激振力主要有活塞的敲击激振以及由往复惯性力和气体作用力共同作用传递到轴承上的轴承力；而直接作用于缸盖上的激振力主要有燃烧气体力和气门机构的作用力。同时由于缸盖和机体结构通过螺栓等刚性部件连接起来，因此，如果在传递过程中，信号的传递1 3天津工业大学硕士学位论文不受到材料的阻尼和刚度影响，则在缸盖或机体上测得的振动信号包含的信息量是相同的，但是由于信号传递过程的衰减性，可能导致在缸盖或机体上测得的信号只能反映出部分激振力信息。往复煎性杰燃烧氢体力2 5 本章小结结构振动图2 - 4 内燃机结构振动的传播途径示意图柴油机表面的振动信号包含着内部零件丰富的状态信息，因此可以利用柴油机表面振动信号对其进行状态监测和故障诊断。本章通过对柴油机振动理论基础进行分析，阐述了引起柴油机振动的主要激振源及其特性，同时分析了振动信号的传递路径，为下文信号采集过程中振动测点的选取指明了方向。1 4第三章柴油机表面振动信号获取及信号特性分析第三章柴油机表面振动信号获取及信号特性分析3 1 引言利用振动信号提取表征柴油机故障特征的信息，提取典型的振动信号是首当其冲的问题。在第二章中通过详细的分析柴油机的振动激励源及其传递路径，为振动测点的选取奠定了理论基础。本章首先介绍了车用柴油机振动信号的采集以及振动测点的选取，对实验对象一柴油机的特征参数作了简要的描述，在信号采集过程中传感器、测试分析仪以及采样频率的选取作了详细的说明。之后对柴油机常见的故障以及产生故障的原因进行了分析，提出了基于振动分析方法能有效地提取像活塞侧向敲击、燃烧冲击以及进排气门落座冲击等类型的故障。3 2 柴油机表面振动信号的采集柴油机表面振动信号的试验测试系统组成如图3 - 1 所示，主要由柴油机、传感器、信号采集仪以及计算机等组成。图3 - 1 柴油机振动信号采集系统组成图1 5天津工业大学硕士学位论文3 2 1 实验对象文章所涉及的振动信号均取自w d 6 1 5 型柴油发动机，该型号柴油机的结构参数阳2 1 如表3 - 1 所示。表3 - 1w d 6 1 5 型柴油机的结构参数柴油机型号w d 6 1 5 6 7气缸数6工作方式直列水冷直接喷射式缸径行程( m 脚)1 2 6 x 1 3 0排量( l )9 7 6 2工作顺序1 5 3 6 2 4配气相位进气门开( 上止点前。)2进气门关( 下止点后。)3 5排气门开( 下止点前。)4 9排气门关( 下止点后。)5进排气门间隙( 肌肌)0 3 0 4压缩比1 6 ：l3 2 2 传感器及测试仪的选取在信号的采集过程中，获得了柴油机表面振动信号以及上止点信号，采用了p c b3 5 2 c 6 8 型单向i c p 压电加速度传感器，采用磁座式安装方式，将柴油机表面振动信号转换成电压信号传输到信号采集仪中。用反光片和光电传感器获取上止点信号作为基准信号，发动机的每个工作循环其曲轴转2 转，发出2 个脉冲信号，在传感器的安装过程中，通过机械方法确定了上止点位置，之后将传感器安装在上止点位置处，因此，同步信号出现时刻即是上止点位置，可以据此准确的划分发动机的工作循环。信号采集仪是l d s 测试测量有限公司供应的f o c u si i8 通道的高速数据采集及实时信号分析仪，信号采集软件为r tp r of o c u s6 0 1 。1 6第三章柴油机表面振动信号获取及信号特性分析3 2 3 测点位置的选择根据柴油机振动激励源的传递路径，对振动测点的选取具有指导意义。一般情况下，振动测点的选择必须遵循以下两个原则1 ：( 1 ) 测点要能充分反映被测对象的工作信息，应具有信号稳定、信噪比高、对故障敏感等特点。( 2 ) 测点的选择必须便于安装和测试，尽可能不影响机器的运行状态，在生产实际中切实可行。本文主要是在发动机不解体的情况下对其进行状态检测及其故障诊断，因此，振动测点的选取必须要符合这一要求。在实验中，振动测点的选择比较困难，由于柴油机的振动激励源多，传递路径复杂等特点，系统的故障既有“纵向性 又有“横向性，测点的选取位置不同，很有可能得到不同的结果。在第二章中，已对柴油机振动激振源及其传递路径作了详细的说明。可知，燃烧激振的主要传递途径是通过活塞、连杆、曲轴、主轴承传到机体上，然而这种传播途径使响应信号大大降低，因此测点一般不选在这条传递路径上；另外燃烧引起的气体力会直接作用于缸盖，使缸盖产生振动响应，同时进、排气门落座冲击也直接作用在缸盖系统上，因此把测点选在接近燃烧室的缸盖上较为理想；再者气体力作用于缸套，再传于缸体，故该传递路径上也可以设置测点：而活塞敲击激振直接作用于缸套上，并传递给气缸体，最后遍及整个机体，因此柴油机机体上也可以布置测点。综合考虑激振力的传递路径以及传感器的安装方便等因素，在实验中，设置6 个振动测点，其中缸盖上4 个，机身上1 个，下曲轴箱上1 个。各个测点的具体安装位置如图3 - 2 所示。、。j 一。ia 1 1 2a 1 2 3a l 4 5a 1 5 6- 砒4 5图3 - 2 振动测点的安装位置图图3 - 2 中测点位置说明：1 7天津工业大学硕士学位论文( a ) a 系列测点( a 1 1 2 a 1 5 6 ) 代表缸盖上振动加速度测点，振动方向为垂向。如：a 1 1 2 表示测点位于1 、2 缸缸盖之间。( b ) b 1 4 5 测点是机身主推力面侧面上部对应4 缸、5 缸之间的横向振动加速度测点。( c ) c 1 4 5 测点是下曲轴箱侧面对应于4 缸、5 缸之间的横向振动加速度测点。3 2 4 采样频率的确定要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号，或者说要保证信号的抽样不会导致信息的丢失，必须满足以下两个条件曙鲥：( 1 ) 信号必须是频带受限的，即其频谱所含频率成分受限于某一个有限值最高频率，设为疋，所采集的信号没有超过频率f 的成分；( 2 ) 采样频率f 必须至少是信号最高频率的2 倍，即f 2 疋。根据采样定理可知，采样频率应为分析信号中最高频率的2 倍，考虑到柴油机系统的复杂性，并且激励源较多加之输入、输出不明确，所以振动信号的最高频率无法了解，因此采样频率，：的确定也就比较困难。若f 过低，有可能导致信号的混频；疋过高，造成数据量较大，采集数据不会很长，可能会造成所采集的信号不能体现信号的周期性，不能反映出机器的工作全貌。根据设置不同的采样频率对实际振动信号进行数据采集，分析其频率范围，最终确定的采样频率为1 0 2 4