（轮机工程专业论文）利用瞬时转速和扭振信号诊断柴油机故障的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 为提高柴油机动力装置的安全性和可靠性，满足现代预防维修制度和自动 化系统的要求，对柴油机进行状态监测和故障诊断具有十分重要的意义。柴油 机是一种典型的往复式动力机械，结构复杂决定了对其进行状念监测与故障诊 断的困难性。本文进行了利用瞬时转速和轴系扭振信号监测柴油机状念的研究， 开发了柴油机轴系扭振测试系统。主要研究内容包括： 1 、进行了瞬时转速测量原理的研究，介绍了几种测量瞬时转速的方法，分 析了影响瞬时转速测量精度的主要因素，如齿轮分度和采样步负率等，探讨了采 用齿平均、滤波、整周期平均等方法来提高瞬时转速的测量精度。 2 、进行了扭转振动测量原理的研究，介绍了几种测量扭转振动的方法，分 析了影n 向扭转振动测量精度的因素，如轴系横向振动和传感器精度等，探讨了 安装双传感器、采用光电编码器等方法来提高扭转振动的测量精度。 3 、在分析柴油机动力学特性的基础上，建立了简化的瞬时转速模拟计算模 型，开发了相应的仿真计算软件，分析了螺旋桨对瞬时转速的影响，通过柴油 机瞬时转速的模拟计算分析和实测信号的分析处理，定义了三个用于柴油机故 障诊断的特征参数，利用这些瞬时转速特征参数能够准确的判断柴油机是否有 故障及找出故障缸。 4 、进行r 利用扭振信号诊断柴油机故障的研究，试验表明：当柴油机发生 漏油故障时，低谐次振幅值会大幅度增加。在虚拟仪器平台l a b v i e w 上研制了 扭转振动测试系统，描述了该系统的总体框架、测试方案、软硬件和实现技术， 可实现柴油机扭振状态的在线监测。 在进行理论研究的同时，完成了试验研究和测量工作，验证了上述诊断方 法与测试系统的有效性和工程实用性。 关键词：柴油机，瞬时转速，扭转振动，状态监测 武汉理一火学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i n gf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e si sv e r y i m p o r t a n t ，s of a ra st oi m p r o v e t h es a f e t ya n dt h er e l i a b i l i t yo f p o w e r t r a i ns y s t e m ，a n d t om e e tt h en e e do fm o d e mp r e d i c t i v em a i n t e n a n c ea n da u t o m o t i v e p o w e r t r a i n s y s t e m si sc o n c e r n e d h o w e v e r , i ti s d i f f i c u l tt om o n i t o rc o n d i t i o na n dt od i a g n o s e f a u l t sd u et oe n g i n e s c o m p l i c a t e ds t m c t u r ea n dw o r k i n gp r o c e s s o nt h eb a s i so f s u c hb a c k g r o u n d ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t e n d st o s t u d yt h ea p p l i c a t i o n so ft h ee n g i n e m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i n gu s i n gi n s t a n t a n e o u ss p e e da n dt o r s i o n a lv i b r a t i o ns i g n a l s ， a n dt od e v e l o pa nm o n i t o r i n gs y s t e mu s i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o no f s h a f t i n gf o rd i e s e l e n g i n e t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 t h ee l e m e n t so f m e a s u r i n gi n s t a n t a n e o u ss p e e da r es t u d i e d ，s e v e r a lm e t h o d so f m e a s u i n g i n s t a n t a n e o u s s p e e d a r e i n t r o d u c e d ，t h ep r i m a r y f