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东北大学硕士学位论文摘要 柴油机基于振动分析方法的状态识别 摘要 近年来，机械设备故障诊断技术在国内外得到了较大的发展，在国民生产 中起到了重大的作用。柴油机作为机械设备领域的一部分，由于其用途的特殊 性使得故障诊断的研究更具有重要意义。本课题在总结和汲取国内外学者在该 领域研究成果的基础上，结合实际课题要求，将传统的信号处理和适用于非平 稳信号分析的小波包分析方法相结合，从柴油机表面振动信号中获取故障特征 信息，有效实现了柴油机的状态识别。 首先，从柴油机表面振动信号的产生机理出发，本课题系统论述了柴油机 的主要激振源、表面振动响应信号特性以及它们之间的内在关系，同时分析了 振动信号的传递路径。研究表明，利用柴油机表面振动信号对其进行不解体故 障诊断是完全可行的。 特征提取是柴油机故障诊断的重要环节，直接关系到柴油机状态识别的成 败与否。由于柴油机振动信号非常复杂，使其状态特征提取十分困难。所以， 针对柴油机表面振动信号特点，本课题对信号处理中的幅值域参数，功率谱分 析，短时a r 谱等方法在柴油机振动信号中的应用进行了研究。而为了突出振 动信号的特征参数，引入了小波包变换的方法，并把小波包变换应用在柴油机 状态识别中。 针对柴油机振动诊断，本课题在6 b t 5 9 型柴油机上进行故障模拟实验， 人为设置了气门间隙过小、气门间隙过大、喷油器滴漏、单缸断油等常见典型 的故障和设计了具体的振动实验方案。在振动信号采集过程中，采取了上止点 信号和振动信号同步采集的方式，以便振动信号的截取，为状态识别提供实验 数据和判别依据。 进而，本课题对采集到的振动信号进行分析，利用m a t l a b 工具软件的强 大数据处理能力对其进行处理分析、提取特征参数。经过大量的实验及数据分 析发现在不同的典型故障状态下，其特征量有明显变化。从两有力证明，本课 题所提出的对柴油机表面振动信号的监测及特征提取等一整套方案完全适合 现场机器状态的具体识别和对应故障的正确诊断。 论文的最后一章对本课题的主要研究工作进行了全面总结，给出了主要研 一 东北大学硕士学位论文摘要 究结论和创新点，同时指出了相关研究工作有待完善之处和今后的研究重点。 关键词柴油机振动分析 故障诊断特征提取状态识别信号处理 东北大学硕士学位论文 a b s l l 5 氆c t c o n d i t i o nr c o g n i t i o no fd i e s e le n g i n eb a s e d o nv i b r a t i o n a n a l y s i sm e t h o d a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n i q u eo fm e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s ，w h i c hp l a y s i m p o r t a n tr o l e i nn a t i o n a lm a n u f a c t u r e ，i sq u i c k l yd e v e l o p e di n d o m e s t i ca n d o v e r s e a ，a n di sd e e p l yi m p l i e di nm a n yf i e l d s i ti sm o m e n t o u ss i g n i f i c a t i o nt o d i a g n o s ef a u l t sb e c a u s ed i e s e le n g i n e sh a v es p e c i a lu s ei nt h i sp a p e r , i no r d e rt o s o l v ep r a c t i c ep r o b l e m ，c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nf o rf a u l t si sg a i n e df r o md i e s e l e n g i n ev i b r a t i o ns i g n a lb yu s i n ga l lo fs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o da n dw a v e l e t a n a l y s i s ，c o n d i t i o nr e c o g n i t i o ni