（轮机工程专业论文）基于柴油机循环平稳特性的气体压力重构方法研究.pdf

武汉理j l ：人学硕十学位论文 摘要 气缸压力是表征柴油机运行状态的重要指标之一，因此小型高速柴油机在 不能直接测量气缸压力的情况下，通过缸盖表面振动响应信号进行气缸压力的 间接识别己成为柴油机故障诊断的主要研究方向。本文作者针对利用气缸盖表 面振动信号识别柴油机气缸压力这一问题展开了研究，研究内容如下： ( 1 ) 研究了4 1 3 5 四缸非增压四冲程柴油机表面振动响应信号的产生机理， 阐述了引起柴油机振动的主要激励源及其时序性，说明了各激励源和表面振动 信号之间的内在关系；引入了循环平稳理论，指出了缸盖振动信号具有循环平 稳的特性，建立了振动信号的统计学模型，阐明了基于该模型下的信号采样方 式必须是等曲柄转角采样的道理。 ( 2 ) 研究了一种基于非线性假设的识别方法一r b f 神经网络法。把经过同 步平均处理的振动信号和气缸压力信号分别作为网络的输入和输出，训练神经 网络，建立缸内压力和振动信号之间的非线性映射关系，并利用这种关系来识 别气缸压力。结果表明，识别的压力曲线和实测压力曲线几乎重合，说明了神 经网络方法具有识别精度高、误差小的优点，而且具有对工况适应性强的特点， 同时也指出了对信号进行同步平均能有效提高信噪比。 ( 3 ) 研究了一种基于线性假设的识别方法一传递函数法。通过对振动信号 进行预处理、低通滤波和对消处理，去掉其它激励力的干扰和随机噪声，再建 立振动信号和缸内压力之间的传递函数，并利用它来识别气缸压力，结果发现 识别的压力和实测压力比较接近，误差很小：通过对比验证，对振动信号进行 对消处理能有效突出爆发段振动响应信号，去除大量干扰和噪声，有利于提高 传递函数模型的精度；通过计算传递函数模型的输入与输出的相干函数，可以 直观的评判传递函数模型的好坏。 关键词：柴油机，气缸压力，循环平稳，同步平均，传递函数，r b f 神经网络 武汉理 ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t c y l i n d e rp r e s s u r ei so n eo fi m p o r t a n ti n d e xf o rc h a r a c t e r i z i n gd i e s e lo p e r a t i o n s t a t e s t h e r e f o r eu n d e rt h es i t u a t i o no fb e i n gu n a b l et o g a i nc y l i n d e rp r e s s u r e d i r e c t l yf r o mt h em i n i t y p eh i g h - s p e e dd i e s e le n g i n e ，i n d i r e c ti d e n t i f i c a t i o n o f c y l i n d e rp r e s s u r eb yt h ec y l i n d e rh e a d s v i b r a t i o nr e s p o n ds i g n a l sh a sb e c o m em a i n r e s e a r c hd i r e c t i o no 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 ea u t h o rc a r r i e do u ts t u d i e so n t h ei s s u eo fi d e n t i f m gd i e s e le n g i n ec y l i n d e rp r e s s u r eb yc y l i n d e rh e a ds u r f a c e v i b r a t i o ns i g n a l s s t u d yc o n t e n ti s 鹤f o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a p e rh a ss t u d i e dg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f4 13 5n o n - s u p e r c h a r g e d f o u r - c y l i n d e rf o u r - s t r o k ed i e s e le n g i n es u r f a c ev i b r a t i o n ，s h o w e dt h em a i nd i e s e l e n g i n e v i b r a t i o ne x c i t a t i o ns o u r c ea n dt h e i rt i m i n g , a n de x p l a i nt h ei n t r i n s i c r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee x c i t a t i o ns o u r c e sa n dt h ee