（计算机应用技术专业论文）柴油机燃油喷射系统故障智能诊断的研究.pdf

惹 堑 柴油虮的 故障诊断 义。 摘要 t p 4 7 7 z 0 7 铁路运输向重载、高速方向的发展，橇率柴油枧燃溜喽射系统故 故障中显得尤为突出，燃油喷射系统工作倦能韵好坏盛接影响藿 功率、排放和工作可靠性等往能。开餍杭车柴油梳燃油绩射系绫 的研究工作，对予保障铁路运输安全、提商经济效益裔着重要意 本文研究课题来源予哈尔滨铁路局科研颈甚，爨标是辑究开发出一套 现场使用方便、实用的柴油机燃油喷射故障诊断系统。本文在我痿兹人研 究的基础上提出一套全新的快速检测镨能诊断解决方案：篙台戬攀片极为 捡测核心，夕j - ；u h 传感器、充电电池、辅助电路构成现场便携式梭障诊断检 测仪，辅以特征参数值法或接给测试人员“好”斌“坏”的检测结栗，能 够喜接攫粤生产；后台运行于计算机中的系统机分析软件，道_ i 耍r s 2 3 2 串 露接口从检测仪中获褥检测数据，再进行详细分析，可以迸一步给出准确 的故障类型。亨本礤究工作主要包括以下方面： ( 1 ) 检测原理的可行性分析。 ( 2 ) 快速检测智能诊断系统总体方案的设计。采耀蓠台便携式检测仪加 黯台系统梳分析软件的设计形式。 ( 3 ) 检测仪硬件部分的设计与曩殍割。溪用t8 0 9 8 单片机、e l 背光l c d 醋形点阵液晶、菲易失隧枫存储器( n v r a i v 0 等产晶，囊纾设计了微汉字系 统、p v c 薄膜汗关键盘、智能充电系统等，使褥捡测仪真正做到了小巧、 便携、实用。 ( 4 ) 检测纹软件郏分豹设计与汇缡语言实现。本文首次提出并实现了利 掰鹰力波形软 牟计算柴油棍转速4 弋替转速传感嚣测速，利用压力波形的压 力最大俊点来标定上盘点( t d c ) 代巷上止点传感嚣的搜用，从面使系统的使 用蔓加方便，大大降低了检测人员豹劳动强度。 ( 5 ) 系绞飒分额软传的总体设计与郝分实现。 该智能诊断系统在完成研究后，已经形成正式产貉，并e 在全路接广。 现场的使用结果表明：该系统的使用为机务段擅修工作节省了大量入力和 巨额李才料费的支出，达到了预期的效果，已经成为了梳务部门迸行修黼改 革必不可少的检测设备。 关键谲：柴油极，燃油喷射系统，压力波，救蹲诊叛，穰能检测，单翰 随机厂基鼯 a b s t r a c t t h et o p i ct ob ed i s c u s s e di n t h i sp a d e rc o m e sf r o mar e s e a r c hp r o j e c to fh a r b i n r a i l w a yb u r e a u ，w i t ha na i mo f d e v e l o p i n gaf a u l td i a g n o s i ss y s t e mi nt h ef i so f t h e d i e s e l e n g i n e ，w h i c hi sc o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a lf o rf i e l do p e r a t i o n t h i sp 印e lo nt h eb a s i so f f o r m e rr e s e a r c hd o n ea tt h i si n s t i t u t e ，p r o v i d e sac o m p l e t e l yn e ws o l u t i o nf o rf a s td e t e c t i o n a n di n t e l l i g e n td i a g n o s i s ，i nw h i c h ：a tt h ef o r e g r o u n d ，ap o r t a b l ef i e l df a u l td i a g n o s i s d e t e c t o r ( p f f d d ) i ss e t ，c o n s i s t i n go fas i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) a st h ec o r e ， s u p p l e m e n t e dw i t hs e b s o r s 。r e c h a r g e a b l eb a t t e r i e sa n da u x i l i a r yc i r c u i t s w i t ht h ef e ：a t u r e p a r a m e t e rm e t h o d t l i ep f f d di sa b l et od e l i v e rt h er e s u l t 勰“y e s ”o r n o ”t ot h et e s t c o n t r o l l e ra n dh e n c ee a r lb eu s e dt og u i d ep r o d u c t i o nd i r e c t l y a tt 1 1 e b a c k g r o u n d t h e s y s t e mm a c h i n ea n a l y s i ss