so b t a i n e d ， f i r s t ，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 f a c t u a t i o ns o u y c e sa n dt h e i rr e s p o n s ea n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e ma r ed i s c u s s e d i nd e t a i l ，m e a n w h i l e ，r 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 ，a n d p r e t r e a t m e n tm e t h o d sf o rv i b r a t i o ns i g n a l sa r ep r e s e n t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti t i se f f e c t i v ea n df e a s i b l et o d i a g n o s e f a u l t so fd i e s e l e n g i n eb y m e a no f t i n d i s a s s e m b l yu s i n gs u r f a c ev i b r a t i o ns i g n a l s i g n a t u r ee x t r a c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tp a r t ，d i r e c t l yc o n c e r nt h es u c c e s so r f a i l u r eo fr e c o g n i t i o no fd i e s e le n g i n e b e c a u s ed i e s e le n g i n ei s as y s t e mw i t h m a n yv i b r a t i o ns o u r c e s ，f e a t u r ee x t r a c t i o ni sv e r yd i f f i c u l t i nr e s p e c to ff e a t u r e e x t r a c t i o no fv i b r a t i o ns i g n a l s ，t h ep a p e rf u l l yr e s e a r c h e so ns i g n a lp r o c e s s ，s u c h a sp o w e rf f e q u e n cy ，w a v e l e ta n a l y s i s ，s h o r tt i m ea rp o w e rf r e q u e n c na n da p p l i - e st os i g n a t u r ee x t r a c t i o n i no r d e rt os t a n do u ts i g n a t u r ep a r a m e t e r , t h ep a p e r a d o p t sw a v e l e tp a c k e tm e t h o da n da p p l i e st of a u l td i a g n o s i so fd i e s e le n g i n e d i r e c t l ya g a i n s tt h ed i e s e le n g i n ev i b r a t i o na n a l y s i s ，t h i sp a p e rc a r r i e so nt h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fc l a s s i cf a u l t s ：t h ev e r ys m a l li n t e r v a la n db i gi n t e r v a lo f t h ev a l v ee t c ，m a k e st h es c h e m eo ft e s t i n g d u r i n gt h ec o u r s eo fv i b r a t i o ns i g n a l c o l l e c t i o n ，a d o p t ss i m u l t a n e o u sb