（车辆工程专业论文）内燃机故障诊断数据采集与处理系统开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 内燃机作为移动式和固定式动力装置，在工农业生产和人民生活中所起的 作用越来越大，由于其工作条件比较恶劣，发生故障的可能性也较大，而且其 发生故障后，将会影响整个机械系统的正常运转，直接或间接地造成巨大的损 失。因此保证内燃机可靠工作是非常重要的。由于内燃机复杂的结构、强烈的 冲击干扰、以及工作的非平稳性等工作特点，成为影响因素最复杂、故障诊断 最困难的设备之一。其信噪分离、数据处理及诊断准则自适应性等方面难度较 大，必须用专门的数据处理软件进行分析。因此，本文在前期研究的基础上， 以内燃机故障诊断为目标，开发了一套适用于非平稳信号、具有现代联合时频 分析功能的数据采集与处理系统。 内燃机所产生的信号是典型的非平稳时变信号，本文所开发的针对非平稳 信号的处理系统由信号采集与信号处理两部分组成。信号采集系统的主体部分 为两款型号不同的数据采集卡，型号分别为u s b 2 0 8 0 和u d a q 2 0 6 1 2 。这两款采 集卡均为外购硬件，u s b 2 0 8 0 采集卡的数据采集程序由作者编制并集成到系统 中，u d a 0 2 0 6 1 2 采集卡的采集程序由供应商提供，但为保证数据格式的一致， 作者编制数据转化程序并集成到系统中，并实现系统调用其采集功能。信号处 理系统主要包括传统傅立叶分析、功率谱分析、滤波功能及针对非平稳信号的 短时傅立叶变换、小波分析等现代联合时频分析功能。系统采用b o r l a n dc + + b u i l d e r 与m a t l a b 实现人机界面的设计原则与方法，并应用软件编程、开发了 图文并茂、外形美观的人机交互界面。 由于本论文所用数据为西南交通大学秦萍教授等人以前采集的s 1 9 5 - 2 柴 油机主滑动轴承声发射试验数据，为验证本文开发的信号采集程序的正确性， 本文使用该信号采集程序对列车进出火车站轮轨冲击所产生的非平稳振动噪声 信号进行了实地数据采样与分析，通过对不同样本长度信号( 如短样本长度的 冲击振动噪声和长样本长度的噪声普查数据) 的分析，验证了本文所开发采集 系统的正确性与实用性。另外利用本文开发的数据处理程序对s 1 9 5 2 柴油机主 滑动轴承的声发射试验数据进行了分析处理及故障诊断，结果表明，本文所开 发的系统较好的诊断出s 1 9 5 - 2 柴油机主滑动轴承磨损故障发生、发展的连续完 整过程的特征，从而验证本信号处理系统的正确性和实用性。 关键词：内燃机；非平稳信号；信号处理；声发射；故障诊断 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sa st h et r a v e l l i n go rs t a t i o n a r yd e v i c e sh a dt h e g r e a te f f e c to ni n d u s t r yp r o d u c t i o na n dh u m a ns o c i e t y b e c a u s ei tw o r k e di nt h ef o u l o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ep o s s i b i l i t yo fb r e a k d o w nw a sv e r yh i g h i ft 1 1 ef a u l t d e v e l o p e d i tw o u l dg i v eas e r i o u si m p a c to nt h ew h o l em e c h a n i c a ls y s t e ma n db r i n g t h eh u g ed a m a g ed i r e c t l ya n di n d i r e c t l y s oi tw a sv e r yi m p o r t a n tt oe n s u r et h ei c e n g i n e si nag o o do p e r a t i o nc o n d i t i o n b e c a u s eo fi t sc o m p l i c a t e dc o n f i g u r a t i o n , h i 曲i m p a c t i v ei n t e r f e r e n c ea n dn o n - s t a t i o n a r yo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，i c e n d n e s w e r eo n eo ft h em o s td i f f i c u l td i a g n o s i sd e v i c e s a l s ob e c a u s et h es i g n a l n o i s e s e p a r a t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n dt h ea d a p t a b i l i t yo fd