o r w a r eo p e r a t i n go nt h ec o m p u t e ro b t a i n sf o rd e t a i la n a l y s i st h e d a t af r o mt h ed e t e c t o rt h r o u g ht h es e r i a li n t e r f a c eo fr s - 2 3 2 a n dt h e nf u r t h e rd e l i v e r st h e c o r r e c tt y p eo ft h ef a u l t t h er e s e a r c hw o r kc o n c e m e dm a i n l yc o n s i s mo ft h ef o l l o w i n g a s p e c t ： ( 1 ) f e a s i b i l i t ys t u d yo nt h ed e t e c t i o nt h e o r y ( 2 ) d e s i g no f t h eo v e r a l lp l a nf o rt h es y s t e mo f f a s td e t e c t i o na n di n t e l l i g e n td i a g n o s i s ， w h i c hc o n s i s t so fap f f d da tt h ef o r e g r o u n da n ds y s t e mm a c h i n ea n a l y s i ss o f t w a r ea tt h e b a c k g r o u n d ( 3 ) d e s i g n ，r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo ft h eh a r d w a r eo ft h ed e t e c t o r t h o s ep r o d u c t s a r ea d o p t e ds u c ha s8 0 9 8s c m ，e lb a c k l i g h tg r a p h i c a ll c d ，n v r a m ，e t c i na d d i t i o n ， t h i sa u t h o rd e s i g n e db yh i m s e l fam i c r oc h i n e s ed i s p l a ys y s t e m ，ap v cc o a t i n gs w i t c h k e y b o a r d ，a n da ni n t e l l i g e n tc h a r g i n gs y s t e m ，e t c ，w i t hw h i c ht h ed e t e c t o rb e c o m e ss m a l l ， p r a c t i c a la n de a s yt oc a r r y ( 4 ) d e s i g no f t h ed e t e c t o rs o f t w a r ea n di m p l e m e n t a t i o no f t h ea s s e m b l el a n g u a g e t h i s p a p e rp u s h e sf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m et h et h e o r yt h a tt h ep r e s s u r ew a v eo ft h ef i sc a nb e u s e dt oc a l c u l a t et h er o t a t es p e e do f t h ed i e s e le n g i n ei n s t e a do f t h es e n s o r sd e t e c t o ra n dt h e m a x i m u mv a l u ep o i n to f t h ep r e s s u r ew a v ec a nb eu s e dt oc a l i b r a t e t h et d ci n s t e a do f t h e t d cd e t e c t o r i nt h i sw a y , t h es y s t e mi sm a d ee a s i e rt oo p e r a t ea n dm u c hl a b o rw o r kc a nb e s a v e d ( 5 ) o v e r a l ld e s i g na n dp a r t i a li m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e mm a c h i n ea n a l y s i s s o f t w a r e a f t e rt h er e s e a r c ho ni tc o m p l e t e d ，t h i si n t e l l i g e n td