e t w e e nv i b r a t i o ns i g n a l sa n dp o i n to ft h et o p ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e t s t h es i g n a lo ft h ew h o l ec i r c u l a t i o ni no r d e rt oo f f e rt h ed a t af o rf a u l t d i a g n o s i s n e x t ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ev i b r a t i o nd a t at h a ta r eg a t h e r e d ，u s e sm a t l a b a n du t i l i z es t r o n gd a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yt oa n a l y s i sd a t a t h r o u g hal a r g en u m b e r o fe x p e r i m e n t sa n dd a t aa n a l y s i s ，f i n dt h eo b v i o u sc h a n g eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c u n d e rd i f f e r e n tf a u l ts t a t e s i tp r o v e st h a tt h es c h e m eo fd i e s e le n g i n ev i b r a t i o n s i g n a l sm o n i t o r i n ga n ds i g n a t u r ee x t r a c t i o ne t c f u l l y f i t sm a c h i n ec o n d i t i o n r e c o g n i t i o na n da c c u r a t e l yd i a g n o s i so ft h e f a u l t s t h el a s tc h a p t e ri nt h ep a p e rs u m m a r i z e sm a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h ef u l l t e x t ，p r o v i d e s m a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o na n di n n o v a t i o n ，a n dp o i n to u tt h e d e f i c i e n c yo ft h ep a p e ra n dr e s e a r c hf o c a lp o i n ti nt h ef u t u r e k e yw o r d d i e s e le n g i n e ，v i b r a t i o na n a l y s i s ，f a u l td i a g n o s i s ，s i g n a t u r ee x t r a c t i o n c o n d i t i o nr e c o g n k i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g v 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：行影 日期：别r t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 柴油机作为一种往复式动力机械，目前己成为汽车、工程机械、船舶、机 车和发电机组等诸多设备的动力心脏。这些设备在人民生活和生产实践中担负 着重要的任务。柴油机本身又具有结构复杂，工作条件恶劣的特点，发生故障 的可能性大，一旦发生故障不仅会影响整个设备的正常工作，直接或间接地造 成巨大经济损失，而且可能危及人身安全，造成极为严重的后果。 机械系统状态监测与故障诊断是近二十年来才发展起来的一门新兴学科， 它是门集振动学、声学、光学、电子学和计算机学等多门学科为一体的综合 技术。它通过对设备某些参数的测取与分析，获得设备状态变化的趋势性规律， 判断设备故障的原因、部位和严重程度，对设备的剩余寿命作出估计，进而指 导设备的维修与管理。