a c t o r st oa f f e c tt h e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h ei n s t a n t a n e o u ss p e e d ，s u c ha st h eg e a rp r e c i s i o n ，s a m p l e f r e q u e n c ye t c ，a r ea n a l y z e d ，a n di no r d e rt oe n h a n c e t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，t h e i n s t a n t a n e o u ss p e e ds i g n a l sa r ep r o c e s s e da n da n a l y z e db yt h eg e a ra v e r a g i n g ，w a v e f i l t e r i n g ，a n dw h o l ec y c l ea v e r a g i n g m e t h o d s 2 t h ee l e m e n t so fm e a s u r i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o n ，s e v e r a lm e t h o d so fm e a s u r i n g t o r s i o n a lv i b r a t i o na r ei n t r o d u c e d ，t h e p r i m a r yf a c t o r s t oa f f e c tt h em e a s u r e m e n t p r e c i s i o no f t o r s i o n a lv i b r a t i o n ，s u c ha st r a n s v e r s ev i b r a t i o n ，p r e c i s i o no ft r a n s d u c e r e t c ，a r ea n a l y z e d ，a n di no r d e rt oe n h a n c et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，t h em e t h o do f f i x i n gd o u b l e t r a n s d u c e r a n d p h o t o e l e c t r i c e n c o d e ri si n d i c a t e d 3 as i m p l i f i e dm o d e lo fd i e s e le n g i n ei n s t a n t a n e o u ss p e e dh a sb e e nd e v e l o p e d b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no f d y n a m i cp r o p e r t yo f d i e s e le n g i n e ，a n dt h ec a l c u l a t i n g s o f t w a r ei s d e v e l o p e d w i t h - t h e l a n g u a g e o fl a b v i ew t h e i m p a c t t h a tt h e i n s t a n t a n e o u s s p e e d i sf a l l e nu n d e rt h e p r o p e l l e r i s a s s a y e d a n d t h r e ef e a t u r e p a r a m e t e r s w h i c hc a nb eu s e dt o d e t e c td i e s e l e n g i n e s f a u l t sa n dt ol o c a t ef a u l t c y l i n d e r s ，h a v eb e e np r o p o s e d ，b a s e do nt h es i m u l a t i o na n ds i g n a la n a l y s e so ft h e d i e s e l i n s t a n t a n e o u ss p e e d 1 1 武汉理r 大学硕士学位论文 4 t h et h e o r yd i a g n o s i n gt h ef a u l to fd i e s e le n g i n ew i t ht o r s i o n a lv i b r a t i o ns i g n a l s i sa n a l y z e d ，a n di ti ss h o w e dv i at h