i a g n o s i ss y s t e mh a sb e e np u ti n t o p r o d u c t i o na n dr e c o m m e n d e dt h r o u g h o u tt h er a i l w a ys y s t e m t h ef i e l do p e r a t i o ni n d i c a t e s t h a tw i t ht h i ss y s t e m ，m u c hl a b o rw o r ka n de x p e n s e so nm a t e r i a l sc a bb es a v e do ft h e m a i n t e n a n c es e c t i o n sa n dt h ei n t e n d e dr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e dt h es y s t e mn o wh a s b e c o m ei n d i s p e n s a b l ed u r i n gt h er e p a i rs y s t e mr e n o v a t i o no f t h em a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，f u e ii n j e c t i o ns y s t e m p r e s s u r ew a v e f a u l td i a g n o s i s ，i n t e l l i g e n td e t e c t i o n ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 托方交透丈学硪士学位论文作者 王祥 第1 章绪论 1 1 内燃机车燃油喷射故障诊断系统研究的意义 鼹前，随着国民经济的快速发展，人们对铁路客、货物运输的要求也 越来越高。为了满足人们对安全、正点、高速方面的要求。机车柴油机不 断向高功率的方向发展。随之而来的运行可靠住问题和维护修理问磁也舀 益突瀣。目前，全国内燃梳车钓保有餐已经越过一万台f j j 魏秘对这婺内燃 梳车进行科学静维护秘保养已经是一令非常严竣熬起题。 长期以来，我国机务部门对内燃机车的检修一直瀚用“定期修”的检 修制度p l 。邵裰据不同类垄豹梳车烧定其检修运行的公撵数，达到烧定走行 公里数韵提车不论撬车懿实际技术状态翔侮，都要进移趣定泌检修工作， 这样既浪费了枫车及零部传的剩余寿翕，又延长了停修对间加大了梭修的 工作蹙，影响了机攀的运用效率和铁路运输的经济效益。而早在五十年代， 美国就率先提出了以诊断技术为基础的“状态修理”的方法脚。即通过诊断 技术，在机车不解体的情况下掌握机车的运用技术状况，发现不良状况及 时修邂的修理方式。舀前，我国税务部门已经撵出了定期检修帝度商状态 修理谁度过渡鹬计翔，并在掬格达奇、石家庄、广鲻等枫务段进行试点， 取褥了可喜的成绩例。实践涯骥，状态修理毒度实施的根本保障是披蹲诊断 技术的研究_ 艇用。 有关资料虽示：在桨淌撬教漳串，燃溜渍瓣系统故障所舂比镪较大， 毫达2 7 l4 1 。燃溘蹬射系绞工作搜黪缒黪# l ；瘫按影蟪着紫浊援黪瑟卷使用， 燃浊喷射系统故障轻则影响枧车的翰堪功率、增大油耗、排放废气污染严 熏，照则直接导致柴油枫失去工作能力。因燃油喷射系统故障造成的机车 机破事故在铁路运输中时有发生睁l ，1 6 j 。因此，开展柴油机燃油喷射故障诊断 系统的研究，对于保障铁路运输生产的安全、避免经济损失、提高工作效 率、深仇修铜改革等郡暴商重簧的现实意义。 1 2 故障诊断系统研究的现状 随着测试技术、数据处理技术、计算枫技术的发震，柴濑祝燃涌喷射 系统故障诊凝已经尚出计算极鑫动识别躲智能纯渗羝方囊发袋。基藏，科 研人员在此领域再鼹了大鬟的实验研究，出现了多秘诊断方法。主要有以 下几手中： ( 1 ) 通过检测燃涵楼射系统离匿油管肉难力豹交纯过程，送纷波形分 辑，从露实瑰燃浊喷射系统故障的诊叛。这秘方法是舅翦最常采用的，也 是对燃油喷射系统进行故障诊断最直接的方法。国外在这方面的研究起步 筇lr 贞 北方交通大学硕士学位论文 作者：王样 第1 章绪论 1 1 内燃机车燃油喷射故障诊断系统研究的意义 目前，随着国民经济的快速发展，人们对铁路客、货物运输的要求也 越来越高。为了满足人们对安全、正点、高速方面的要求，机车柴油机不 断向高功率的方向发展。随之而来的运行可靠性问题和维护修理问题也日 益突出。目前，全国内燃机车的保有量已经超过一万台i l 】，如何对这些内燃 机车进行科学的维护和保养已经是一个非常严峻的问题。 长期以来，我国机务部门对内燃机车的检修一直沿用“定期修”的检 修制度【1 1 。即根据不同类型的机车规定其检修运行的公里数，达到规定走行 公里数的机车不论机车的实际技术状态如何，都要进行规定的检修工作， 这样既浪费了机车及零部件的剩余寿命，又延长了停修时间加大了检修的 工作量，影响了机车的运用效率和铁路运输的经济效益。而早在五十年代， 美国就率先提出了以诊断技术为基础的“状态修理”的方法l ”。即通过诊断 技术，在机车不解体的情况下掌握机车的运用技术状况，发现不良状况及 时修理的修理方式。