随着这门技术的迅速发展，机械设备的维修和管理观念 也随之发生了巨大的变化，由过去的事故后维修或定期维修发展到现在的基于 状态监测与故障诊断的主动保养维修或称视情维修。这种现代的设备维修方式 因其可最大限度地节约维修费用，并可最大限度地避免由于意外停机所造成的 间接经济损失而越来越受到企业的重视。 振动监测与诊断技术是机械系统状态监测与故障诊断技术的一个最为重 要的分支，应用也最为广泛。目前，振动监测与诊断技术已在许多工厂企业中 得到推广与应用，但其主要是用于对旋转机械的状态监测与诊断。这是因为旋 转机械的振动特征频率较为简单，通过多年的理论探讨和实践总结，旋转机械 的振动状态监测与诊断已形成了一套较为完整的理论体系，并在实践中为广大 工程技术人员所接受。然而，对于往复式机械，其工作过程是一个非平稳的冲 击振动过程，其振动能量在频域内呈现宽频带分布，故从普通频谱图上很难找 到类似于旋转机械那样的故障特征，其振动状态监测与故障诊断也远远未达到 如旋转机械那样的实用程度。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 柴油机状态监测与故障诊断 1 2 1 柴油机状态监测与故障诊断的主要方法 柴油机作为机械设备故障诊断技术的一个重要研究对象，已得到了国内外 研究界的广泛关注，逐步形成了各种各样的诊断方法和手段f 1 2 3 】。具体采用 的方法大体可分为以下几种，如图1 1 所示。 图1 1 柴油机赦障诊断的一般方法 f i g 11t h ec o t i l i t i o nm e t h o d so ft h ed i e s e le n o n ef a t d t sd i a g n o s i s ( 1 ) 性能检测法 性能检测法是利用柴油机介质如空气、燃气、滑油、冷却液等以及其它一 些机械参数来判断柴油机部件或整机的技术状况【4 】。柴油机的信号有许多，根 据变化快慢可以分为瞬变信号和缓变信号。瞬变信号如：缸内气体压力、瞬时 转速、轴功率、油管压力等等；缓变信号有：燃油耗率、机油耗率、转速、排 气温度、排气压力、进气压力、进气温度、水温等等。根据柴油机的输出性能 信号来识别其运行状态是否正常，这些信号指标对于机器的初期失效反应往往 不很敏感，难以发现柴油机的隐含故障因素。当性能指标劣化时，往往预示故 障已发展到较为严重的程度。 利用气缸气体压力对柴油机进行故障诊断是该类诊断方法中的代表方法。 2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 气缸工作时的气体压力描述了柴油机动力性能，它综合反映了柴油机热能( 燃 油燃烧爆发) 向机械能转换的过程，因此通过气缸内气体压力的变化可对柴油 机的一些故障做出有效的判断。然而工程实际中柴油机工作压力变化信号的直 接测量比较困难，故利用该方法进行柴油机故簿诊断受到了很大的限制，目前 这种方法主要适用于具有示功通道的大型机器上或实验室研究中。近年来，随 着气缸压力识别方法的研究，人们开始用识别的气缸压力来判断柴油机工作性 能，或在气缸压力识别的过程中诊断故障【5 】【6 j 【7 j 。 ( 2 ) 金属介质法 由柴油机结构可知，柴油机运动件含有多种材料的摩擦副，如缸套活塞、 曲轴柄与连杆大段、活塞销与连杆小段及曲轴与轴承座等。这些摩擦副在相对 运动时必然会产生一定的磨耗，而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迸行测量，就可以对机体内部磨损程度 和磨损部位做出判定【8 】。目前一般采用的测试手段有油液的铁谱分析、光谱分 析、红外光谱和油品理化分析等【9 】。通常，油液监测可以延长设备的换油期， 并通过及时预报潜在的故障避免灾难性损坏或延长设备的正常运行时间获得 经济效益。但对于柴油机来说，当柴油机多个部位同时存在磨损时，且摩擦副 的材料相同，该方法就很难精确地判断哪一部位发生了故障。比如对于多缸柴 油机，当通过油液分析发现是气缸部位的故障时，但却不好确定具体是哪一个 气缸发生故障。这种方法的主要缺点是仪器费用高、检测周期长、难以普及。 ( 3 ) 噪声分析法 柴油机的噪声来源于设备内部的各类机械振动口o l 。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。这些振动有整体性的，也有局部 性的，而最终通过一定途径反映到机体外的声辐射中，因此通过对其外部噪声 信号的处理和分析可识别声源，并根据特征参数值的大小来判定该零部件( 声 n ) 2 作状态 1 “。通常采用的方法有声强测试法、声功率测试法及声压测试泫 等。