n g i n es u r f a c ev i b r a t i o ns i g n a l s ； i n t r o d u c e dc y c l o s t a t i o n a r yt h e o r y , p o i n t e do u tc y c l o s t a t i o n a r yp r o p e r t i e so fc y l i n d e r h e a d sv i b r a t i o ns i g n a l s ，e s t a b l i s h m e n t e das t a t i s t i c a lm o d e lo ft h ev i b r a t i o n s i g n a l s ，g i v e nt h er e a s o nw h yt h es a m p l i n gm o t h o db a s e d0 1 1t h em o d e lm u s tb e e q u a lt i m ei n t e r v a l s ( 2 ) t h ep a p e rh a ss t u d i e dar b fn e u r a ln e t w o r ki d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s - b a s e d o nn o nh y p o t h e t i c a l a f t e rp r o c e s s i n gt h ev i b r a t i o ns i g n a l sa n dt h ec y l i n d e rp r e s s u r e s i g n a l sr e s p e c t i v e l yb yas y n c h r o n o u sa v e r a g em e t h o d ，t r e a t e dt h e ma st h en e t w o r k i n p u t sa n do u t p u t s ，t r a i n e dn e u r a ln e t w o r k s ， a n de s t a b l i s h m e n t e dt h en o n l i n e a r m a p p i n g r e l a t i o n sb e t w e e nc y l i n d e rp r e s s u r es i g n a l sa n dv i b r a t i o ns i g n a l s ，a n du s e d t h i sr e l a t i o n s h i pt oi d e n t i f yt h ec y l i n d e rp r e s s u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e i d e n t i f i c a t i o nc u r v e so ft h ep r e s s u r ea n dt h em e a s u r e dp r e s s u r ec u r v e sa r ea l m o s ta c o i n c i d e n c e ，t h a tt h en e u r a ln e t w o r km e t h o dh a sn o to n l y h i g hr e c o g n i t i o na c c u r a c y , b u ta l s ot h ea d v a n t a g e so fs m a l le l t o i s ，a n dg o o da d a p t a b l i t yt ot h ew o r k i n g c o n d i t i o n a tt h es a m et i m e ，t h e p a p e rp o i n t e do u tt h a ts y n c h r o n i z a t i o na v e r a g eo ft h e s i g n a l se f f e c t i v e l ye n h a n c et h es i g n a lt on o i s er a t i o ( 3 ) t h ep a p e rh a ss t u d yat r a n s f e rf u n c t i o ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nt h e l i n e a r a s s u m p t i o n t h r o u g hp r e - p r o c e s s i n g , l o w p a s sf i l t e r i n g a n d a d a p t i v e 一婴堡墨三丕堂堡堂堡垒窒 一 _ _ _ _ _ - _ _ _ l - - i _ _ _ - _ _ - _ i - _ - _ _ _ 一一一一一 c a n c e l l a t i o np r o c e s s i n g , r e m