ee x p e r i m e n t ：w h e nt h ef u e li no n ec y l i n d e ri s l e a k e d ，t h ea m p l i t u d e so fl o ws y n t o n i e sw i l li n c r e a s ee v i d e n t l y a n dt h es y s t e mo f t e s t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o ni sd e s c r i b e dw i t ht h el a n g u a g eo fl a b v i e w ，a f t e rab r i e f i n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n so ft h i ss y s t e m ，t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ei se x p l o r e di nd e t a i l al o to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e si nr e a l w o r l de n g i n e sa r ea c c o m p l i s h e d ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ea b o v e t h e o r e t i c a ld e v e l o p m e n t s ， k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，i n s t a n t a n e o u ss p e e d ，q b r s i o n a lv i b r a t i o n ， c o n d i t i o nm o n i t o r i n g i i i 武汉理t 人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的与意义 柴油机是一种重要的往复式动力机械，在国民经济和h 常，l ! 活中起着举足 轻重的作用，广泛应用于工业、农业、军事、建筑、交通运输等各个行业。它 具有零部件多且相互关联、运动复杂、工作环境恶劣等特点，使柴油机发生故 障的可能性增大。以船用柴油机为例，据日本船级社的统汁分析表明：目前船 用柴油机故障率大约每小时0 4 1 01 次；而m h e r n q v is 【从保险的角度对海 难予以统讨，在众多海难的起冈中，机械故障位居第一( 占2 2 ) ，在机械故障 中主机故障又占了4 5 ”1 ，可见船用柴油机的运行状况严重影响到航运企业的经 营效茄。 f = = l6 柴油机的监测诊断方法较多，主要有气缸压力分析、瞬时转速分析以 及振动分析等方法。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。这一呈 周期性波动的瞬时转速信号，包含了柴油机运转中的许多有用信息，反映了柴 油机工作循环内各缸的工作状态，如燃烧正时、燃烧均匀性及充分性等，利用 瞬时转速的波动可以进行与气缸压力有关的柴油机故障的诊断。与气缸j 篮力等 其它常用的热力性能参数相比较，瞬时转速信号的测量简单方便，具有价格低 廉和工程实用性强等优点。因此，基于瞬时转速信号的柴油机分析渗断方法自 二十世纪七十年代一经提出，立即受到了国内外学者的高度重视。瞬时转速 的精确测量及其分析结果，对柴油机的设计、测试、诊断和控制等都有熏要的 意义”，其潜在的应用包括：点火提前角或喷油提前角的擦制、瞬时气体力扭矩 的问接测量、缸内气体燃爆压力的估计、各缸工作均匀性的判断、单缸或多缸 失火故障的诊断等等。 由于在柴油机的轴系上总是承受着气缸内气体压力的冲击作用，螺旋桨等 受功部件吸收的扭矩不稳定，当作用在曲轴上的扭矩发生变化时，曲轴将发生扭 振。扭振发生时，曲轴的应力状悉周期性地变化，这将引起轴本身及轴上零件的 疲劳，严重时将发生曲轴的断裂，造成重大的、甚至是灾难性的事故。此外，扭振 武汉理i 大学硕士学位论文 还使机器的运行平稳性受到破坏，造成一一些不良的影响。柴油机气缸内工质燃烧 期间，气体力是一脉冲载荷，急速燃烧期的压力升高率对其频率特性有重大影 响。当发叫- 气缸工作过程的故障时，如喷油提前角未调准、燃油雾化质量不良 和各缸喷油量不均匀等，都会对压力升高率、最高爆发压力和脉冲的作用时间 造成影响，使单缸激励力矩的幅值、频率和相位发生变化，导致各缸激励力矩 合成结果的变化，此时各缸负荷不均匀，各气缸产生的各谐次的激励力矩的幅 值和相位彼此不等，轴系的扭振特性将有变化。因此，轴系扭振直接反映了气 缸内的_ _ l 作状态，扭振特性包含了柴油机工作过程中各种状态的丰富信息，可 以根据轴系扭转振动特性来对柴油机工作过程的故障进行诊断。 