不过由于噪声的测量受环境的影响较大，实际应用中大部分局限于柴油机 整体噪声的测量，而较深层次的研究和振动信号分析方法相比具有一定的差 距。目前，人们习惯把噪声和振动分析归于一类，故用于振动分析的方法一般 都能用于噪声信号的分析中。 f 4 1 瞬时转速法 对于多缸柴油机来说，柴油机曲轴的瞬时转速波动信号能反映机器各缸的 工作状态，因此通过对瞬时转速波动信号的分析可以得到机器运行状态和相关 故障的丰富信息【1 2 一”。正常工况下，各缸的动力性能基本一致，柴油机运转 一3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 平稳，各缸瞬时转速波动虽有差异，但总在一个不大的范围内，并呈现某种规 律性；但当某个气缸工作不正常时，动力的一致性遭到破坏，柴油机运转平稳 性变差，转速波动信号会产生严重变形，据此可以判断其缸内工作过程的好坏。 但是这种方法存在着以下不足： 第一点，利用瞬时转速波动虽然能够确定工作不正常的缸位，但不能确定 造成故障的原因。例如，缸内压力降低造成曲轴瞬时转速变化，可能是活塞环 或缸套磨损引起气密性变差所致，也可能为燃油系统故障造成燃烧不充分所致 等等。 第二点，由于要反映柴油机一个工作循环内角速度的波动，因此瞬时转速 测试装置必须具有以下特征：频率响应高、测试精度高及稳定的动态特性。这 样设备费用会大幅度提高，且现场安装、调试、使用均比较困难。 ( 5 ) 经验分析法 经验分析方法是根据人体可感观的现象，如气味、温度、声音、排气等， 或借助于简单的测试工具，凭经验而定故障。这种方法主要由专业技术人员的 主观意识、故障诊断经验根据设备的工作原理做出的一种智能判定，这种诊断 模式很难用数学模型或定性的语言来描述，但是却不能忽略它在实际生产中重 大作用。如柴油机工作时排气管冒蓝烟( 主要由于机油窜入气缸) 、排气管冒白 烟( 燃油内有水，喷油压力较低或喷油提前角太小等) 、排气管冒黑烟( 供油量 不当，雾化不良或滤清器故障等) 及各种异常响声等现象。根据这些现象，有 经验的专业人员可方便快捷的判断故障之所在，目前这种方法在柴油机故障诊 断中也起着一定的作用。 ( 6 ) 振动分析法 振动分析法是通过钡4 取柴油机工作过程中的振动信号并对其进行分析识 别，从而判断内燃机的隐含故障。柴油机是一种高转速的往复式动力机械，无 论是在其工作过程中还是性能监测中，其振动信号都是反映发动机内在各部件 之间关系的极其敏感的参数。对于工作过程而言，柴油机燃烧爆发时的瞬时压 力波动所产生的冲击以及进、排气门升起、落座都会产生冲击，燃烧提前、滞 后、气门漏气等故障，都会在这些信号中有所反映；而对于性能参数而言，衡 量机器工作正常状态与否的综合性能指标是与工作过程及各机构之间的运动 协调与否紧密相关的，丽这些指标在振动信号中反映更敏感、更直接。这种方 法具有不影响柴油机运行，便于测量，诊断速度快，准确率高，诊断部位准确 并能实现在线检测等优点。所以，本文拟采用振动分析法来进行柴油机状态识 别和故障诊断。 4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 柴油机振动分析方法的基本原理 柴油机振动分析法，是透过对机体某些敏感部位的振动信号的采集并经过 信号处理技术提取特征参数来判断柴油机工作状态与故障情况的一门技术。其 基本思想是，在柴油机的运行过程中，机器外表面上测得的振动信号含有关于 机器内部过程的重要信息，并可提供关于机器运行状态的有用信息。不同的机 器零部件发出各自确定特征的振动信号，并且这些振动信号随单个零件的损坏 或磨损程度而变化。找出表征具体故障的特征参数及其失效程度的数值规律， 就可以据此来进行柴油机的故障诊断。用振动分析法诊断柴油机故障应包括以 下四方面的内容： ( 1 ) 故障机理的研究 故障机理的研究需要多门基础学科的支撑，如力学、数学、摩擦学等，还 受到柴油机自身结构及工作环境与工作状态的影响，从而给人们的研究带来了 较大的困难。但是作为振动诊断的上游工作，是实行振动诊断的理论依据，因 此对其进行研究是十分必要的。只有在了解和掌握故障产生的机理后，才能确 定袭征故障的特征参数，从而选择正确的分析方法把它从柴油机运行中出现的 振动信号中分离出来。 ( 2 ) 振动信号的采集 针对工作中的柴油机而言，仅能从柴油机外表面测量其在工作激励下的响 应。目前振动信号获取的最直观、有效的方法就是依靠相关传感器及其辅助测 试仪器在机械设备运行过程中进行拾取。