目前，我国机务部门已经提出了定期检修制度向状态 修理制度过渡的计划，并在加格达奇、石家庄、广州等机务段进行试点， 取得了可喜的成绩1 3 1 。实践证明，状态修理制度实施的根本保障是故障诊断 技术的研究应用。 有关资料显示：在柴油机故障中，燃油喷射系统故障所占比例较大， 高达2 7 1 4 i 。燃油喷射系统工作性能的好坏直接影响着柴油机的正常使用， 燃油喷射系统故障轻则影响机车的输出功率、增大油耗、排放废气污染严 重，重则直接导致柴油机失去工作能力。因燃油喷射系统故障造成的机车 机破事故在铁路运输中时有发生睁j ，1 6 j 。因此，开展柴油机燃油喷射故障诊断 系统的研究，对于保障铁路运输生产的安全、避免经济损失、提高工作效 率、深化修制改革等都具有重要的现实意义。 1 2 故障诊断系统研究的现状 随着测试技术、数据处理技术、计算机技术的发展，柴油机燃油喷射 系统故障诊断已经向由计算机自动识别的智能亿诊断方向发展。目前，科 研人员在此领域开展了大量的实验研究，出现了多种诊断方法。主要有以 下几种： ( 1 ) 通过检测燃油喷射系统高压油管内压力的变化过程，进行波形分 析，从而实现燃油喷射系统故障的诊断。这种方法是目前最常采用的，也 是对燃油喷射系统进行故障诊断最直接的方法。国外在这方面的研究起步 筇l 页 北方交通大学硕士学位论文 作者：王祥 国内在此领域开展研究的，主要有哈尔滨铁路局齐齐哈尔科学技术研究所 【8 】、铁道部科学研究院刚1 0 1 、北方交通大学n u ，f 1 2 】、华中理工大学f 1 3 】，f 1 4 1 等单 位。 ( 2 ) 通过检测燃油喷射系统工作时产生的震动和声音信号进行测量。燃 油喷射系统在工作时会形成特有的振动和冲击。通过在气缸盖上安装加速 度测量仪1 5 】，测量机体振动信号，再对燃油喷射系统故障进行分析。但是 在振动信号中不仅仅含有燃烧过程的振动冲击信号，还混杂有乱真反射波 和机体内的信号扩散【1 6 j ， 1 7 i 。 在这些研究中，除了哈尔滨铁路局齐齐哈尔科学技术研究所形成了正 式的产品外增】，其它基本上都停留在理论研究阶段。这些理论上的研究都 还属于仿真试验阶段，没有能形成真正解决现场实际问题的实际产品。 1 3 本研究的主要内容 1 3 1 研究课题的来源、目标、意义 本研究课题来源于哈尔滨铁路局科研项目，目标是研究开发出一套现 场方便、实用的柴油机燃油喷射故障诊断系统，指导并改进内燃机车的检 修工作，预防偶发事故，提高内燃机车运用的可靠性。 为了确保内燃机车在提速、重载和长交路运用中的安全可靠，降低内 燃机车燃油喷射系统的故障率，原铁道部机务局、现铁道部装备部曾多次 组织全路各有关部门召开会议研究减少机破临修的措施。根据铁道部相关 部门的需求，针对上述问题，本课题所要进行的研究，正是现场需要迫切 解决的问题，此课题的研究不仅具有一定程度上的理论意义和较高的工程 实用价值，而且具有面向全国铁路推广的广阔的市场前景和可观的经济效 益。 1 3 2 研究的要求和任务 通过课题的现场调研和现有产品的使用情况反馈，并且和铁路局机务 处技术部门、各机务段有关技术人员共同研究后一致认为，该检测设备应 该符合以下几项要求： ( 1 ) 检测仪器必须小型化、便携式，便于现场检测人员随时、随地携 带上车作业。 ( 2 ) 检测手段必须方便快捷，不能改动运用机车上的设备，不能影响 运用机车的正常使用。 第2 页 北方交通大学硕士学位论文 作者：王祥 射系统故障的功能。 ( 4 ) 检测结果应该能有显示设备直观显示检测过程及检测结果或打印 机输出。并且显示设备最好能有汉字状态的操作过程提示和结果输出，友 好的人机界面，便于现场检测人员使用。 ( 5 ) 该检测设备应该具有多台车次检测数据的存储和再现功能，应具 有与系统机( 通用计算机) 的通讯功能，以便建立内燃机车燃油喷射系统 状态履历，进行内燃机车燃油喷射系统集中管理和分析。 以上即是本系统研制的最初设想，目标就是解决检测内燃机车燃油喷 射系统时对机车进行加装改造，受房屋、线路、时间及机车停车位置等具 体环境条件的限制以及检测人员自身技术水平的限制等问题，尽量使设备 成品化后减小体积，以适合现场检测人员随身携带在机车上使用。同时设 备本身的性能、测试结果的准确度、精度也是这里追求的重要目标，使该 设备能够成为铁路机车检修部门实用的专用检测设备。 1 4 本文的内容组织 本论文是按如下的思路组织的： 第一章对本课题的研究意义及国内外内燃机车燃油喷射系统的检测设 备研究发展状况进行了一下综述，并概括介绍了本课题的来源、目标、和 意义，最后对该课题的要求和任务进行了说明。 第二章对内燃机车的燃油喷射系统工作原理及影响因素进行了探讨， 并就利用高压油管通过外卡式传感器的测量进行故障诊断的理论依据进行 了分析，论证了系统的可行性。 第三章提出了本课题的系统设计思想及其具体要求，即模块化设计原 则、经济性要求、可靠性要求，同时对其重点研究的若干关键技术作了介 绍，这是本课题研究的基石。在此基础上进一步提出了系统的软、硬件设 计方案和总体设计框图，为整个课题的实现提供了一个完楚的设计方案。 第四章详细说明了整个检测系统的硬件部分，包括各个主要的硬件具 体电路及其电路工作原理和功能介绍以及系统的抗干扰设计。