因此，准确测量柴油机的瞬时转速和扭转振动，具有f 分重要的意义： l 、利用瞬时转速和扭振信号对柴油机的运行状况进行实时监测，提供其运 行状态信息。 2 、及早发现故障征兆，避免恶性事故的发生，降低故障率，达到视情维修 的目的。 1 2 国内外发展现状 基于瞬时转速信号的柴油机故障诊断方法自二十世纪七卜年代一经提出， 立即受到了国内外学者的高度重视。国外有关研究可以分为波形分析法和扭矩 估计法两大类。 波形分析法：是指直接分析瞬时转速波形，从中提取对故障敏感的特征参 数，然后用模式识别理论进行故障判断。1 9 8 3 年，a ks o o d 等人酋先提出了傅 立叶级数和相关分析的方法。“，可以较精确地识别低转速下整机有无失火故障。 此后，在1 9 8 5 年又提出三种改进方法。1 ，以统计相关函数和统计模式 ： 别原理 为基础，同时对故障气缸进行识别和定位。根据瞬时转速对应各气缸的波峰值 和波谷值也可以提取有用的特征参数，s f t e z e k a 和n a t e n e i n 进行了这方 面的研究”1 ，并给出了三种无量纲判断指数。n a h e n e i n 等人还在台六缸四 冲程柴油机上进行试验“，比较了八种波形参数的诊断效果，并讨沦了采样方 式对瞬时转速测量及分析的影响。 扭矩估计法：该方法通过建立柴油机的线性或非线性动力学模型，根据瞬 时信呼反演气体力扭矩，进而判断失火缸及故障程度。具有代表性的是文献1 。， 武汉理工大学硕士学位论文 s 工c jt r o n 等人建立了个四自由度动力学模型，可以根据瞬时转速依次计算 出瞬时总扭矩、瞬时气体扭矩和各缸气体压力。在四缸机上的试验结果表明， 该方法在低转速和商转速下都取得了较好的效果。类似的研究还包括s k t h e n 等人采用的十叭“度模型”，以及b l i m 等人建立的包括瀚轴和凸轮轴在内的 单自由度模型等等。( ；f m a u e r 等人同时测量自由端和1 毛轮端的瞬时转速“1 ， 通过一个叫自山度动力学模型计算每一个气缸的扭矩分布，然后用闳值判断各 缸工作是甭币常。 陶内也进行了相类似的研究，并取得了一批研究成果。东工业大学黄宜 谅教授等人丌发了套e s m 转速测量仪。“，可以测量瞬时转速和循环转速并诊 断熄火故障。浙江大学吴锋等人利用光电编码器，实现了瞬时转速的高精度测 量”，并用循环内转速波动渗断失火故障，并将转速谱距离指标应用于故障诊 断。【i f 东】：业大学的张立梅教授等人提出了用飞轮瞬时转速诊断各缸压缩性的 方法。“，通过在倒拖柴油机时测出每循环中飞轮瞬时转速的变化，用惯量加速 原理得出各缸的最大压缩压力。华中科技大学刘世元等人将神经网络方法引入 利用瞬时转速诊断柴油机熄火故障的研究中。“，增加了诊断系统的可靠性。武 汉理工大学濮立俊”、土志华”等在建立柴油机动力学模型的基础上进行了瞬 时转速的仿真计算，并根据单缸漏气、漏油时瞬时转速的波动情况提出了诊断 方法。 瞬时转速法是用波形分析而不涉及柴油机结构参数，但对高速柴油机的诊 断效果较差。扣矩估计法虽然在低转速和高转速下可以获得满意的诊断结果， 但涉及柴油机结构参数、计算量大、通用性差。由于曲轴扭振的存在，使得利 用瞬时转速渗断柴油机故障的准确率大为降低。 近年来，扭转振动信号也被用在柴油机故障诊断中。扭振信号具有测量设 备简荦和可靠性好等特点，受到人们的重视。基于轴系扭振的故障诊断法的研 究国内目前以丌发高效的扭振测试仪为主，测取精确的扭振信号，如东南大学 的杜极生教授等人。直致力于扭振仪的研制工作，现已丌发 _ 第五代a n z t 单、 双通道数字、模拟两用的扭振分析仪。在实际测量中敬得了良好的效果。中国 船级社武汉分社的陈锡恩教授等开发了z d c l i i i 轴系振动测量分析仪，该仪器 可同时测量瞬时转速和扭振信号。文献“”对比了1 6 v 2 4 0 型柴油机与中小型缸数 少的柴油机回转振动信号的差异，提出了对1 6 v 2 4 0 型的多缸柴油机用子空间模 式识别法定性地诊断整机是否发生了熄火故障。上海海事大学应启光教授将扭 武汉理l 大学硕士学位论文 振信号进行简谐分析，用待检测的简谐结果和标准的问隙结果进行对比，再用a 型灰色关联法和模糊诊断法对失火缸进行了定性和定位判断，最后指出模糊法 更好。文献| ：“i 认为气缸压力由燃烧部分和压缩排气部分组成，从扭振信号利用 最小? 乘方法反推识别了各缸燃烧压力的大小。 利用轴系扭振信号对柴油机进行故障诊断需要进一步研究的问题包括测量 信号的分析处理技术，扭振在线监测与诊断系统的研制等。 1 8 研究方案 1 81 课题来源 本文有关柴油机瞬时转速的计算与试验装置的开发是海南海峡航运股份有 限公司委托研究的“船舶柴油机瞬时转速监测系统研制”项目的主要内容之。 1 3 2 研究的主要内容 为了研究瞬时转速及轴系扭振与柴油机的工作状况之i b j 的关系，丌发柴油 机在线监测系统，进行以下研究工作： 1 、进行瞬时转速的测量原理研究，介绍几种测量瞬时转速的方法，分析影 响瞬时转速测基精度的因素，提出提高瞬时转速测量精度的与法。 2 、进行扭转振动的测量原理研究，介绍几种测量扭转振动的方法，分析影 响扭转振动测量精度的因素，提出提高扭转振动测量精度的方法。 