o v e dt h ei n t e r f e r e n c e sf r o mt h eo t h e rd r i v i n gf o r c e sa n d r a n d o mn o i s e a n dt h e ns e tu pt h et r a n s f e rf u n c t i o nb e t w e e nt h ev i b r a t i o n sa n dt h e c y l i n d e rp r e s s u r es i g n a l s ，a n d u s et h et r a n s f e rf u n c t i o nt oi d e n t i f yt h ec y l i n d e r p r e s s u r e1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e i d e n t i f i e dp r e s s u r ei sc l o s et ot h em e a s u r e d p r e s s u r e , j u s tw i t has m a l le r r o r ；b yc o m p a r i s o n ，t h ea d a p t i v ec a n c e l l a t i o n w a s v e r i f i e dt h a ti tc o u l de f f e c t i v e l yh i g h l i g h tt h eo u t b r e a ko fv i b r a t i o nr e s p o n s es i g n a l s ， r e m o v ea l a r g en u m b e ro f i n t e r f e r e n c e sa n dn o i s e ，i m p r o v e dt h ea c c u r a c yo ft r a n s f e r f u n c t i o nm o d e l ：t r a n s f e rf u n c t i o nm o d e lc a n b ei n t u i t i v e l yj u d g e dt h r o u g hm a p p i n g t h ec o h e r e n c ef u n c t i o nc u r v e so ft h em o d e li n p u t sa n do u t p u t s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，c y l i n d e r p r e s s u r e , c y c l o s t a t i o n a r y , s y n c h r o n o u s a v e r a g e ，t r a n s f e rf u n c t i o n , r b f n e u r a ln e t w o r k 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。据我所知，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 含为获得武汉理工大学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。 研究生签名： 耻日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校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 以公布论文的全部内容，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) 研究生签名：耻导师签名：堕日期 武汉理j i i 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 柴油机是一种应用十分广泛的动力机械，自它问世以来，经过一个世纪的发 展，其技术已经取得了很大的进步并更趋完善，它的热效率高、功率范围大、 机动性好等优点使其在动力机械中已占据极为重要的地位【l 弓】。众所周知，柴 油机的结构复杂、零部件多且相互关联、气缸内的工作环境十分恶劣等，使柴 油机发生故障的几率增大。而且这些故障一旦发生，使柴油机不能正常运行， 甚至造成巨大的经济损失。为了更好的掌握柴油机运行状态，避免事故的发生， 2 0 世纪8 0 年代以来，国内外相继开展了对柴油机诊断监测技术的研究，以实 现在线监测和诊断。 。 最能反映柴油机工作和技术状况的气缸压力，在柴油机的状态监测和故障诊 断中，是表征柴油机运行状态的最好指标之一。柴油机气缸压力示功图是描述 柴油机动力性能的基本手段，它综合反映了柴油机输出机械功的热力转换过程。 测量气缸压力示功图的实质是测量气缸中气体压力随时间或曲轴转角、气缸容 积变化的信号，示功图的面积代表柴油机气缸内一个工作循环所作的指示功。 通过示功图可以研究缸内的燃烧过程、燃烧放热率、气体与缸壁传热过程、进 排气过程等，成为研究柴油机气缸内工作过程的重要依据。