i a g n o s i sc r i t e r i o nh a dc r i t i c a l r e q u i r e m e n t t h es i g n a lo fi c e n g i n e ss h o u l db ep r o c e s s e db ys p e c i a ls o f t w a r e b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h ，t h i st h e s i sd e v e l o p e dad a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e mw h i c hs u i t e df o rn o n - s t a t i o n a r ys i g n a la n dh a dt h et i m e f r e q u e n c yj o i n t a n a l y s i sf u n c t i o n t h es i g n a lg e n e r a t e db yi c e n g i n e sw a st y p i c a ln o n - s t a t i o n a r ys i g n a l t h e s y s t e m t h a t d e v e l o p e d f o rn o n s t a t i o n a r y s i g n a li n c l u d e dt w op a r t s s i g n a l a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m t h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mi n v o l v e dt w ok i n d s o fa dc o n v e r t e r t y p eu s b 2 0 8 0a n dt y p eu d a q 2 0 612 t h e s et w ok i n d so fa d c o n v e r t e rw e r ep u r c h a s e df r o mt h em a r k e t t h ea c q u i s i t i o np r o g r a m m eo fu s b 2 0 8 0 w a sp r o g r a m m e db ya u t h o r , t h ea c q u i s i t i o np r o g r a m m eo fu d a q 2 0 612w a s p r o v i d e db ys u p p l i e r c o n s i d e r i n gt h ed a t af o r m a to fu d a q 2 0 61 2 t h ed a t a t r a n s f o f i np r o g r a m m ew a sp r o g r a m m e db ya u t h o ra n dh a db e e ni n t e g r a t e di n t o w h o l es y s t e m t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mh a dm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sf f t a n a l y s i sf u n c t i o n ，p s da n a l y s i sf u n c t i o na n df i l t e r i n gf u n c t i o n f o rn o n - s t a t i o n a r y s i g n a l ，t h es t 】盯a n a l y s i sf u n c t i o n ，c 、wa n dd w ta n a l y s i sf u n c t i o nc o u l db e u t i l i z e dt oa n a l y z e t h es y s t e mw a sc o m p i l e di nb o r l a n dc + + b u i l d e r , m a t l a ba n d a c h i e y e dt h ed e s i g n i n gp r i n c i p l ea n dm e t h o do fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e t h e i n t e r f a c ed e s i g n e df o rs y s t e mw a sp o w e r f u l b e a u t i f u la n du s e f r i e n d l y f o rv a l i d a t i n gt h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，t h ea e d a t ao fp