3 、在分析柴油机曲轴飞轮系统动力学特性的基础上，建立简化的柴油机瞬 时转速计算模型，通过柴油机瞬时转速的仿真计算分析和实测信号的分析处理， 定义三个用于柴油机故障珍断的特征参数，利用这些瞬时转速特征参数能够准 确的判断柴油机是否有故障及找出故障缸。 4 、采用虚拟仪器技术进行了扭转振动测试系统的研究。本系统由传感器、 数掘采集f 及i t 5 算机组成，可对柴油机扭振进行实时测量与分析。 武汉理i ，人学硕十学位论文 第2 章瞬时转速的测量原理与方法 柴油机瞬时转速的测量方法有多种，其测量原理也不尽相同，本章列常见 的几种测量、计算方法进行分析比较，并对影响瞬时转速测量精度的因素进行 了分析，提出干十简单有效的柴油机瞬时转速测量和计算分析方法。 2 1 瞬时转速的测量方法3 通常所晚的柴油机转速是指转速表指示的值，它是通过测取柴油机转动一 圈或几斟的时问来计算的平均速度。而实际上柴油机工作过程中转速是瞬时波 动的。瞬时转速反映r 柴油机转速随曲柄转角的波动关系。在实际的试验研究 中，绝刈的瞬时转速是很难获得的，经常取从某时刻开始足够小曲柄转角内的 平均转速来近似浚时刻的瞬时转速。 瞬时转速的测取通常在曲轴上安装齿数为的齿盘，通过合适的传感器来 测取时域波形，再间接获得每个齿经过传感器的时间以计算瞬时转速，所以瞬 时转速的测量方法是间接测量，它包括原始信号的测取和瞬时转速信号提取两 个部分。 原始信号的测取目前主要有光电法和磁电法两种途径。光电法是在曲轴上 安装光电编码器，随着轴一起旋转来测取信号，其输出常为矩形脉冲信号；磁 电法用磁电传感器拾取信号。分度是靠和主轴同步转动的齿圈( 常用飞轮上齿 圈) 来完成，其输出近似为币弦信号。 瞬时转速的提l ；0 ( 方法常见的有硬件计数法和软件法。 1 硬件计数法 采用高频计数脉冲对原始矩形脉冲信号计数，以计算脉冲宽度，即每个分 度经过传感器的时间。如计数器的高频计数脉冲频率为f h z ，对原始信号的第i 个矩形脉冲计数的值为岛，每周分度为z ，则瞬时转速惭为： ”，：6 u “ ( 2 一1 ) j ，t z t l 岛的计数洪麓为1 ，故为了减小误差，需要计数脉冲具有很高的频率。此方法 武汉理i ：人学硕士学位论文 依靠硬件束完成，使用方便、速度快、实时性好，但需要专门的整形放大电路 和高频计数器。 2 软件法 软件法足通过a i d 转换板将原始的模拟信号转换为数字信号，再经过软件 处理得到瞬时转速。离散后的采样序列处理仍有许多方法，常用的有零点法和 拟合法。 零点法是用插值的方法找到原始波形与零线的交点序列p ，、p 2 、p 。 ( 如图2 1 ) ，第i 个分度时的瞬时转速为为采样频率) ： 驴6 0 彳饥：诅) 】 协2 ) r 八、心、 图2 一l 零点法求瞬时转速示意图 此方法适用于传感器输出原始信号为正弦波时的情况，对矩形脉冲信号而 吉，使用这种方法不能根据采样后的数字信号准确地确定零点，导致较大的误 差。如图2 2 中所示，点p ，较精确，而点p ：+ 2 就有非常大的误差。 图2 。2 矩形波采用软件法计算瞬时转速时误差示意图 拟合法采用样条函数对采样序列进行拟合，如采用三次样条，则拟合后的 波形更加光滑，并且_ 次可导。同时采样序列可以看成曲轴角位移的时阳j 函数， 其对时问的一次导数即为曲轴的瞬时转速。 武汉理】：大学硕士学位论文 2 2 瞬时转速测量系统 2 2 1 磁电法瞬时转速测量原理 磁电法( 齿轮一磁电传感器法) 测量瞬时转速是非接触测量，具有不影响 柴油机t 作状况、测量设备简单、工作可靠等优点。将磁电传感器正对着齿轮 安装，随着曲轴的转动，齿轮上的齿顶与齿隙依次经过磁电传感器，磁路中的 磁阻发小交替变化，引起磁力线增强或减弱，即磁通量发生变化。则根据电磁 场原理： e w d q )( 2 3 ) 讲 线圈中就会感应出类似i f 弦的电压信号e ，信号e 的个周期对应齿轮的每一个 分度。岩：个分度处柴油机速度大，则经过磁电传感器的时间就短，即信号e 在该分度处的周期就小，频率就高；反之，频率就低。故信号的频率的变化剥 应于柴油机瞬时转速的波动。 2 2 2 瞬时转速测量系统 瞬时转速的原始信号采用磁电法拾取，瞬时转速采用软件法中的零值点法 提取，并对所得波形进行滤波、整周期平均、齿平均等处理得到测量结果。 表2 - 1 瞬时转速测量系统硬件 磁电传感器型号：s z m b 5 转接盒b n c 一2 0 9 0 a d 转换卡p c i m 1 0 1 6 e 一1s t a r t e rk i t 整个测量系统主要靠软件实现，需要的硬件少( 见表2 - 1 ) ，并且使用寿命 长，测试安装方便。经在柴油机台架上试验，运行可靠，可实现对柴油机瞬时 转速测量，整个系统的框图如图2 3 所示。 武汉理r 人学硕士学位论文 图2 - 3 测量系统基本组成示意框图 传感器2 个磁电式传感器装在轴系上一齿盘旁，将轴系的转速变化转变 成电信号周期的变化。轴每转动1 个齿，传感器输出的电压信号就变化1 个周 期。轴系若匀速转动，则轴的各瞬时速度都等于其平均速度，传感器输出的每 齿1 个脉冲信号的重复周期是相同的：面当轴系非匀速转动时，则相当于在其 平均速度的基础上叠加了1 个波动速度，于是传感器输出的脉冲序列就不再是 均匀j 可隔的厂，而是一个载波频率被波动速度信号调制的调频信号。 