同时也是计算柴油 机指示功率、负荷调整和分析、确定最高爆发压力和压缩压力，计算缸内温度 等的依据。因而示功图的测量在柴油机的测试中占有非常重要的地位，柴油机 气缸压力的测量和分析对于改善柴油机的工作性能，进行柴油机最优点火控制 或喷油时刻控制，排放控制以及状态监测和故障诊断都具有非常重要的作用1 4 j 。 目前，获取气缸压力示功图的方法分为直接测量法和间接测量法【5 j 。一般 情况下，大功率船用柴油机有测量压力的示功阀，可以通过示功阀直接测量气 缸压力，而小型柴油机还需要在机体上打孔和安装压力传感器进行测量，即直 接测量法。但是，气缸内的高温气体的冲击、热破坏和烧蚀作用会破坏压力传 感器，而且测量成本高。因此，间接测量法就具有实际的工程应用价值。 武汉理- t 大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 循环平稳理论研究现状 循环平稳理论作为一门新兴的技术应用于信号与信息处理领域只有2 0 年左 右的历史。旋转机械设备由于对称或近似对称的物理结构和周期性的工作运动 模式，使测取到的振动信号具有周期时变特征，这些周期时变信息和旋转机械 工作状况有直接的联系。传统的分析和处理方法往往忽略了这些重要信息，而 循环平稳信号处理方法反映的正是这些周期时变特征，很适合作为这类信号的 分析手段。循环统计量理论的引入使机械设备故障诊断领域内增添了一个强有 力的分析与处理工具，有助于推动本学科向着现代化诊断技术的发展方向又跨 上一个新的台阶。 同步平均技术是旋转机械状态监测和故障诊断中的常用方法。它能够消除随 机噪声的干扰，提高信噪比，从而使得信号特征得以显现【9 1 5 j 。这一方法假设 感兴趣的信号具有严格的周期性，假定环境噪声平稳随机，利用键相信号对信 号进行同步平均，从而削弱噪声，提高信噪比。早在几十年前，“同步平均”的 术语就已经提出p 叫引，并且在实际应用中取得了较好的效果。但是，当人们从 循环平稳的角度重新审视这一方法时，发现同步平均技术之所以能够有效提取 信号的特征，正是由于其理论根源来自一阶循环平稳【1 6 ，i 丌。环境噪声具有宽频、 随机的特点，将会一定程度上掩盖感兴趣的频率成分，特别当环境噪声较强时， 相对较弱的特征频率就会完全淹没在噪声当中，从时域角度则观察到呈现随机 特性的振动信号。假定环境噪声是零均值的加性噪声干扰，如果能够对这一随 机过程的多次样本进行集总平均，其均值将不包括这一加性随机噪声，而仅得 到感兴趣的周期信号。换言之，该随机过程的均值是周期的，从而该随机过程 一阶循环平稳。信号同步平均的结果是利用一次样本实现得到的一阶循环矩的 估计，在一定的估计精度下，能够有效削弱噪声和干扰。 1 2 2 气缸压力识别研究现状 1 ) 利用曲轴瞬时转速的识别方法 这种方法基于测量柴油机瞬时曲轴角速度并把它转化为作用在活塞上的力 矩，该方法在上个世纪8 0 年代已经得到了证明，但是需要指出的是它仅仅只能 武汉理j i ：大学硕十学位论文 恢复一个窄带低频压力线，特别是在曲轴的一阶自然( 固有) 频率以下的那一 段。即使这个频率范围内的曲线足够检测出大部分的故障，例如失火和敲击， 但对于精确的检测那些影响柴油机燃烧的故障还远远不够。这种方法在一定程 度上依赖于内燃机动力模型的建立，因而识别存在一定的误差。 华中理工大学的刘世元进行了瞬时转速波动信号识别气缸压力的研烈1 8 】，柴 油机瞬时转速波动信号的获取比较方便可靠，基本方法是把柴油机看作一个动 力学系统，其系统输入是气缸压力，系统输出是曲轴回转角速度，利用瞬时角 速度求解各缸气体压力，实际上是一个载荷识别问题，其中要解决的关键技术 在于动力学模型的建立及其快速求解方法。 2 ) 利用缸盖振动响应的识别方法 对于气缸压力的振动识别方法主要有以下几种：( 1 ) 模态分析法【1 9 1 ( 2 ) 时间 序列、法【2 0 2 1 1 ( 3 ) 神经网络识别方法【2 2 。2 7 1 ( 4 ) 倒频谱方法【2 8 1 ( 5 ) 传递函数、法【2 卅( 6 ) 局 域波方法【蚓( 7 ) 循环平稳信号处理方法【3 3 2 1 。 上世纪8 0 年代初期l y o n 用倒谱解卷积的方法成功的恢复出了气缸压力信 号，这种方法比经典维纳滤波的处理方法更加优越，最主要的原因是倒谱解卷 方法关于传递函数估计的方差和误差的内在准确性p 引。文献【3 4 】介绍的方法可 以获得很光滑的时域波形或者可以建立一个非常好的非线性模型、或者时变结 构参数模型。文献【3 5 】研究了气缸压力识别的传递函数方法，对压力信号和振 动响应信号做恰当的滤波处理后，分别做傅立叶变换求出它们的频谱，再求系 统的传递函数，根据传递函数重构气缸压力。文献 3 6 分析了压力重构的倒频 谱方法，用测得的柴油机振动响应信号识别气缸压力，先求出缸盖振动响应的 倒频谱，再求出气缸压力信号的倒频谱，再进行傅立叶变换和指数运算求出压 力的频谱，最后进行傅立叶逆变换即得重构的压力信号。文献 3 7 ，3 s 研究了气 缸压力识别的神经网络方法，把缸盖系统看作为一个非线性系统，利用神经网 络的自适应性、自组织能力建立柴油机缸盖振动信号和压力信号的非线性映射 关系，进行压力识别。