它是整个课 题研究的一个重点，涉及到存储器结构设计、输入通道设计、人机交互设 计、复位电路设计、数据通讯电路设计、电源供电及充电电路设计等。从 满足检测要求出发，着重考虑系统的精度、稳定性和实用性。 第五章详细说明了整个检测系统的软件部分，着重介绍了些关键技 第3 页 北方交通大学硕士学位论文作者：王祥 术的软件实现方法，并给出了主要模块设计的软件流程图。 第六章对判断检测结果的特征参数值选择依据和方法给出了具体的解 释，对现场的运用情况进行了总结，并给出了指导检修检测工艺流程。 第七章说明了本文研究工作的主要结论和下一步工作的展望。 第4 页 北方交通大学硕士学位论文作者：王样 第2 章系统设计的理论依据 2 1 燃油系统工作过程 燃油系统的任务是根据柴油机的运转工况，在最佳的时刻、在预定的 时间内向气缸喷射一定数量并良好雾化的燃油【1 9 1 ，【2 0 1 。燃油系统的工作过程 如图2 1 所示，燃油在( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 过程处于低压状态，在( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 过程 处于高压状态，在本文中仅讨论燃油喷射系统高压部分的故障。 圈2 1 燃油系统工作过程 2 2 故障诊断系统检测的理论依据 图2 1 所示( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 过程形成的定质定量的燃油在压缩行程末期喷 入汽缸自行着火燃烧。柴油机供油系统本身并无电量可采集，以供确认燃 油系统的正常工作，这是柴油机燃油系统检测的难点之一。能不能通过高 压油管内的压力波形来判断供油系统故障呢。分析如下：设高压油管与喷 油器构成燃油容积为v ，高压油泵将体积为v 的燃油压入高压油管，则燃 油被压缩时能量 2 1 1 为 f = e - ay ；p 矿 式中：s 燃油喷射能量 e 燃油弹性系数 p 燃油压力 由公式( 2 1 ) n - - i 以得出燃油压力的求解公式 p ：三：e a v vv ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 公式( 2 2 ) 表明燃油压力受燃油系统容积v 和燃油增加量v 的影响， 当燃油喷射系统的高压油路各主要零件发生故障，出现漏油、喷油嘴积炭、 喷油器开启压力降低等故障现象时，都能在燃油压力波形上反映出来，因 此检测高压油管内的燃油压力波形是种有效诊断燃油喷射系统故障的方 法。 笫5 页 北方交通大学硕士学位论文作者：王祥 2 2 1 外卡式传感器检测的理论分析 在对燃油喷射系统高压油管内压力波形的检测上，首先要将非电量的 高压油管压力信号转变成电量信号，有以下两种方法：种是使用内接式 传感器直接测量，需要使用三通或者在高压油管上打孔来安装传感器，使 之与高压油管内的高压油接触直接测量；另一种方法是使用外卡式传感器 间接测量，它以一定的预紧力使传感器夹持在喷油泵与喷嘴之间的高压油 管上，图2 2 所示是我所研制的外卡式传感器及其安装使用示意图，高压油 管在高压油脉冲的作用下产生微小膨胀，挤压外卡式传感器内的压电传感 元件，产生压电电荷，经分析仪中的电荷放大器放大后供系统处理分析， 实际是通过测量高压油管在高压油作用下产生的微小的径向形变从而获得 高压油管内的压力波形。 图2 2 外卡式传感器及其安装示意圈 显然，第一种方法测量精度高，但是作为机务段的日常检修工作，在 不解体检验作业中，即使用该方法研制出设备在实际使用中也是行不通的。 第二种方法属于间接测量，理论上是否可行需要探讨。 按内燃机车常用的1 6 v 2 4 0 型柴油机高压油管参数：内径为3 m m ，外 径为1 0 m m 。根据材料力学原理【2 孙，高压油管在高压油作用下的径向形变 符合厚壁筒受内压径向位移问题的求解方程。 一考。志卜h 训爿 ， 第6 页 一 ! ! 立奎望查堂堡圭兰垡丝窭 堡耋! 王堂 式中：“高压油管受到油压p 时产生的径向位移 p 高压油管受到的油压 ，高压油管的中径 e 高压油管的弹性模量 口高压油管的内径 6 高压油管的外径 高压油管材料的泊松系数 由公式( 2 3 ) 可知，对已知材质的同一高压油管来说，r 、e 、a 、b 、h 均为常数，所以高压油管外径的膨胀量u 与高压油管内的燃油压力p 成线 性关系。由此可见，通过检测高压油管的膨胀量来获得高压油管的压力波 形在理论上是可行的。 2 2 2 影响燃油系统工作状态的因素 由于燃油具有可压缩性，所以燃油喷射系统的高压油路应视为一个弹 性系统，燃油在高压油路中的流动也就具有波动的性质。燃油这种波动与 从喷油泵凸轮起一直到喷油器的各主要零件都有关系，而且这些零件的参 数之间相互作用，因此高压油管内压力波动是十分复杂的。 高压燃油在喷油泵出口到喷油嘴的油管沿程以波动方式传播，即在同 一瞬间喷油泵端的压力和喷油嘴端的压力是不同的，图2 3 为喷油泵出口压 力波和喷油嘴端压力波。当喷油泵柱塞上升开始关闭进油孔时，高压油管 的压力上升，当超过剩余压力p r 时，燃油即进入高压油管，当油压继续上 升达喷油嘴的针阀开启压力p o 时针阀开启，开始向燃烧室喷油。所以喷油 嘴实际喷油开始点落后于喷油泵的供油开始点，这一段时间差称喷油延迟。 