数据采集f其功能是将测量的模拟信号转变为数字信号进行处理，采用 的是美陶幽家仪器公司的高性能多通道信号采集卡，主要性能参数为：1 6 位转 换精度，支持1 6 通道草端输入或者8 通道差分输入，单通道最高采样频率为 12 5 m s s ，多通道工作时最高采样率为1 m s s 。 软件包其功能是实现瞬时转速的计算、数据预处理、数掘分析等。数据 预处理的| ；_ 的是降低测量误差，主要有时域平均、低通滤波、剔出错点、双传 感器处理方法等。 22 3 瞬时转速信号的提取 原始信号a d 转换后r 得到离散时间序列 x ，、x ：、x + 、x 。 ，但 该离散序列并， i 定完全包含图2 - 1 中的零值点仞，ii = 1 ，2 ，m ) ，需要计算才能 武汉理l ：大学硕+ 学位论文 得到，本文采用线性插值法来求取零值点。如为了求零值点p ，的值，利用最靠 近p ，的两采样点和1x j + i 线性插值得到( 如图2 - 4 ) ，其中哥和0 + i 要满足x j 巧+ l 0 ，则： 舻，+ 揣钔去 图2 - 4 线性插值零点法计算瞬时转速 按式( 2 - 4 ) 分别求出零值点序列仞l 、p 2 、 即司得剑瞬时转速序列 , v t i 、n 2 、哺、 2 2 4 瞬时转速信号的处理”耵 ( 2 4 ) 、p ，、p 。 ，将其代入式( 2 - 2 ) 、v i m _ 1 ) 。 为1 广消除计算出来的瞬时转速波形中的噪声干扰、便于故障模式的识别， 需要刈瞬时转速信号进行必要的处理，采用数字滤波、整周期平均和齿平均的 方法来剔除瞬时转速波形中的噪声成份。 1 数宇滤波“” 滤波是剔除信号干扰成份的有效手段，对瞬时转速信号来说，町采用数字 滤波器来完成。数字滤波器类似一个算法或者是计算程序，将输入的数字信号 序列按照预定的形式转换为输出数字信号。如输入为x ( n ) = u ( n ) + v ( n ) ，其中 “( ) 为有用信号，v ( 月) 为噪声信号。理想滤波效果是完全滤出噪声信号，而将有 用信号完全保尉。但实际滤波过程只会对v ( n ) 和“( n ) 的幅值产生不川程度的影 响，尽i _ j _ 能使v ( ”) 衰减到零，而使“( ) 所受影响较小，并且滤波过程还会产生一 定的延时。所以得到的最佳滤波结果是有用信号虽经延时和幅值的变化，但仍 傈持其波形不失真，即输出为： 武汉理上大学硕十学位论文 ( 2 5 ) 为延i i , d ，b 为幅值变化系数。 为r 减轻噪声v ( ) 的影响，尽可能精确地获得瞬时转速波动信息，使其能够 如实反映内燃机不同时刻的运行状况，这就要求滤波器具有较好的时频特性。 根据i i e i s e n b e r g 不等式有： 时频窗嘶积= 4 ，a ，二 ( 2 - 6 ) 其巾a 和a ，作如| 、定义： 妒而d c t 2 w 2 ( t ) d t 必：时窗砜 ，2 眵i 1 瑚， e 厂2 缈2 ( l ，) 形 儿：频窗面积； ( f ) ：窗函数；形( 厂) 是( f ) 的f o u r i e r 变换。 式( 2 - 6 ) 又称为测不准原理，即一个窗函数不可能同时具备任意高的时间分辨 率秆i 频率分辨率8 删。 1 ( t - b ) 2 蹦卜垆1 焘叩4 8 ( 2 - 7 ) 式( 2 7 ) 所示高斯窗函数具有相对最优的时频特性，将其中心频率厂从0 移到而处，即耿式( 2 8 ) 的形式，选择合适参数a ，b ，知，将此窗函数与瞬时 转速信号在时域上进行卷积，相当于在频域上加窗，达到滤波器的效果m 1 。本 文所用的高斯窗在时域和频域e 的波形如图2 - 5 所示。 w ( t 一6 ) = 0 6 ) e - 2 嘶 ( 2 8 ) 按照k n 的方法对4 1 3 5 g 型柴油机的瞬时转速信号进行滤波，图2 - 6 是 8 0 0 r r a i n 、0 负荷时的情况，比较滤波前后的瞬时转速波形，川+ 见滤波后的波 形曲线较为平滑，且每个工作循环内四个缸压缩和做功引起瞬时转速的波动更 为明显。 武汉理1 大学硕七学位论文 ( a ) 时域波形 恍 i i i ； j f - - i r r ! ： 图2 - 5 高斯窗时频特性 ( b ) 频域波形 上：滤波前的波形下：滤波后的波形 图2 - 64 1 3 5 g 柴油机瞬时转速滤波前后比较 ( 8 0 0 r r a i n 、零负荷) 2 整周期平均 柴油 j l 2 y 作状况往往会由于调速、负载改变及其它外界原因而改变，监测 到的瞬时转速也会因此而出现畸变，为了不导致误诊断，就要对这种现象加以 去除或识别。m 于外界干扰表现为不连续性和随机性，而柴油机故障在定时 间内对瞬时转速的影响具有连续性和周期性，通过平均处理可以抑制外界干扰 引起的瞬时转速波动。 齿圈每个齿经过磁电传感器时，输出一个周期正弦波，有两个零值点，可 计算出两个瞬时转速值，并且每个工作循环内燃机所转动的圈数是一定的 ( 4 1 3 5 g 型柴油机一个工作循环为两周) ，故计算出来的瞬时转速序列。