l a i nb e a r i n gi n s19 5 2d i e s e lc o m b u s t i o ne n g i n et h a tf r o mp r o f e s s o rq i n p i n go fs o u t h w e s tj i a o t o n g u n i v e r s i t yh a db e e nu s e dt op r o v et h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mf u n c t i o n f o rt e s t i n g t h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m t h e 加c o n v e r t e ra n dt h es o f t w a r eh a db e e na p p l i e d t os a m p l et h en o n s t a t i o n a r ys i g n a lo fr a i l w a ys t a t i o n b ys a m p l i n gt h ed i f f e r e n t l e n g t h s i g n a l ，s h o tl e n g t hs h o c kv i b r a t i o nd a t aa n dl o n gl e n g t hn o i s ed a t a , t h e s o f t w a r ea n dt h es i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mh a db e e np r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y a l s o ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mh a dp e r f e c t l yd i a g n o s e dt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 o c c u r r e n c ea n dd e v e l o p m e n tf a u l to fp l a i nb e a r i n gi ns19 5 2d i e s e lc o m b u s t i o n e n g i n e s ot h es i g n a la c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e mw a sc o n c l u d e dt ob e c r e d i b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：i c e n g i n e ；n o n s t a t i o n a r ys i g n a l ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；a c c o u s t i ce m i s s i o n ； f a u l td i a g n o s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：传劬、 指导老师签名： 日期：神孑。v 。7 e i 其i ： 蠹吾q - 2 神移留、12 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 随着现代化工业大生产的不断发展和科学技术的日益进步，人类在各个 科学技术领域都取得了巨大的成就，机械、航空、航天、土木、建筑、造船、 化工等领域的机械设备或工程结构都在向高速化、大型化、复杂化和智能化 的方向发展，同时机械设备和工程结构的工作环境也更加复杂。因此，机构 发生故障的潜在可能性和方式也在增加，并且一旦发生故障，就可能破坏整 个设备或结构甚至影响整个生产过程，造成巨大经济损失，还可能导致灾难 性的人员伤亡和社会影响。于是，如何确保机械设备的安全正常运行，就成 为现代设备运行维护和管理的一大课题。实践证明，坚持开展机械设备状态 检测，有效地实施故障诊断技术是保障机械设备安全正常运行的重要措施。 机械设备状态监测与故障诊断技术初步形成于2 0 世纪6 0 年代末，迅速 发展在7 0 - - 8 0 年代，集大成于8 0 - - - 9 0 年代，它是一项年轻的技术，是一门 既有基础理论，又有广泛实际应用背景的正在不断完善和发展的交叉型工程 应用性学科【1 1 。 美国是开展机械设备故障诊断技术研究最早的国家。早在1 9 6 7 年4 月 1 8 日，在美国国家宇航局( n a s a ) 的主导下，由美国海军研究室( o n r ) 主持召 开了美国“机械故障预防小组( m f p g 一州a c h i n e r yf a u l t sp r e d i c tg r o u p ) 成立大会。