由于延迟必将导致实际喷油提前角较几何供油提前角要小，提高针阀开启 压力p o 和增加油管总容积都使这一延迟加长，为使各缸供油提前角均衡， 各缸高压油管都是等长度的。针阀打开的瞬时因容积的增大和部分油进入 气缸，喷油嘴端的压力微降。但因柱塞的继续上升，喷油泵端的压力继续 上升直到喷油泵回油孔打开，泵端压力速降。但喷油嘴端的压力因高压油 管的弹性收缩使压力下降缓慢，这一压力一直下降到低于喷油嘴针阀的落 座压力p s 时，喷油才告终止。这是正常压力波。当油管中的压力波激起针 阀的振动或压力波在高压油管两端的反射波过大时会引起不规则喷射或两 次喷射等不正常现象。 第7 页 北方交通大学硕士学位论文作者：王祥 囤2 3 喷油泵端和喷油嘴端的压力波形图 经过对现场使用已有产品的大量测量数据及资料的整理，主要零部件 对高压油管的压力波形的影响如下： ( 1 ) 喷油泵凸轮 凸轮型线越陡，供油( 或停油) 时柱塞加速度越大，单位时间内压力上升 ( 或下降) 越快。反映在压力波形上，上升段及下降段较陡，最高压力值较高， 喷油持续时间较短。 ( 2 ) 柱塞偶件 柱塞偶件密封性能的好坏直接影响供油量的多少及压力的高低。反映 在波形上，对波形面积及最高压力值有直接影响。 ( 3 ) 出油阀减压容积 。始8 页 ! ! 查奎望查堂堡主兰垡笙壅 堡耋! 三堂 其大小影响压力升高( 或降低) 率及残余压力的大小。容积过大：供油结 束时滞留在高压油管中的燃油较少，压力波动较小，下次供油时压力上升 较缓。波形表现为上升边斜率较小，下降边斜率较大。容积过小：供油结 束时滞留在高压油管中的燃油较多，压力波动较大，下次供油时压力上升 较快。波形表现为上升边斜率较大，下降边斜率较小。 ( 4 ) 出油阀弹簧刚度 出油阀弹簧的压力o 7 m p a 左右。弹簧刚度大小影响进入高压油管内燃 油压力高低。刚度大：波形上升快，下降快；刚度小：波形上升慢，下降 慢。 ( 5 ) 高压油管 高压油管是构成喷油系统容积的重要部分。其直径大小影响压力升高 ( 或降低) 的速率，从而影响雾化质量。其管壁的厚薄影响传感器的灵敏度大 小，管壁薄：测量结果偏大；管壁厚：测量结果偏小。 ( 6 ) 针阀偶件的密封性 其好坏影响整个系统建压及保压能力，直接影响雾化质量。其波形表 现为最高压力值较低，上升及下降较缓。 ( 7 ) 针阀升程 真接影响密封锥面下流通面积，从而影响雾化质量。升程大：流通砸 积大，节流损失小，针阀落座时间长，波形开始下降较快，收尾较缓；升 程小：流通面积小，节流损失大，针阀落座时间短，波形下降较缓，持续 时间长，波动较大。 ( 8 ) 针阀弹簧预紧力 决定喷射开始( 或结束) 压力高低，从而影响雾化质量。预紧力大：被压 缩燃油较多，最高压力较高，波形表现为持续时间略短，上升( 或下降) 较陡， 残余压力较高：预紧力小：被压缩燃油较少，最高压力较低，波形表现为 持续时间略长，上升( 或下降) 较缓，残余压力较低。 ( 9 ) 喷孔 柱塞横截面积与喷孔面积的比值，直接影响最高压力值的大小。喷孔 小：波形持续时间长，最高压力值高，下降较缓，节流损失大，喷射后期 雾化质量较差：喷孔大：波形持续时间短，最高压力值低，下降较快，容 易窜入燃气，造成积炭。 第9 页 北方交通大学硕士学位论文作者：王祥 2 3 本章小结 本章对内燃机车的燃油喷射系统工作原理及影响因素进行了探讨，并 就利用高压油管通过外卡式传感器的测量进行故障诊断的理论依据进行了 分析，论证了系统的可行性。 第l o 页 北方交通大学硕士学位论文 作者：王祥 第3 章智能诊断系统的方案设计 3 1 系统设计思路 3 1 1 系统设计原则 在设计一个智能诊断系统时，首先要进行系统的总体设计，在设计中 一般应考虑以下几点： ( 1 ) 遵循从整体到局部的设计原则。在硬件和软件设计时，应遵循从 整体到局部的设计原则。它是把复杂难处理的问题分为若干较简单的、容 易处理的问题，再分别加以解决。 ( 2 ) 经济性要求。为了获得较高的性价比，设计时不应盲目追求复杂 高级的方案。在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，因为 方案简单意味着所用元器件少，可靠性高，而且也比较经济。另外，在考 虑经济性时，除造价外还应顾及使用成本，即使用期间的维护费，备件费， 运转费等，必须综合考虑后才能评估出其真正的经济效果，从而选出正确 的方案。 ( 3 ) 可靠性要求。所谓可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间 内完成规定功能的能力。可靠性指标除了可用完成功能的概率表示外，还 可用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。 对于智能诊断系统来说，无论在原理上如何先进，在功能上如何全面， 在精度上如何高级，如果可靠性差，故障频繁，不能正常运行，则该系统 就没有使用价值，更谈不上应用中的经济效益。因此，在设计过程中，对 其可靠性的考虑应贯穿于每一个环节，采取各种措施提高可靠性，以保证 智能诊断系统能长时间的稳定的工作。 就硬件而言，系统所用器件的优劣和结构工艺是影响可靠性的重要因 素，故应合理的选择元器件，并为设计留一定的余量。另外，必要时可采 用一定的电路在硬件损坏时触发保护机构，达到自动切换和报警的目的。 