在柴油 武汉理r 大学硕士学位论文 机每个工作循环内的点数( n u m ) 是定值。对于4 1 3 5 0 型柴油机 ( 2 9 ) 。 “聊= 4 z n u m 满足式 若取个周期平均，则平均后的瞬时转速v 可由式( 2 - 1 0 ) 得到 方法简称为整周期平均。 f 2 9 ) 这种处理 v ，2 音f i + ( i ) 。 ( i21 ，2 一，n u m )( 2 一1 0 ) 。v ，一1 3 齿平均” 从瞬时转速的“瞬时”性要求考虑，分度越小越好，那么对前面图2 1 示意 的情况就应该用栩邻两个零值点来计算瞬时转速，即用每半个齿的问隔内的平 均转速来近似瞬时转速，这样“瞬时”性似乎更好。事实上并不是如此，由于 齿圈分度的加工精度等原因，这样做往往会引入较大的误差，事与愿违。 原始信号的币半周期和负半周期，对应于磁路中的磁阻的减小和增大过程， 计算得到的周期是曲轴转动一个分度( 一个齿顶和一个齿根) 的时削，在提取 瞬时转速时认为分度绝对均匀，但由于齿轮的齿顶宽度和齿根宽度在生产过程 中不可能完全敛，分度也不可能绝对均匀，都存在着随机误差，这样在计算 中若所耿划隔太小( 比如取原始信号的半个周期或一个周期) ，由此引起的误差 将会很大，而适当的增加问隔，可以减少随机误差的影响，相对的提高瞬时转 速的计算精度，这就是齿平均处理。当然，齿平均处理是有一定限度的，要适 度，如计算问隔太大，就失去了瞬时转速的意义。为保证适当的计算弧度间隔 角，齿平均长度( 即计算间隔) 的确定同齿圈的齿数有关；另外，计算问隔齿 数不应选取总齿数的约数，以免计算所取的齿数组合固定不变。本文中齿圈分 度1 2 5 齿转，计算间隔为3 个齿( 6 个零值点) 。 2 3 瞬时转速测量的影响因素分析 瞬时转速测量属于问接测量，在测量系统中，每一个环节的误差都会影响 瞬时转速测量结果的精度。主要的影响因素有齿轮的分度精度、a d 转换精度、 气缸最大压力分仰不均匀性的影响、外界对系统的干扰( 如传感器的振动) 等， 下面分别分析它们的影响。 武汉理t 大学硕十学位论文 2 3 1 齿轮分度的影响 引算瞬时转速时是认为齿轮的齿距s 是恒定的，通过磁电传感器记卜- 齿轮 相刈传感器运动位移s ( 一个齿) 所需的时间r ，然后耿折作为此时的瞬时转速 值。住2 2 4 节讨沦瞬时转速的齿平均处理时，已经提到实际上齿轮的分度精度 不u j 能绝对均匀，它们存在着随机误差，假设齿距s 的误差在区间【一a j ，a s 内， 即分度精度为o - ( o - = a s s ) ，则由此引起的线速度误差v 7 可表示为： ， ss a s - 7 - a s ,s - y - a s 、 胪- - v 。2 7 一2 了2 了了2 ( x - 卅( 2 - 1 1 ) 从式中可以看出齿轮分度误差直接转嫁于瞬时转速，而瞬时转速自身的波动本 来就很小，这样的误差就有可能淹没瞬时转速的波动信息。所以，在测量系统 中对齿轮的精度有较高要求。 2 3 2 采样频率的影响 在瞬时转速测量系统中，从磁电传感器出来的电压信号是模拟信号，必须 经模数转换( a d 转换) 变为数字信号后才能交给计算机处理，根据采样定理， 采样频率，；只需满足式( 2 1 2 ) ： f 2 f , o 。、( f m 。为信号的最高频率) ( 2 1 2 ) 但当采用线性捅值找零值点的方法来计算瞬时转速时，假设原始的正弦信号频 率为庀，采样频率若只取2 疋是不足以保证计算精度的。 i 门客信号的f o u r i e r 级数为： 1 t ”一i 1 s i n ( x ) = x 一二x 3 + l x 5 一+ f 一1 12 二x ” 3151 、 硝 h 。 ( 2 _ 1 3 ) = ) 2 】 f = 1 ，3 5 r k “p ) 1 p 一九) 一一 这就是瞬时转速诊断模型关于各缸气体压力( 或气体力扭矩) b - - 瞬时转速 之矧的笑系表达式。与其它复杂的动力学模型相比，浚渗断模型抓住了曲轴飞 轮系统动力学特性的本质，避免了引入过多的柴油机结构和动力学参数：通过 对式( 4 - 1 6 ) 进行适当处理，该模型易于实现扭矩估计和失火故障诊断的快速算 武汉理r 人学硕士学位论文 4 2 基于nb , - i 转速诊断模型的计算方法 式( 4 一1 6 ) 为关f 时间，的二阶非线性微分方程，当已知各缸气体压力口( 4 j ( 或气体力扫i 矩? ? ，) 时，求解瞬时转速毋依然较为困难，需要习求简化计算方 泫。 记= 0 ，角城内的脚与时域内的国值相等，即： 枷p ) ：m 阢) 】：掣：砸) ( 4 - 1 7 ) 根掘链式微分觇则有： o ( 1 ) ：掣：一d c o _ o ( t ) ：i d o ( e ) 剑：掣m 眭业_ 1 8 ) 。