在英国，从总体上看其设备诊断技术的发展与美国有着密切的联 系，最初的研究工作和启蒙活动始于6 0 年代末至7 0 年代初，以科拉科特 ( r a c o l l a c o t t ) 为首的“英国机械保健中心( u k m e c h a n i c a lh e a l t h m o n i t o r i n gc e n t e r ) 率先开展研究工作，在宣传、培训、咨询制定规划、 故障分析以及诊断技术开发等方面取得了很好的成效。在欧洲其他一些国家， 设备诊断技术的研究也有不同程度的进展，在某些方面还具有特色或占据领 先地位，如瑞典s p m 的轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦b & k 的振 动、噪声分析和声发射技术，等等。在日本，相比之下如果说美国在航空、 核工业以及军事部门中其故障诊断技术占有领先地位的话，那么日本则在某 些民用工业，如钢铁、化工和铁路等部门发展迅速，占有一定的优势。日本 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 长期密切注视世界潮流的发展动向，积极引进消化最新技术，最终努力发展 自己的诊断技术，并且特别注意研制本国的诊断仪器。例如，三菱重工的白 木万博在旋转机械故障诊断方面开展了卓有成效的工作，该公司推出的“机 械保健系统( m a c h i n e r yh e a lt hm o n i t o r i n gs y s t e m ) 刀就是一套非常成功的 汽轮发电机组故障监测与诊断系统。在我国，从7 0 年代后期就展开了设备诊 断技术的研究和学习。1 9 7 9 年以前虽然有一些大专院校和科研单位结合教学 与科研做过一些工作，但直到1 9 7 9 年才真正着眼从维修体制改革的高度，从 探求寿命周期费用的经济上来系统、全面研究设备诊断技术。1 9 8 6 年，我国 正式成立了中国振动工程学会机械故障诊断分会。近几年，我国在设备诊断 软硬件系统的开发研制方面也取得了很大的进步，先后研制出了多种类型的 在线和离线( 巡检) 设备诊断系统【1 1 。 。 在内燃机故障诊断及其数据采集与处理方面，国外一直处于领先地位。 8 0 年代初至今国内许多部门先后从国外购置了各种内燃机数据采集和分析 系统，如奥地利a v l 公司、日本小野公司、比利时的l m s 公司、瑞士k is t l e r 公司、德国f e v 公司、美国p e i 公司等系列产品。这些产品的价格昂贵、再 开发能力较差、不能加入自己的软件、测量和分析数据只能在原设备中运行 且不能被外调输出。国内许多单位自行研制开发了各种内燃机数据采集分析 系统，或专项的测试分析诊断仪。如浙江大学利用单板微计算机开发的内燃 机示功图测量处理系统、大连海运学院的d m c l 2 柴油机测量分析系统、上海 内燃机研究所的e a s 8 0 0 内燃机燃烧分析系统、华中理工大学的g 1 2 0 8 发动机 分析仪、山东理工大学的d c a l 内燃机燃烧分析仪等。这些系统的硬件普遍 达不到国外设备的硬件水平，寿命和可靠性不高，软件只是针对各自所测的 特定信号进行分析，数据处理功能不完善，通用性不强，而且少有将现代联 合时频分析技术应用于数据处理系统中，因此在处理内燃机非平稳信号时有 一定局限性【2 ，3 】。 鉴于上述状况，本文拟开发一套以内燃机故障诊断为目标的数据采集与 处理系统，该信号处理系统既包括传统的傅立叶分析、功率谱分析、滤波等 功能，又有专门针对非平稳信号的短时傅立叶变换、小波分析等现代联合时 频分析功能。事实上，该系统不仅可用于内燃机故障诊断，也可以用于处理 其它工程信号，或在此基础上继续开发为其它专用软件。 1 1 2 内燃机故障诊断的意义 内燃机作为移动式和固定式动力装置，自1 8 7 6 年内燃机在德国问世以 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 来，经历了一个多世纪的不断发展与完善、高新技术的不断注入使其在性能、 经济性、可靠性、使用方便性、外形、质量等方面发生了显著的变化。随着 社会的发展，内燃机在工农业生产和人民生活中所起的作用越来越大，因此 内燃机的可靠性问题也日益受到人们的重视。内燃机的发展与车辆、船舶、 飞机、发电机组等工农业生产的需要和发展，特别是汽车的发展息息相关。 汽车的发展促进了内燃机的发展，反过来内燃机的发展又推动了汽车的发展。 纵观内燃机的发展史，之所以长盛不衰，具有活力的内在因素是其自身的技 术进步。 和一般机械设备相比，内燃机特有的燃烧爆发冲击和往复运动件的往复 惯性力，使其具有振源多、运动部件多、受力复杂等工作特点【4 】。因此，在 所有机械设备中，内燃机以其复杂的结构、强烈的冲击干扰、以及工作的非 平稳性等工作特点，成为影响因素最复杂、故障诊断最困难的设备之一。这 也正是本文选择内燃机信号处理和故障诊断为目标的原因。 其次，内燃机作为最常用的动力设备之一，在大多数情况下由于其工作 条件比较恶劣，发生故障的可能性也较大，而且其发生故障后，将会影响整 个机械系统的正常运转，直接或间接地造成巨大的损失。目前各企业一般都 采用有计划的是预防性维修制度，即“定期维修刀体制，其中相当一部分属 于过剩维修，而这会造成无谓的材料消耗和维修工作量、停产时间及维修费 用的浪费，还有可能因维修安排不当而引起的过失维修。