文献 3 9 ，4 0 ，4 1 在前人的基础上，分别综合用传递函数法， 倒频谱法，神经网络法等方法进行了气缸内压力反演的研究，综合比较了各种 方法的优劣，也得到了较好的重构结果。文献 4 2 以4 1 2 0 s g 型柴油机为研究对 象，分析了缸盖系统激励源信号和振动响应信号的特性，将缸盖系统简化为一 个多输入单输出的线性系统，测量了柴油机的瞬时转速、上止点、气缸压力和 缸盖表面振动响应等信号，设计了有限冲击响应低通滤波器对振动信号滤波对 武汉理t 大学硕十学位论文 压力信号进行平滑处理，利用倒频谱的传递函数方法确定系统的传递函数模型， 并进行了气缸压力的反演。 在利用缸盖振动信号识别气缸压力的研究中，前人已经取得了一些成就。但 是，一方面，文献 1 9 - - 一3 0 所采用的识别方法都是基于振动信号和压力信号都 为平稳信号的理论假设，采用常规的平稳信号的信号处理方法，建立缸盖系统 传递函数模型，忽略了振动信号和压力信号的循环平稳特性，这样做势必会导 致识别精度不高的后果。如果从循环平稳的假设出发，在循环平稳理论框架内 分析柴油机运行状况，从其物理本质入手研究其循环平稳机理，柴油机的振动 特征将更加真实，建立的传递函数将更加准确。另一方面，前人仅用了传统的 低通滤波器，滑动平滑等方法消除噪声，这是远远不够的，还需要其他的滤波 方法，如自适应滤波、维纳滤波等，以尽量减少其他随机激励和噪声的干扰， 使建立传递函数模型的自适应性更加稳定。 1 3 本文的研究内容 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 以4 1 3 5 型四冲程非增压柴油机作为试验对象，搭建测试平台，测量柴 油机缸盖表面振动响应信号和气缸压力信号，并对测得的信号进行预处理； ( 2 ) 分析缸盖振动信号的特性及其激励源的特性，引入循环平稳理论，建 立振动信号的循环平稳模型； ( 3 ) 运用同步平均技术，去除振动信号和压力信号中的随机噪声和干扰， 进而训练r b f 神经网络，建立振动响应信号和压力信号的映射关系，再利用训 练好的神经网络对气缸压力进行识别，分析这种网络的识别精度以及它对柴油 机工况的适应性，并寻找影响识别精度的各种因素； ( 4 ) 分析柴油机的缸盖系统特性；先对采集得到的柴油机振动响应信号进 行低通滤波，滤掉高频噪声和干扰；再采用自适应对消处理方法，消除非爆发 段干扰和噪声信号，突出爆发段振动信号，最终求出振动信号和压力信号的传 递函数，识别气缸压力；并寻找影响识别精度的各种因素。 4 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章缸盖振动响应信号特性分析 柴油机由活塞、连杆、曲柄轴等组成的活塞曲柄机构，在高速周期性运动时 产生的惯性力及气缸内的气体压力的周期性变化，构成机器内的激励源，在气 缸盖表面和机身都会产生振动响应。只有在深入理解振动信号的特性及其激励 源的特性的前提下，才有可能成功实现利用振动信号识别柴油机气缸压力。 利用振动信号识别气缸压力的方法研究的关键在于建立激励源和振动响应 之间的相互依赖关系，而建立它们之间正确关系的基础是激励产生条件、影响 因素和各个激励源的特性，也就是说必须从根本上了解振动的根源及动力学特 性。 2 1 主要激励源及时序分析 2 1 1 燃烧激励源 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，这是气体力和活塞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。燃烧压力和由它引起的振动响应的频率特性 相差很大，通过功率谱分析发现燃烧压力的能量主要集中在1 0 0 0 h z 以下，而 它的响应的主要频率范围是6 0 - - - 5 0 0 0 h z ，其中低频段( 3 0 0 h z 以下) 反映了气 缸内最高燃烧压力的大小，压力越高，低频段分量越大。中频段( 3 0 0 - - 2 0 0 0h z ) 反映了燃油急速燃烧期最大压力的升高率，压力升高率越大，中频段成分越丰 富。高频段( 2 0 0 0 h z 以上) 反映了燃烧压力上升的加速度最大值川】。另外，急 速燃烧期间缸内气体的高频振荡主要是由柴油机气缸内的着火点处形成的局部 高压，向四周传播冲击波，并在缸内完成多次来回反射造成的。燃烧压力振荡 是柴油机燃烧过程的综合反映，它的强度与燃烧的压力升高率、压力升高加速 度、最高燃烧压力以及三者出现的曲轴转角等因素有关，而高频振荡的频率仅 5 武汉理j 上：人学硕+ 学位论文 决定于燃烧系统的固有频率特征，即燃烧室的形状、尺寸以及影响缸内压力波 传播速度的因素，柴油机的转速、负荷及喷油定时等只影响气缸压力级的数值， 不影响振荡频率。 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涵丰富的特征信息，是缸内燃 烧过程的直接反映，在柴油机振动信号分析中受到广泛关注。基于爆发阶段的 振动信号可以用于诊断燃油系统、燃烧室系统和活塞环等的故障：采用爆发阶段 振动信号进行柴油机缸内压力恢复也是另一主要用途。 2 1 2 排气门节流冲击 排气门打开瞬间，高温高压气体通过气门与气门座之间的间隙，形成狭缝喷 流的状态。狭缝喷流特性的研究表明，它与白噪声信号频谱特性基本相同。