d ld td ed td 0 、1 2d o 定义 z 汐) = 瞄p ) 】2 ( 4 1 9 ) 代入式( 4 _ 1 6 ) 后合并同类项，得n - - 个关于0 的一阶非齐次线性微分方程： 掣+ p p 扣p ) = ) ( _ 2 0 ) 式中，p p ) 和q p ) 为关1 二0 的变系数，满足： 2 m l r 2 e 【，- ( o 一九k p 一丸) 】 r ( o ) 一l 百j ，一m i r 2 【厂p 一苁) 】2 2 f a p r n k 【t ，p 沙p 一疵一瓦 q p ) = 一土型f 土 ，_ m l r2 【厂p 一九) 】2 ( 4 2 1 ) 方程转化为式( 4 - 2 0 ) 的形式后具有两大优点：一是方程的自变量为角度0 ，而 气缸爪力和瞬时转速都在角度域内测量，不涉及显示的时问量，因此理论计算 和实验测最结果之间不需要进行转换；二是一阶线性微分方程具有如下解析解： 删i 驴 坳陋扣| ： i s ( a l a o d a + x ( 0 ) ”z z ， 利用计算机对式( 4 - 2 0 ) 进行数值求解，先计算x p l ，然后根据式( 4 - 1 9 ) 武汉理l ：大学硕士学位论文 训算瞬时转速) 。 为r 计算瞬时转速的波动情况，用l a b v i e w 语言编制瞬时转速波动仿真 计算程序，程序的输入参数为柴油机结构参数和所计算工况卜的示功图数据。 其稃序干扛：降i 见降f4 ，3 。 l 输入参数l 计算气体压力的切向力矩 给出其波形图 l 山 算往复惯性力及其切向力： 给出茸波形围 1 1 1 。1 1 。1 。j 。_ _ 。 u 计算总切向力矩 给出其波形图 i l解运动微分方程 l 结出瞬时转速的波动波形 图4 - 3 瞬时转速仿真计算程序框图 4 3 瞬时转速仿真计算结果及分析 瞬叫转速的测量虽然简单方便，但不可能测量柴油机所有的i ：作状态，仿 真计算t ，j _ 以解决这个问题，在正确的仿真计算模型的基础上，通过改变输入参 数模拟柴油机和气缸压力有关的故障，得到不同状态下的瞬时转速结果，从而 建立柴油机故障数据库。 4 3 14 1 3 5 g 型柴油机主要参数 本论文试验是在4 1 3 5 g 型柴油机试验台架上进行的，故仿真计算也是以 4 1 3 5 g 型柴油机为依据，该型号柴油机的主要参数见表3 1 。 武汉理l 。人学硕士学位论文 4 3 2 计算方案 山于柴油机的瞬时转速的波动主要与气缸压力和往复惯性力有关，即与柴油 机的负荷、转速有关，为此按表4 2 的方案来仿真计算4 1 3 5 g 型柴油机的瞬时 转速。 表4 2 瞬时转速仿真计算方案 1 等砖转速n ( r m i n )负荷 18 0 00 21 0 0 0o 31 2 0 0o 41 4 0 00 51 5 0 00 61 5 0 02 5 71 5 0 05 0 815 0 0 7 5 91 5 0 09 0 1 01 5 0 01 0 0 4 3 3 计算结果 根据卜一节的分析，使用所编制的程序，可以仿真计算出4 1 3 5 g 型柴油机 的瞬时转速波动结果。程序所需气缸压力参数根据实测的不功图得到，图4 - 4 为 1 5 0 0 r r a i n 、9 0 负荷工况时的示功图波形；结构参数如表3 一l 所示。 武汉理i ：人学硕士学位论文 j - 1 1f 。，- - _ ， 05 01 0 0 1 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 04 f 1 0 8 0 4 8 0 2 8 0 0 ；3 9 8 vt 9 6 鐾烈 t 9 2 t 9 0 曲柄转角( 。 4 5 ；05 0 0 5 5 06 0 06 5 07 0 07 5 0 1 图4 - 44 1 3 5 g 型柴油机示功图( 1 5 0 0 r m i n7 5 负荷) rhj 卜f 1 i l i y- d 1 0 0 3 1 0 0 2 ，、1 0 0 1 ：1 0 0 0 i9 9 9 禹9 9 8 择9 目曙 9 9 6 9 9 5 、 1、1 uuuv i ii -i1 2 j 05 曲t s o 0 曲俩转角( 。) 2 5 05 0 0t 5 0 曲涌转角( 。) ( a ) 8 0 0 r m i n( b ) 1 0 0 0r m i n g 8 t 6 5 4 3 2 l 0 o暑茕幽崩圹 武汉理工火学硕士学位论文 1 2 0 3 1 2 0 2 ；1 2 0 1 嵩1 2 择1 1 9 9 1 1 9 8 ff i v”l ， _ d2 d o5 d ot 0 0 曲俩转角( “) 1 5 0 3 l s 0 2 1 5 0 1 罟1 5 0 0 vl 日0 黎1 4 9 8 1 4 9 t 1 4 9 6 一 1 i 1| 、f 1v in lji jj 02 5 05 0 0 7 5 0 曲柄转角( ， 图4 5 不同转速、0 负荷时瞬时转速仿真计算结果 图4 5 足在i 司一负荷( o 负荷) 、不同转速工况下瞬时转速仿真计算的结果。 从图中可以看j “，在低转速时，蜒时转速的波动主要受气体压力波动的影响。随 着转速逐渐增大，柴油机活塞组件的往复惯性力越来越大，而气体压力增加的不 多，这样在瞬时转速的波动中，往复惯性力的影响相对增强，使瞬时转速在一个 发火问隔内出现两次波动，呈现双波峰波形。这种情况在1 2 0 0 r m i n 、o 负荷时 较为明显，而随着转速的进一步提高，