因此，实行视情维 修可大大减少停机时间和维修工作量，从而可节约相当可观的维修费用，因 而具有重要的经济意义和社会价值p j 。 1 2 内燃机故障诊断的基本方法及声发射诊断技术 对内燃机进行状态监测与故障诊断的方法很多，下面简单介绍目前常用 的一些方法及一种较新的诊断方法声发射诊断法。 1 2 1 油液分析法 润滑油在内燃机中循环流动，润滑油品质的变化和所含杂质状况( 成分 和数量) 可以提示我们零部件磨损的部位、类型及程度。零部件磨损失效是 内燃机最常见的故障形式之一，油液监测技术通过采集内燃机润滑油样品， 分析其理化性能和携带的磨损微粒，可定性和定量地评价内燃机的磨损状态， 并预测其发展趋势。油液监测技术主要分为光谱分析法 6 , 7 1 、铁谱分析法1 8 9 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 和理化分析法【1 们。油液分析法虽是一种诊断内燃机磨损故障的有效方法，但 也存在一定的局限性。目前油液监测只能确定异常磨损零件的种类，而无法 指出故障摩擦副的具体部位。其检测效率较低，分析精度存在一定误差，并 且设备价格昂贵。 1 2 2 性能参数诊断法 利用性能参数( 热力参数) 对内燃机进行监测和故障诊断的方法已沿用了 几十年，在各种内燃机维修工作中起了很大的作用。其主要是利用发动机中 介质如空气、燃气、滑油、冷却液等其他一些机械参数来判断发动机部件或 整机的技术状况。内燃机的参数信号有许多，常用来进行故障诊断的参数有： 缸内气体压力、瞬时转速、轴功率、油管压力、燃油耗率、机油耗率、转速、 排气温度、排气压力、进气温度、进气压力、冷却水温等等。性能参数诊断 法虽经过了几十年的发展，但在实际应用中仍受到一定的限制。首先，内燃 机结构和性能复杂，要全面掌握整机和零部件的工作状态，需要测量大量参 数，整个监测系统较为复杂且价格昂贵。其次，性能参数变动的影响因素较 多，许多性能参数与内燃机整机和零部件工作状态之间的关系较为复杂，需 依据大量经验、实验积累和复杂的分析推理。 1 2 3 振动诊断法 内燃机作为一种往复式动力机械，具有振源多、运动部件多、工作复杂 等特点，而它在运转时必然会产生振动，这是由其结构特点和工作性质决定 的。其各种振动作为内燃机及其零部件受力响应，包含着与内燃机整机、系 统和零部件工作状况相关的大量信息。所以振动信号是反映机械设备内在受 力和运动关系极其有效的敏感参数。从上世纪八十年代开始，振动诊断法己 在活塞、进排气阀、喷油器、曲轴主轴承和连杆轴承等零部件故障诊断，以 及内燃机工作过程故障诊断等方面取得了较大的进展。具体可分为：( 1 ) 活 塞拉缸振动诊断；( 2 ) 进排气阀密封不严故障振动诊断：( 3 ) 喷油器压力不 足故障振动诊断；( 4 ) 曲轴主轴承及连杆轴承磨损故障振动诊断；( 5 ) 柴油 机工作过程故障振动诊断；此外，随着曲轴角振动测量方法和诊断机理研究 的不断发展( 主要诊断故障缸) ，曲轴角振动信号以其测量简便和信息丰富的 特点，得到了国内外广泛的重视，文献 1 1 ，1 2 1 对曲轴角振动诊断技术进行了 深入的研究。内燃机振动诊断虽在少数具体机型的某些单一故障诊断取得了 进展，但要作为一种通用且能诊断复杂故障的实用方法，还有存在一些难点。 首先，内燃机的结构复杂，型号众多，而共性不易归纳，所以适用于某型号 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 内燃机振动信号的分析参数，对另一型号的内燃机未必可行；对同一机型不 同的部位进行监测，即使故障类型相同，所测量的结果可能有很大差异。其 次，内燃机振动源多，传递路径复杂，系统故障既有“纵向性，又有“横向 性 ，而且，常会出现多个故障并存的现实。这样，对多故障同时进行准确的 诊断将是十分困难的问题【1 2 1 。 1 2 4 声发射诊断技术 1 2 4 1 声发射技术国内外现状 声发射作为一种检测技术起步于2 0 世纪5 0 年代的德国学者k a i s e r 开始 的声发射现象研究；2 0 世纪6 0 年代，该技术在美国原子能和宇航技术中迅 速兴起，美国通用动力公司首次将声发射技术应用于监控北极星导弹燃烧室 及固体火箭发送机壳体的结构完整评价【l3 】；2 0 世纪7 0 年代，声发射技术在 日本、欧洲及我国相继得到发展。7 0 年代后期，日本神户大学的岩田明和 森胁俊道首先把声发射技术用于刀具磨损的监测，开辟了声发射技术应用的 新领域【1 4 】；2 0 世纪8 0 年代，由于计算机和数字信号处理技术的迅速发展， 声发射技术引起许多发达国家的重视，在理论研究、试验研究和工业应用方 面做了大量的工作，取得了相当的进展。我国对声发射技术的应用研究始于 2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 8 年成立了中国无损检测学会，下设声发射专业委员会。 1 9 8 0 、1 9 8 3 和1 9 8 6 年召开过三次全国声发射学术会议。一些科研院所和高 等院校在声发射领域内针对不同的课题进行了许多重要的研究工作，如断裂 力学试验，金属、非金属材料及复合材料性能，压力容器完整性评价，磁声 发射，地震波，金属切削过程监测、泄漏检测及滚动轴承故障诊断等方面的 试验研究。 声发射技术在机械设备检测及故障诊断方面的应用大体可以分为两类： l 、管道及压力容器的破损及泄漏监测。