提高系统运行的可靠性。对软件来说，应尽可能预防可能发生的故障，如 采用模块化的设计方案，以利于程序的编制和调试，并可减少故障率和提 高软件的可靠性。 ( 4 ) 操作和维护要求。在智能诊断系统的硬件和软件设计时，应当考 虑操作方便，尽量降低对操作人员的专业知识的要求，以便产品的推广应 用。系统的输入输出方式、操作程序应尽量简单明了，无需专门训练就能 掌握其使用方法。 第1 l 页 北方交通大学硕士学位论文 作者：王祥 3 1 2 系统总体方案的设计 在智能诊断系统中，一般常用的方法有两种。 一种是采用数据采集板和个人或工业控制计算机相结合，辅以一定的 专用软件来进行。此方法有较强的软、硬件支持，数据可直接存入硬盘， 显示可利用p c 机的显示器。它界面友好，功能强大，工作可靠并具有一定 的扩展功能。但同时也存在着不可克服的弊病，那就是系统投资大，利用 效率低，对于小型的专用系统来说不太适宜，尤其不适用于便携式移动检 测系统。 另一种方法是采用单片微型计算机简称单片机，通过一些外部扩展电 路来完成智能诊断、存储、显示、打印功能。单片机实际上是在一块芯片 上集成了中央处理器( c p u ) ，只读存储器( r o m ) 、随机存储器( r a m ) 、 输入输出接口( i 0 ) 、可编程定时器计数器、中断系统、串行通讯接口( s i o ) ， 有的还带有模拟，数字( a d ) 转换器等。因此单片机实际上是一台完整的 微型计算机，它具有集成度高、体积小、功能强、功耗低、抗干扰能力强、 稳定可靠、使用灵活、价格低等优点。但是单片机的软件支持能力差，数 据处理能力弱。它特别适用于工作速度不高，数据处理量不大，测量控制 过程不很复杂的便携式移动检测场合。 在本设计中，系统首先需要检测出高压油管的压力波形，再通过压力 波形分析评价燃油喷射系统工作状态，判定燃油喷射系统故障。内燃机车 柴油机属于四冲程柴油机转两周喷油一次，每次喷油持续时间非常短。例 如：最普及的东风4 b 型柴油机标定转速为1 0 0 0 r m i n l 2 0 1 ，每次喷油持续时 间大约为1 6 。0 5 。曲轴转角，那么采样周期分辨率为l 。曲轴转角时，采 样频率是6 k h z ，采样幅值分辨率为1 2 位时，采样连续完整的1 0 个喷油周 期供分析时的数据量近1 6 k 字节。由此可见，该系统工作的速度要求高、 波形处理数据量大。如果仅仅采用第二种单片机方案，是很难完成系统预 定功能的。考虑到各方面的因素，本文提出一套全新的快速检测智能诊断 解决方案：前台以单片机为检测核心，外加传感器、充电电池、辅助电路 构成现场便携式故障诊断检测仪，通过外卡式传感器快速检测出高压油管 的压力波形，并辅以特征参数值法评价燃油喷射系统工作状态，直接给测 试人员“好”或“坏”的检测结果，能够直接指导生产，对于需要进一步 处理判定燃油喷射系统故障的工作由后台系统机分析软件完成；在快速检 测工作完成后，后台运行于计算机中的系统机分析软件，通过r s 2 3 2 串行 接口从检测仪中获得检测数据，再通过系统计算机的强大数据处理能力进 行详细分析，可以进一步的给出准确的故障类型。 确定以上总体方案后，总体方案设计中还应考虑的就是前台检测仪核 心单片机的选择和后台分析软件的编程语言及操作系统平台的选择了。 第1 2 页 i ! 查奎堡查兰堡兰兰垡笙兰 堡童! 三登 在我国单片机的应用领域中，1 6 位单片机已经取代了8 位的单片机占 有相当大的比重。尤其是m c s 一9 6 系列单片机以其优越的性能、成熟的技 术及高可靠性和高性能价格比在我国已经成为了优先考虑的机种，成为国 内单片机应用领域的主流【2 3 1 。考虑到本设计对单片机c p u 速度的要求，决 定采用美国i n t e l 公司生产的1 6 位单片机8 0 9 8 。它是一种低功耗高性能的 c m o s 单片机，该器件与国际工业标准8 0 9 8 指令系统和引脚完全兼容。 由8 0 9 8 单片机构成的检测仪具有以下优越的特点【2 4 】，f 2 5 】，f 2 6 】： ( 1 ) 8 0 9 8 芯片集成度高，结构紧凑，而且有掉电保护等环节，从而使 其具有高可靠性和强抗干扰能力。 ( 2 ) 8 0 9 8 单片机内部有2 3 2 个可利用的累加器。既可消除“瓶颈效应” 又为编程人员带来了方便，提高仪器的工作效率高。 ( 3 ) 8 0 9 8 单片机内含4 个通道的1 0 位a d 转换单元，集c p u 和各 种接口电路于一体，配置齐全，可以使片外附加电路大大简化，能够缩短 检测仪器应用系统的研制过程。 ( 4 ) 8 0 9 8 单片机的硬件结构紧凑。端口数量多，信息吞吐量大，同时 串行接口电路支持同步、异步工作方式，易于和其它计算机一起组成分布 式网络系统，硬件电路配置灵活。 ( 5 ) 8 0 9 8 软件编程及为方便，参与运算的操作数可以是8 、1 6 、3 2 位中的任意一种，寻址方式灵活多样，其指令系统为使用者编制测量和控 制程序提供了方便。 鉴于上述优点采用8 0 9 8 单片机构成便携式故障诊断检测仪来完成前台 检测仪的功能，完全可以满足研制要求。其次，为了使检测仪使用更加灵 活、方便，检测人员上、下机车便于携带，在设计过程中考虑到在满足故 障判断需要的前提下，采用了体积小、重量轻的单片机为主机，以i n t e l8 0 9 8 单片机为中心设计了可编程控制的键盘接口、液晶显示器接口、打印机接 口以及串行数据传送接口等电路，组成了前台检测仪的硬件部分。