其整个工作过程包括以下几个方面： 第一是根据工程需要选择传感器类型、有关测试参数及测试位置等，以保证获 取信号的有效性；第二是对传感器拾取的信号进行预处理( 如抗混滤波，功放 等) 及向上传输；第三是数据的采集，即把连续信号离散化；第四是数据的存 储，根据分析软件的要求把获得离散数据按一定格式保存为文件，以备将来随 时调用和分析。 ( 3 ) 振动信号的处理 由拾振设备得到的振动信号称为原始信号，它是在时域内表征振动检测量 ( 如加速度) 的变化曲线。原始信号可分为随机信号、周期信号和瞬时信号等三 种类型。在柴油机表面测得的原始信号通常是上述三种信号的组合，从原始信 号中有时能看出某些特征，但是它所能提供的有用信息毕竟十分有限。所以需 要对这些原始信号进行处理，把有用的信号从杂乱的成分和干扰中提取出来以 便于故障的识别，这就是振动信号处理。信号处理是故障诊断技术的核心。 一5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 对于不太复杂的信号在时域内进行处理可以获得均值、均方值、方差、偏 斜度和峭度等指标，这些可以用来初步判断机器的运行状态。而柴油机的振动 信号非常复杂，通常难以在时域内获得满意的诊断参数。故目前应用最广泛的 方法是在频域中甚至在时频域中对振动信号进行处理。 ( 4 ) 故障的识别 特征量或特征信息的提取，仅仅是提供了对设备状态进行分析与诊断的依 据，如何作出正确的判断与决策，是诊断技术所要解决的问题。这一技术领域 的研究目前十分活跃，并取得了很大的进展。故障识别就是根据所提取的特征 信息来判别系统状态有无异常，并根据此信息和其它补充测试的辅助信息寻找 故障源。故障源可能是柴油机零件、部件或子系统，可依据特征信息和故障源 对系统性能指标的影响程度做出估计，并综合分析出故障等级。目前最常用诊 断故障的方法就是把事先通过计算分析、试验研究或对实际数据进行统计归纳 等方式，确定设备有关状态与特征量之间的对应关系，即建立特征量的基准模 式。在对设备状态进行分析判断时，只要将得到的特征量与基准模式进行比较， 即可确定设备当前的运行状态。 综合上述，柴油机振动分析法的整个过程可归结为如图12 所示： 阱j 逦亟鼍、 日匝受口刊振鞯酬特掰刨笔饼l t 状态信号的获取l 一 一_ j | l 一 j l 广 图l2 柴油机振动分析法基本过程结构框图 f 瞎l2b a s i cp r o c e s sf r a m ed i a g r a mo f v i b r a t i o na n a l y s i s 1 3 振动分析法在国内外的研究现状 1 3 1 国外研究现状 上世纪7 0 年代后期，国外开始用振动诊断技术来研究柴油机的故障诊断 6 东北大学硕士学位论文 第一辛绪论 0 6 ”】。1 9 8 0 年r h l y o l l 教授和美国麻省理工学院( m i t ) 的其他学者开始在 柴油机上做实验并把结果与理论相结合来开发新的处理方法。1 9 8 7 年研制出 柴油机状态评价系统n b u c e ，n e u c e 系统应用高级信号处理方法，从气缸 外部机体上的加速度传感器采集的振动信号中提取信息，从而得到接近于振源 发出的信号。该系统使用了快速傅立叶变化技术，能够分析燃烧压力和柴油机 其他零部件的冲击【l s 】 1 9 】。1 9 9 2 年g e 公司运输系统部开始开发使用d e u c e 技术的专家系统，该系统把温度、压力、转速等传感器技术与d e u c e 的振动 信号处理技术结合在一起。目前，已经能够诊断气阀与阀座冲击、燃烧喷射故 障以及活塞环断裂或过渡磨损。c a t e r - p i l l a ri n c 在用高速数据采集器来采集柴 油机的振动、噪声以及温度和压力信号来研究柴油机的故障诊断问题 2 ”。 c o m m i n s 发动机公司的工程师主要在应用灭缸实验法以及应用测功器和转速 检测器来检测柴油机的工作状态。法国的f m o l i n a r o ，e c a s t a n t i c 和a d e n j e a n 根据发动机敲缸产生的振动信号进行发动机故障诊断。他们认为，敲缸是由发 动机的各种故障造成的，包含了不同的故障信息。对振动信号进行小波变换， 将有效信号从信噪比比较低的复杂信号中提取出来，通过有效信号的时一频分 析，实现对柴油机的诊断【2 ”。日本o k 交通系统实验室对柴油机振动信号进 行频谱分析，利用暌时极大熵方法来分析柴油机振动故障f 2 ”。 1 3 2 国内研究现状 我国在柴油机故障诊断方面的研究工作大约在上世纪8 0 年代初在振动诊 断技术发展的基础上开始的。在柴油机故障及振动诊断方法的研究领域，工作 比较突出的是武汉交通科技大学周轶尘教授等【”】，大约是从1 9 8 5 年开始研究 的。他们主要研究了小型柴油机缸套传递特征，柴油机气缸套振动特性及激励 分析。