对于长期工作在高温高压下的设备， 很容易因材料疲劳、腐蚀等产生裂纹。在裂纹形成、扩展直至破损之前的应 力集中阶段，金属内部的晶粒都将发生重新排列，产生微弱的声发射信号： 当金属应力集中达到一定程度时，材料破裂，同时释放大量应变能，因此产 生很大的声发射信号( 大约在毫伏级) ；此后，管内( 或容器内) 的高压流体 由裂缝处向外喷射，形成高速射流，高速流体对壁面产生激励作用和摩擦， 产生声发射波，此弹性波沿金属表面传播，遇到界面后发生反射和折射。根 据上述声发射信号的大小可判断是否有裂纹产生、是否有泄漏，以及泄漏程 度。2 、旋转和往复运动机械磨损故障诊断，由于运行过程中不平衡、不对中、 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 热弯曲等，会发生碰磨现象，此时金属内部晶格将发生滑移或重新排列，这 个过程中能量的变化以弹性波的形式释放出来，即产生了声发射信号。根据 上述过程中声发射信号的能量、幅值及其它特征参数可判断是否存在碰磨现 象，以及磨损的程度。 在声发射仪器方面，国外在全数字式声发射仪的研制上发展很快，典型 代表是美国p a c 公司的m i s t r a s 2 0 0 1 、数字波形公司( d w c ) 的f - 4 0 0 0 声发射 检测仪、和德国v a l l e n 公司的a m s y 4 等。我国在声发射仪器的研制和生产上 起步并不算太晚，已研制和生产了各种双通道、4 通道、8 通道和多通道( 3 2 通道) 声发射仪，基本上属于模拟声发射仪器的范畴，如沈阳计算机技术研究 院的a e 一0 4 声发射检测系统、长春试验机研究所的a e 一3 2 声发射缺陷定位分 析系统等。1 9 9 2 年开始，国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心在 国家“八五 攻关课题基金的支持下开始了声发射仪器的研制工作，经多年 努力，已研制出a e 9 5a t 型8 通道( 可扩充到3 2 通道) 声发射仪产品的样机【l 引。 可以实现：l 、分电路产生r m s ( 均方根电压值) ；2 、包络检波得到能量声发 射参数；3 、比较器产生上升时间、持续时间、到达时间、计数；4 、计算最 大峰值等。 1 2 4 2 声发射技术在内燃机故障诊断中的研究现状 目前，国外少有报道将声发射技术应用于内燃机故障诊断的研究。国内 少数学者先后提出将声发射技术应用于内燃机的故障诊断中，但大都处于初 步试验研究阶段。文献 1 6 】对发动机活塞与缸套间磨损过程的声发射信号进 行了研究，提出了活塞对缸套的横向撞击( 侧推力) 是产生a e 信号的主要 原因，且a e 信号时域和频域指标对磨损状态变化反应较敏感( 即使在早期 磨损阶段) ，不同的磨损状态与其产生的a e 信号有很好的对应，认为a e 指 标可以作为评价磨损程度和诊断磨损故障的标准。文献 1 7 】给出一种声发射 在柴油机故障检测诊断中应用的方法，采用自适应滤波、小波分析及神经网 络等现代新技术，寻找故障诊断的新方法。文献 1 8 】利用声发射信号分别对 静、动载荷滑动轴承的故障诊断进行了大量的研究，在系统分析、故障模拟、 诊断方法、信号处理等往复机械滑动轴承故障诊断中的一系列关键性问题进 行了积极的探索，并与振动诊断方法进行了比较。研究表明，对静载荷滑动 轴承，声发射方法和振动方法都可诊断故障，但声发射方法优于振动方法； 而对内燃机动载荷滑动轴承故障诊断，振动方法几乎不能奏效。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 内燃机信号的特点及数据处理方法 由于内燃机工作时产生复杂的多种激励，其中包括有急速燃烧期燃爆力 形成的宽带脉冲激励、往复惯性力激励、进排气门开启、关闭产生的激励、 以及其他各运动件之间在运动过程中撞击产生的激励。加之内燃机的循环波 动性，每个循环的信号并不完全相同，我们所测到的信号实际上是复杂的多 种激励混叠后，再经机器内各传递通道滤波以及对弹性波的消散和混响作用 后的非平稳时变信号。 不可否认，常用的传统f o u r i e r 分析方法在科学技术的许多领域发挥着十 分重要的作用。但是，由于f o u r i e r 分析使用的是一种全局频域的变换，因此 无法表述信号的时频局域性质，即无法获知某种频率分量发生在哪些时间内， 或者某段时间内的信号包含哪些频率，而这些信息对内燃机的非平稳时变信 号来说是非常重要的。f o u r i e r 分析的这些缺陷表明，非平稳时变信号的分析 和处理需要比f o u r i e r 变换更有效的方法。 在非平稳时变信号处理中，人们提出并发展了许多非平稳信号处理新技 术：如短时f o u r i e r 变换、小波分析等。小波变换在时域和频域都有很好的局 部性，具有空间局部化性质，其分辨率在时一频平面上是变化的，可以对信号 进行多尺度分析，既可分析信号的低频近似部分，又可分析信号的高频细节 部分，较之短时傅里叶变换有更大的柔性。因此，可利用小波变换这种“自 动变焦特性来分析信号的奇异性、奇异点位置及奇异度大小，对信号的刻 划更精细、可靠，可大大提高信号检测和分析的准确性。