检测仪 的主要控制程序用8 0 9 8 汇编语言编制，程序固化在8 kb y t e 的e p r o m 当 中，其中包括了程序执行所需要用到的汉字字模数据。 后台分析软件的主要任务是通过检测数据进一步的分析，给出准确的 故障类型和机车检测数据的日常管理。在系统机操作系统平台和编程语言 的选择上，应该兼顾现场的实际使用条件和系统的编程目标。考虑现场的 计算机档次比较低，可以采用d o s 操作系统和c 编程语言。 第1 3 页 北方交通大学硕士学位论文 作者：王祥 3 2 前台检测仪的方案设计 3 2 1 硬件电路的设计 3 2 1 1 程序存储器和数据存储器电路的设计 最初设计时由8 0 9 8 单片机的p 3 、p 4 口向片外e p r o m ( 2 7 6 4 a ) 和 r a m ( 6 2 6 4 a ) 提供地址总线，在单片机和存储器之间配7 4 l s 3 7 3 来完成地址 数据总线的分离驱动、地址译码、并行输入输出，数字多路选通功能，使 p 3 口分时两用兼作数据总线。用7 4 l s l 3 8 芯片作2 7 6 4 、6 2 6 4 及其它接口 高位地址( a 1 5 a 1 3 ) 的片选信号，形成8 kr o m 的程序空间和8 kr a m 的 数据存储空间。 经过段时间的实际开发后，又使用了一片6 2 2 5 6 扩展了3 2 k 程序存 储空间，最后将数据存储空间扩展到4 0 k ，地址从4 0 0 0 h 到d f f f h 。除此 之外后来还将6 2 6 4 a 换成d s l 6 4 3 用r a m 空间的末地址存储年、月、日、 时、分、秒信息，检测者不必每次检测时输入时间，当程序运行时可自动 记录检测时间。d s l 6 4 3 还具有断电保存数据的功能，这一特点为以后多台 车次检测数据的保存、与系统机的数据传送等功能的实现奠定了硬件基础。 3 2 1 2 键盘、显示器电路的研制 键盘是智能检测系统作为输入部分的重要组成部分。根据系统的功能 要求，既可采用矩阵式非编码键盘，也可采用专用芯片的编码键盘。键盘 部分是由一些薄膜按键开关组成的，键盘的规模取决于系统的功能，功能 越多规模越大。 显示器是智能检测系统的重要输出设备。常用的显示器有两种形式， 即发光二极管显示器l e d 和液晶显示器l c d 。l c d 器件的功耗低，常用 于电池供电的便携式智能检测控制系统中，但它的亮度不如l e d 。这两种 显示器都有七段字符显示器和点阵显示器两种类型，七段字符显示器的控 制电路简单，价格便宜，但只能显示十进制数字和少量的英文字母和符号， 主要是用在功能简单的智能检测控制系统中作为测量结果和运算结果的输 出。点阵式显示器能显示全部数字、英文字母、测量用的各种符号，甚至 还可显示汉字，它一般用在较复杂的智能检测控制系统中，除了用来显示 测量结果、运算结果外，还可实现人机对话，显示用户的手工编程以及操 作过程，比前者有更大的优越性，但控制电路较复杂，价格较贵。 研制初期选用了1 6 4 英文字符式液晶显示器，驱动电路是8 0 9 8 的写 信号反向与读信号经过或非门给液晶显示器作读写信号，用7 4 l s 2 4 5 增加 8 0 9 8 对液晶显示器的驱动能力，经编程试验显示器及驱动电路作用良好， 美中不足检测菜单的操作提示，检测数据和状态的输出只能用英文或汉语 拼音显示输出，不利于现场使用人员的使用。为了使检测仪的使用、操作 笫1 4 页 北方交通大学硕士学位论文作者：王样 界面更加直观清晰、易于操作，后改为使用1 2 8 6 4 点阵式e l 背光l c d 图形点阵液晶显示模块替换原来的字符式液晶显示器，硬件电路也做了修 改并增加了背光电源供电电路。编程过程中利用微机汉字操作系统中点阵 汉字字库获得汉字字模，即汉字的点阵数据。并将需要用到的汉字字模数 据存储到扩展的8 ke p r o m 中，通过8 0 9 8 的汇编语言程序调用汉字显示 子程序，达到了检测菜单提示的全汉字化的要求，测试时操作状态的提示 和测量结果的输出都可以用汉字表示。 3 2 1 3 系统中其它功能组件的设计 智能检测系统的实质是一个专用的单片机系统。系统内除单片机以外 的其它硬件部分均可看作是单片机的外部设备，如测量部分等，可以分别 对它们进行设计。 ( 1 ) 测量部分设计 测量部分通常由两大部分组成，即模拟测量部件和a d 转换器。不同 的智能检测控制系统具有不同的模拟测量部件。在本设计中，由于传感器 的输出信号为电荷量，故须采用电荷放大器作为前级放大，且要从频率非 常丰富的振动信号中准确提取有效信号，因而必须对其进行带通滤波。 ( 2 ) 输入输出接口设计 输入输出接口是单片机与外部设备信息交换的通道，对于智能检测控 制系统来说，输入输出接1 2 1 是指在系统内部的单片机从测量环节输入测量 信息，从键盘输入系统所需的各种数据和信息。单片机向面板上的显示器 和打印机输出测量的结果、系统的工作状态等。良好的输入输出接口设计 能使操作人员在实际使用时非常容易上手，从而使仪器设备能很快被现场 接受，投入使用。所以说，输入输出接1 2 1 的设计也是智能检测控制系统设 计的一个重要部分，包含有硬件和