故 排气节流对系统造成的冲击是一个频率范围很宽的准白噪声激励力。由于气门 密封磨损，积炭或翘曲变形而造成气门漏气时，高频域内的振动能量明显增加， 这部分能量来自于高温燃气通过狭缝流出产生的脉冲激励力在缸盖的振动响 应，脉冲激励力的大小与漏气狭缝的面积、气缸内气体压力和温度有关，振动 响应的频带范围和气缸盖的结构有关j 。 2 1 3 气门落座冲击 在进排气凸轮的推动作用下，配气机构的顶杆驱动摇臂使气阀定时开启，系 统换气完毕后，弹簧的弹性恢复力使气阀关闭，从而形成对缸盖系统的冲击。 为保证所有工况下都能关紧，在气门和摇臂之间留有一定的间隙，称为气门间 隙。研究表明，进气门和排气门落座产生的振动响应很相似，都为高频响应。 随着气门间隙的增大，进气阀开启时刻滞后，落座速度变大，缸盖振动急剧增 加，而增加的主要是高频成分。 2 1 4 活塞敲击激励 由于活塞的工作温度变化很大，运动速度也很高，不可能把它与活塞的配合 间隙做的很小，加上连杆偏摆的影响，导致活塞在上、下止点附近，从靠紧气 缸- - t 贝l l 转变到另一侧时，对气缸产生强烈的敲击作用。随着缸套活塞间磨损程 6 武汉理：i = 大学硕十学何论文 度的增加，反映到表面振动信号上的撞击信息会趋于明显。撞击为瞬时突变载 荷，具有很宽的频谱，但一般情况下只在缸体固有频率附近激起振动。然而， 随着磨损程度的加剧，它也能不同程度的激起柴油机众多零部件的固有频率及 倍频，使响应信号能量逐步向整个分析频带内扩展。研究表明这种活塞敲击激 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。 2 1 5 主要激励的时序分析 如上文所述，柴油机工作过程中，气缸盖表面的振动主要是由缸内气体压力 冲击和进排气阀撞击所引起的，利用柴油机缸盖表面振动信号识别气缸压力信 号，首先要对测得的振动信号进行分离识别，确定由气缸压力激励所引起的振 动响应。 发火 下止点上止点下止点上止点下止点 第四缸毒= 呈童二= 掣= ：= = - 茎! 二= 础墨= 二_ i 1 $ 1 1 开： n i l ：棒闭 , 譬o k 火 上止点下止点上止点下止点上止点 第二缸；垦! = = 垦塑。= | = 垡垡i ；= 苎墨： 避开捧闭：选用 棒开： 避开捧嘲 发火 下止点上止点下止点上止点下止点 第一缸_ = = 二堡皇二：= = 兰竺l = ：= 二兰塑曼一= = = = l 丝堕二 进开捧用遗团捧开 发火 发火 上止点 下止点上止点下止点 上止点 - 做功卜捧气巾吸气巾压缩呻 第三缸。 + + 一 摊开 避开t l f f , l l 进两 图2 - 14 1 3 5 型柴油缸盖振动激励力时序图 根据柴油机的发火顺序和正时关系，可以给出4 1 3 5 柴油机缸盖振动激励力 的时序图，如图2 1 所示。理论上，各激励力之间有严格的时序关系，但实际 上，实际激励力的时序不如图2 1 中那样理划3 1 1 。这些激励力给柴油机机体的 冲击响应大约持续几毫秒，如果柴油机转速为1 5 0 0 r m i n ，这几毫秒对应l o o 以 7 武汉理j i ：人学硕士学位论文 上的曲柄转角，因此时序上很近的激励力响应信号在这段时间内发生重叠是不 可避免的，特别是在上止点附近，缸盖受喷油过程、活塞敲击、燃烧压力和气 阀敲击作用而引起的冲击响应会发生重叠。因此，分析柴油机振动信号的难点 在于从重叠的振动响应信号中分离出与各激励力对应的振动响应信号。 2 2 振动信号的循环平稳模型 2 2 1 循环平稳信号 如果非平稳信号a ( t ) 的统计量呈周期或多周期( 各个周期不能通约) 平稳 变化，则称该随机信号为循环平稳信号。根据呈现周期性的统计特征的不同， 循环平稳随机过程可以分为一阶、二阶和高阶循环平稳过程n 引。 ( 1 ) 一阶循环平稳过程： 如果随机过程a ( t ) 的一阶矩( 均值函数) 满足 m a ( t ) 2 ma ( t + t ) ( 2 一1 ) 则称a ( t ) 一阶循环平稳。 ( 2 ) 二阶循环平稳过程 如果随机过程a ( t ) 的二阶矩( 自相关函数) 满足 r ( t ，t ) = r ( t + t + ，t + t ) ( 2 2 ) 二二 则称a ( t ) 二阶循环平稳。 ( 3 ) 高阶循环平稳过程 如果随机过程a ( t ) 的k ( k 3 ) 阶矩m k a ( t ，t 。，t 2 ，气。) 满足 m k a ( t , x l ，t 2 ，t k 1 ) 2 mk a ( t + t ，t i ，t 2 ，t k 1 ) ( 2 - 3 ) 则称a ( t ) 高阶循环平稳。 循环平稳信号具有以下特点： 1 ) 其统计特性随时间变化，因而它可以反映信号的非平稳性； 2 ) 其统计特性随时间的周期改变，因而它又是基于客观实际而非平稳信号 描述的一种合理简化； 循环平稳信号处理的特色在于：方面反映了信号统计量随时间的变化， 弥补了平稳信号处理的不足；另一方面，认为信号统计量周期变化，简化了一 武汉理t 大学硕十学位论文 般的非平稳信号处理。因而它是介于平稳、非平稳信号处理之间的一种解决方 案，能比平稳信号处理得到更满意的结果，又比非平稳信号处理更简洁。 