由于它的这种伸缩、 平移和放大功能，在时域和频域都有很好的局部性，可以对信号进行多尺度 分析，既可以看到信号的全部，又可以看到信号的细节，即“既可以看到森 林，又可以看到树木一，因而被誉为数学显微镜，在机械、雷达、声纳、移动 通信、医学、地震、语音、图象处理以及天文观测等领域的非平稳时变信号 处理中得到了广泛的应用。此外由于内燃机的工作激励强度大，所测得的信 号呈现强干扰、弱信号特征，信噪比很低，更增加了信噪分离的难度，对诊 断技术和诊断方法也提出了更高的要求，因此对内燃机故障诊断需要专门的 数据处理系统。 1 4 本文的研究目标及工作 综上所述，内燃机作为移动式和固定式动力装置，其应用非常广泛。一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 方面由于内燃机结构复杂、工作条件恶劣，故障发生率较高，一旦发生故障， 常常会导致整个生产系统的瘫痪，造成停工停产，甚至酿成事故，直接影响 生产的安全性和经济性，因此迫切需要对其进行状态监测和故障诊断；另一 方面由于内燃机强冲击信号的干扰，信噪比很低，而且信号为非平稳时变信 号，故障诊断难度较大，所以一直没有突破性进展。为了推动我国内燃机故 障诊断技术的发展，本文总结上述内燃机故障诊断方法及声发射技术的应用 经验，结合现代信号时频分析方法，开发出一个基于内燃机非平稳信号的信 号采集和信号处理系统。 基于此目标，本文主要研究工作如下： ( 1 ) 开发一套信号采集系统。此信号采集系统的主体部分为数据采集卡， 本论文采用了两款型号不同的采集卡，型号分别为u s b 2 0 8 0 和u d a q 2 0 6 1 2 。 这两款采集卡均为外购硬件，u s b 2 0 8 0 采集卡的数据采集程序由作者编制并 集成到系统中，u d a q 2 0 6 1 2 采集卡的采集程序由供应商提供，但为保证数据 格式的一致，作者编制数据转化程序并集成到系统中，通过系统调用其采集 功能。u s b 2 0 8 0 采集卡可应用于中、低频信号采集( 单通道最高采样频率为 2 0 0 k h z ) ，并可实时计算机硬盘海量存储。这一特点可满足长时间不中断信 号采集需求( 如内燃机噪声、振动信号长时间采集) 。u d a q 2 0 6 1 2 采集卡可 应用于中、高频信号采集( 单通道最高采样频率为2 0 m h z ) ，并可实现板载 大容量缓存( s d r a m ) ，然后再将数据下载至计算机硬盘。这一特点可满足高频 时变冲击类信号采集需求( 如内燃机声发射信号采集) 。 ( 2 ) 开发针对内燃机非平稳信号的数据处理系统。针对内燃机信号的强 干扰、弱信号、以及非平稳时变特征，利用现代时频分析方法小波分析 方法，开发出一个基于小波分析的信号分析处理系统。其中包括：信号预处 理、小波( 包) 消噪、小波( 包) 滤波、特征参数的提取和归一化处理、绘 图等内容。 ( 3 ) 将开发的信号采集系统应用于列车进出火车站时轮轨冲击振动噪声 信号的实地数据采样，并验证信号采集功能的正确性。将开发的非平稳信号 处理系统应用于内燃机滑动轴承故障诊断并验证数据处理功能的实用性与正 确性。利用文献 1 8 】的内燃机声发射信号实验数据，对其进行处理和分析， 通过与文献 1 8 】故障诊断结果的比较，验证本系统的正确性和对内燃机信号 降噪的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章故障诊断监测参数研究 如第1 章所述，内燃机故障诊断方法有多种，而各种诊断方法都必须提 取各自的参数进行分析、诊断。由于本文开发的是针对内燃机故障诊断的数 据采集与处理系统，所以本文将不对故障诊断的各种方法进行研究，而只对 本系统采集和处理的信号特征( 包括不同信号的组成成分及其各自特征、常 用的监测参数和特征参数等) 进行研究。本章将介绍我们研究较多的几个故 障诊断监测参数，如振动、噪声及声发射，由于本文第5 章的实验验证即利 用所开发的系统对声发射参数进行数据处理，所以重点对内燃机故障诊断中 较新的声发射参数进行介绍。 2 1 振动 内燃机的激振源较多，具体可分为如下几类： 1 、燃烧激振源 由内燃机燃烧冲击产生的以燃烧周期为基础的多谐波复杂激振力，频率 范围可从几赫兹到几千赫兹。 2 、不平衡惯性力、力矩激振源 一 内燃机内部机构件质量不平衡产生不平衡惯性力和惯性力矩，引起以内 燃机转速为基础的谐波振动。 。 3 、活塞敲击激振源 “ 气体力和往复惯性力的作用，使活塞会产生一个沿连杆轴线方向的分力 和一个垂直缸套中心线的侧向推力。而活塞和缸套间存在一定的间隙，活塞 侧向推力在上止点变换方向时就会引起活塞敲击缸套，激起缸套和气缸体的 振动。 4 、气门冲击激振源 内燃机工作循环中，气门在凸轮轴的作用下按照一定的时序开启，然后 依靠弹簧的弹性恢复力使其关闭。为保证气门能关紧，在气门杆和摇臂之间 一般都预留一定的气门间隙，气门关闭时必然会对阀座产生冲击，冲击会引 起缸盖或摇臂座产生振动。 5 、气门开起节流冲击 进排气门开启时，气流高速通过气门与气门座之间的空隙，形成狭缝喷 流，会对系统产生一个频率范围很宽的准白噪声激振力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 由前面分析可知，内燃机激振源多，激振频率宽，参与振动的零件众多， 因而振动的传播路径也复杂。当各种冲击载荷激振时，使相应的零部件以固 有频率和振型独立地或相互影响地进行复杂的瞬态振动，再沿各种路径传播 到机体或缸盖表面。主要有以下三种传播途径： 1 、燃烧所引起的气体力和进排气门落座冲击都直接作用在缸盖上，引起 振动并传播到缸盖外表面； 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、曲轴箱等零件传播； 3 、活塞敲击激发起缸套和气缸体的振动，进而传到整个机体上。 综上所述，各种主要激振源激发的振动最终都会传播到内燃机机体或缸 盖表面上，通过测取内燃机缸体或缸盖振动信号，从中提取机体内各部件的 状态信息并进行诊断是可行的。 对振动信号的处理可采用时域分析、频域分析、现代联合时频分析等手 段。目前国内外对内燃机振动信号的研究已有很岁1 9 之3 1 ，本文在此不再详细 介绍。 2 2 噪声 内燃机的噪声是由各部件或来自各部位的多种声源组合而成。按噪声源 的性质可分为三大类： 1 、气体动力噪声 气体动力噪声主要包括进、排气噪声和风扇噪声。进排气噪声主要来源 于气流在进、排气管中的压力脉动，以及高速气流经过进、排气门时所产生 的高频涡流扰动。风扇噪声随转速提高而显著增加，其高速运转时常成为附 件的主要噪声源。 2 、燃烧噪声 燃烧噪声的来源是气缸内气体压力剧烈变化产生冲击波所引起的高频振 动，通过缸套、缸盖、机体等结构件而传播n ； i - 界。 3 、机械噪声 机械噪声包括活塞敲击声、配气机构噪声、齿轮噪声等。活塞与缸套间 隙过大所引起的敲击往往是最强的机械噪声源。 同内燃机的振动，内燃机的噪声传播路径也十分复杂。燃烧噪声和机械 噪声主要是以振动的形式经过各结构部件传递到内燃机外表面，形成内燃机 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 表面的振动响应，表面振动又激发起空气质点的振动，形成声波向外辐射。 因此表面噪声是内燃机中除气体动力噪声外，所表现的主要噪声源。将内燃 机的气体动力噪声，特别是排气噪声，用消声器予以抑制后，结构表面噪声 就上升为内燃机噪声的首位。我们在数据采集时利用声级计或麦克风所测得 噪声的主要成分即为结构表面噪声。 综上所述，各种结构表面噪声都是由内燃机机体、缸盖或其他结构件表 面向空气中辐射的声波，通过测取空气中的声波信号，从中提取机体内各部 件的状态信息并进行诊断是可行的。 目前国内外对内燃机噪声信号的研究也有很多【2 4 。2 引，本文在此不再详细 介绍。 2 3 声发射 2 3 1 声发射基础 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) ，是指材料受外力或内力作用而 产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放能量的现象仁引。但是，l i p t a i 等人 的说法更具概括性，他们指出：“a c o u s t i ce m i s s i o nm a yb ed e f i n e da st h es t r e s s o rp r e s s u r ew a v e sg e n e r a t e dd u r i n gd y n a m i cp r o c e s s e si nm a t e r i a l s 一 3 0 】 声发射的激发过程与机理极为复杂，一般认为，以下几种过程将产生严 格定义上的声发射 2 9 】：l 、金属材料中的位错运动与塑性变形；2 、裂纹的形 成、扩展及材料的断裂；3 、马氏体相变；4 、磁性效应。其中，材料的塑性 变形、材料中裂纹的发生与扩展、材料的断裂、金属的马氏体相变等都是上 面所说的d y n a m i cp r o c e s s ( 动态过程) 。更为具体地说【3 l 】：材料在屈服时发 生连续型声发射信号，其幅值甚小而发射率甚高，传感器所接受到的信号电 压约为数微伏。在滑移线和塑性区边界上的位错雪崩及脆性夹杂物所导致的 微断裂，可使传感器产生数十微伏的突发型信号。单个晶粒尺度上的相变、 孪生和微观开裂也可产生同样数量级的信号或者更强一些。对于高脆性的材 料，突发的宏观开裂( 0 0 1 - 一l o o m m ) 可产生数毫伏乃至数十伏的信号。 声发射源释放出的弹性波在结构中传播时携带有大量结构或材料缺陷处 的信息，用仪器检测、分析声发射信号可以对结构或材料中的缺陷进行检测 和定位，人们可以通过接收和分析这些声发射信号达到检测和诊断的目的。 声发射检测是一种动态无损检测方法，其信号来自缺陷本身，因此，用声发 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 射检测法可以判断缺陷的活动性和严重性。由于声发射检测具有这样的特点， 因此与其它无损检测方法相比，它具有如下优点： ( 1 ) 适用于动态监测，可对运行中的设备和受力情况下的部件进行实时的 检测、监视和报警。这不仅可以减少设备检修的成本，而且可以有效的避免 重大事故的发生，提高经济效益。 ( 2 ) 可适应复杂的检测环境。由于对人接近被检构件的要求不高，而适于 其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及 有毒等环境。 ( 3 ) 声发射现象是固体中普遍存在的。因此大部