2 2 2 振动信号的循环平稳特性 柴油机是一种典型的往复机械，它的运转方式决定了其振动信号必然具有 周期性的特征，实际的工作环境又决定了信号必然存在随机性的特剧引j 。柴油 机稳定运转时，同一工况下不同循环间振动信号的波动变化特性表现在作用时 间、频率成分和振动强度方面，分别称为时间波动性、频率波动性和强度波动 性。时间波动性主要体现同一工况时喷油始点、燃烧始点和着火落后期等的不 同造成的振动响应信号波形差异。时间波动性的存在导致各个激励力的作用时 刻和大小发生变化，因此振动响应的频率成分和强度也相应的发生变化。 由于这种波动特性的存在，稳定工况的振动信号的统计特性随时间变化， 而且这种变化呈现出一定的周期性，即振动信号具有循环平稳特性。 2 2 3 振动信号的统计学模型 假如a ( t ) 表示被观测的振动随机过程，q ( t ) 表示a ( t ) 的周期性成分，s ( t ) 表示a ( t ) 的非周期性成分，n ( t ) 表示背景噪声，基于物理观测，提出振动信号 的统计学模型： a ( t ) = q ( t ) + s ( t ) + n ( t ) ( 2 4 ) 且 e a ( t ) ) = q ( t ) ( 2 5 ) e 表示集总平均；假设柴油机工作循环的周期为t ，那么，q ( t ) 具有一阶 循环平稳性： q ( t ) = e q ( t ) 刊t - 叮) ( 2 6 ) 9 武汉理丁大学硕十学位论文 m 以 “a 、，卜扎， 岬十+ 叶- ”扣m ) h 一 。一一i 一一k ，、 ，归。，、州k 山叶，、。 l ， ，、 、，、舢n t ) 一_ ， a t ) = t l ( t ) + s t ) + n ( t ) 图2 2 振动信号的统计学模型 2 3 振动信号的采样方式 2 3 1 柴油机转速的波动性 柴油机在稳定工况下运转时，虽然其平均转速是不变的，但其瞬时转速却 是变化的，即在柴油机的每一转中，转速也是波动的【矧。如图2 3 所示，在转 速为1 2 0 0 r m i n ，零负荷工况下，曲轴瞬时转速曲线有明显的波动。 图2 - 3 柴油机转速的波动性 l o 武汉理一r = 大学硕十学位论文 2 3 2 等曲柄转角采样 一方面，由于柴油机转速具有波动性，柴油机的每个工作循环的周期t 也 随时问呈现周期性变化，因此在前文建立的振动信号统计学模型中，工作循环 周期t 应该用其集总平均e t l 来代替，这给数据处理带来困难；另一方面，在 每个工作循环中，每个激励力产生的振动信号与一段曲柄转角对应，曲柄转角 能很好的显示出这种对应关系。鉴于以上两方面，本文的信号采样方式为等曲 柄转角采样，而不是等时间采样。 利用安装在曲轴一端的角标器发出的脉冲信号作为采集系统的外部时钟， 可以实现等曲柄转角采样。这种采样方式跟等时间采样比较，其最大优点是使 每个工作循环的采样点数保持恒定，采样点数不随柴油机转速波动而改变，这 也为后续的循环平稳信号的同步平均处理提供了前提条件。 2 3 3 数据采集原理 因为信号采样方式为等曲柄转角采样，所以振动信号的统计学模型的表达 式( 2 - 4 ) 可以表示为角度形式： a ( e ) = q ( e ) + s ( 0 ) + n ( 0 ) ( 2 - 7 ) 即用角度变量0 替代原来的时白j 变量t ，用角度周期o 替代原来的时间周 期t ，对于四冲程柴油机， = 4 。连续信号a ( 0 ) 在采样过程中实现了离散化， 式( 2 - 7 ) 变成： a 【n 】- q n 】+ s 【n 】+ n 【1 1 】 ( 2 8 ) 若设相邻的两个采样点之间角度间隔为0e ，那么x e n 表示a ( 0 ) 在角度 0 = n o 。时刻的角度采样形式；若设每个工作循环的采样点数为n ，那么o = n o 。 武汉理1 ：大学硕十学位论文 爿( ，) 时间到角度的映射 之乡 l l彳( 秒) i i l离散 i 之乡 川川 图2 4 数据采集原理图 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章柴油机测试实验研究 本章着重介绍柴油机测试系统的组成、测试结果以及对原始数据的预处理方 法，为后续研究气缸压力识别方法提供可信的振动信号和压力信号数据。 3 1 测试系统 测试系统结构如图3 1 所示，测试系统由振动加速度传感器，气缸压力传感 器，角标器，电荷放大器以及数据采集系统组成。 图3 - 1 测试系统结构图 实验对象为4 1 3 5 型四冲程非增压柴油机，用振动加速度传感器拾取第4 缸 的气缸盖上的振动响应信号，同时用压力传感器测量第4 缸的气缸压力信号， 用安装在曲轴自由端的角标器控制缸盖振动信号和压力信号的采样，即曲轴每 转3 6 0 度，角标器发出1 8 0 0 个电脉冲，因此采样频率随着柴油机转速的变化而 武汉理t 大学硕十学位论文 变化，采用美国n i 公司开发的l a b v i e w 软件编写数据采集程序，采集实验数据。 柴油机每工作循环的采样点数为3 6 0 0 ，每段数据的记录点数设定为8 0 0 0 0 。 3 1 1 试验机型 试验是在上海柴油机厂生产的4 1 3 5 型直喷非增压柴油机试验台架上进行 的，4 1 3 5 型是直列式4 缸水冷中高速柴油机，浅u 型直喷式燃烧室，相邻两缸 共用一个气缸盖，两气阀结构，该机型的基本结构参数如表3 - 1 所示： 表3 14 13 5 型柴油机基本结构参数 名称参数名称参数 型号 4 1 3 5发火顺序1 - 3 - 4 - 2 冲程数 4增压方式非增压 缸径 1 3 5 m m额定转速 1 5 0 0 r m i n 行程 1 4 0 m m喷油提前角上止点6 i 2 8 a 压缩比 1 6 5额定功率5 6 k w 3 1 2 测试仪器 试验中用到的测试仪器如表3 - 2 所示： 表3 2 测试仪器列表 仪器名称型号生产厂家 压力传感器 s y c - 0 3 b 上海内燃机研究所 电荷放大器 w d f l上海内燃机研究所 角标器 y g m南京中科天文编码器公司 振动加速度传感器 4 3 8 4 vb & k 公司( 丹麦) 电荷放大器 2 6 9 2 b & k 公司( 丹麦) 数据采集卡 p x l 6 0 9 0 美国国家仪器公司( n i ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 31 3 仪器性能 1 ) 振动传感器 振动传感器外形如图3 - 2 所示，主要性能指标如表3 - 3 所示。 图3 - 2 腿k 加速度传感器 表3 - 3 加速度传感器的主要性能指标 序号参数参数值 l频率范围( l0 9 6 )1 2 6 k h z 2灵敏度 1 0 0 m v g 3安装共振频率4 2k l t z 4测量范围 6 0 0 0 9 2 ) 压力传感器 压力传感器外形如图3 - 3 所示，该传感器具有精度高、动态响应好、性能 稳定、体积小和重量轻等特点，各项指标与瑞士k i s t l e r 公司和奥地利a v l 公 司的产品接近。其主要性能指标如表3 叫所示。 圆e 图3 - 3s y c 一0 3 b 型压力传感器 曩习一嚣 r辩黢扩#i。一 武汉理：r 大学硕十学位论文 表3 - 4 压力传感器的主要性能指标 序号参数参数值 1量程6 0 0 m p a 2灵敏度lo o m v b a r 3 固有频率 1 0 0 2 0 0 k h z 4非线性i f s 3 ) 数据采集卡 数据采集卡选用的是美国国家仪器公司( n i ) 开发的p x l 6 0 9 0 型采集卡，其 特点是：各通道之间的干扰小、同步采集性好。它具有1 2 位精度，1 2 5 m h z 的 采样率，完全满足测试的同步性及采样带宽的要求。 3 1 4 试验工况 整个测试试验包括1 5 种工况，如表3 - 5 所示： 表3 5 转速负荷表 负荷 02 5 5 0 7 5 1 0 0 转速 功率1 0 0 0 ( k w ) o1 3 52 7 4 0 55 4 r r a i n 功率1 2 0 0 ( k w ) 01 6 53 34 9 56 6 r m i n 功率 0 1 9 23 85 77 6 1 5 0 0 ( k w )r m i n 3 1 5 测点布置 缸盖振动测点如图3 - 5 所示，所有振动传感器均安装在第4 缸缸盖上。为 了使测得的振动信号尽量反映气缸压力的作用，减小其它因素的干扰，把加速 度传感器安装在测点3 ( 气缸盖的正上方) 拾取垂向振动信号，因为气缸压力作 用于缸盖的是垂向激励，而活塞横向敲击缸套引起的振动主要是横向振动，这 样可避免活塞撞击缸套的影响。另外，考虑到缸盖几何形状的非对称性，设置 测点4 ( 离气门较远) ，可以减小气门冲击产生的干扰。 1 6 武汉理l ：人学硕士学位论文 图3 - 5 缸盖振动测点布置图 图3 - 6 测压通道和角标器 气缸压力测点如图3 - 6 ( a ) 所示，在该柴油机的机身上设有测压通道，用来 测量第四缸缸内压力。 武汉理工人学硕士学位论文 如图3 - 6 ( b ) 所示，用光电编码器作为角标器。光电编码器用铬圆光栅作分 度元件，带有1 8 0 0 线明暗相间刻度的可旋编码盘，在编码盘的两侧设有相对的 红外发光与接收元件，当编码盘与内燃机曲轴一起旋转时，接收系统感应到编 码盘上编码刻度产生的光信号脉冲，通过光电转换将轴旋转角位移转换成电脉 冲信号，最后由比较放大与功率驱动电路变为t t l 方波脉冲，数据采集系统据 此信号在方波的下降沿触发，完成一次数据采集。另外，为了确定曲轴转角的 基准点，角标器还输出一个零位脉冲信号，以便与柴油机的上止点相对应。 数据采集系统和采集界面如图3 - 7 所示，采集系统配置的采集卡具有1 2 位精度，1 2 5 州z 的采样率，完全满足测试的同步性及采样带宽的要求，采用 美国n i 公司开发的虚拟仪器软件l a b v i e w 编写数据采集程序。l a b v i e w 最大的 优势在于两个方面：一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构和硬 件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快，效率高：另一方面 l a b v i e w 针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务，提供了丰富 完善的功能图标，用户只需直接调用，免去了自己编写程序的繁琐 萼粤早舅- - _ _ 趋 一 -+ 图3 7 数据采集系统和采集界面 武汉理jr = 大学硕士学位论文 3 2 试验