在不考虑相邻气缸间振动信号影响的情况下，利用加速度计、电荷放大 器、磁盘记录仪、信号分析仪等仪器设备，对柴油机气缸套、机体等的振动特 性进行了研究，达到利用表面振动信号诊断柴油机气缸的技术状态，提出了若 干判断柴油机气缸套磨损及由于间隙过小造成的拉缸的方法。如利用振动加速 度总振级或时域信号的均值、方差、四阶矩等特征量来判断柴油机工作状态的 变化；利用频域信号如功率谱密度函数某些频率上幅值的变化，来判断机器的 工作状态。另外还对柴油机其他零部件如气阀、主轴承、主轴颈的状态判别做 了研究。1 9 9 5 年又在中型船用柴油机s n v d 4 8 a - - 2 u 上进行研究，并进入实 际应用，以上都是建立在柴油机表面振动信号为平稳随机过程的假设基础上 。7 东北失学硕士学位论文 第一章绪论 的，用f o u r i e r 变换方法对其振动信号进行处理的。西南交通大学谭达明等 2 4 】 对柴油机工作过程故障的振动诊断进行了基础研究工作，讨论了柴油机缸盖振 动信号的时间特征和循环波动性，提出从缸盖振动信号中提取燃烧激振力及排 气门落座响应的频率特征，认为将综合性故障诊断与零部件故障诊断相结合是 可行的方法。山东工业大学的耿遵敏等在他们对1 9 0 系列柴油机振动诊断实践 的基础上，从信号处理、非平稳信号分析方法、故障分类等进行了讨论，提出 用a r s t p 短时谱分析方法和基于a r 模型的w i n g e r 时频分析方法对配气、 供油等机械系统及相关的工作过程故障进行诊断【2 5 。 2 0 0 0 年天津大学陈恰然、金萍等证明了柴油机表面振动信号是非平稳随 机过程，这些为柴油机的振动诊断探索了一条新途径。在上述理论的基础上华 中理工大学杨叔子、刘世元等用小波包改进算法对2 1 0 5 柴油机缸盖振动信号 进行分析【2 6 】；时频分析方法是柴油机故障诊断中较为常用的一种方法，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；另一方面它作为独立的方法对柴油机进行故障诊断， v u j i 等人利用小波对缸压信号进行分析来研究燃烧情况【2 ”。程永康等利用小 波对柴油机配气机构的故障特征进行了分析【2 ”，何正嘉教授等利用基因小波 有效的从振动信号中提取到了气阀漏气的信息【2 9 ；上海交通大学伍学奎等【3 0 用小波包变换对1 3 5 系列柴油机气阀漏气诊断；大连理工大学邹和斌、李志敏 3 h 用正交小波变换对柴油机主轴承振动监测。再者与其它方法结合队柴油机 故障进行更深层次的研究，这一部分是小波在柴油机故障诊断中的热点，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【3 ”。 1 4 本论文主要的研究工作 这篇论文主要内容如下： 第一章主要介绍柴油机故障诊断的主要方法，并对各方法的优缺点进行 对比，得出振动分析方法具有其它方法不可比拟的优点，进而详细介绍了振动 分析法诊断机理以及实施基本过程。 第二章利用柴油机表面振动信号对柴油机进行状态监测与故障诊断，必 须深刻了解柴油机工作原理，弓；起柴油机表面振动的主要原因及其性质。因此 本章首先通过对柴油机振动进行理论研究，详细分析了引起柴油机振动的主要 激励源，阐述了内部激励源与表面振动响应信号之间的内在关系，论证了利用 柴油机表面振动响应信号对其进行不解体故障诊断的可行性。然后，着重论述 8 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 了激励源及其响应的特性，同时也分析了振动信号的传递路径，为振动信号的 测点选择和实测信号分析方法的选择提供了理论依据。总之本章的讨论为振动 响应信号在柴油机状态识别和故障诊断领域中的应用奠定了理论基础。 第三章本章在掌握柴油机振动产生机理及振动信号性质的基础上，对于 其特征提取方法进行了较为深入的研究。针对柴油机表面振动信号特点，本文 对信号处理中的幅值域参数，功率谱分析，短时a r 谱等方法在柴油机振动信 号中的应用进行了研究。而为了突出振动信号的特征参数，引入了小波包变换 的方法，并把小波包变换应用在柴油机状态识别中。 振动信号经过放大后，由于含有噪声，一般从时域波形上很难反映问题。 因此必须利用信号分析与处理技术去除噪声，并把信号转化在不同的域内进行 分析，才能得到更能敏感反映柴油机运行状态的特征参数。基于此问题，针对 柴油机振动信号的特点，本文采用小波包技术来对信号进行降噪预处理，以利 于特征的提取和故障的识别。 第四章本章重点是具体进行了振动监测系统的方案设计，针对借助振动 分析能够准确识别的一些典型故障进行实验研究。本文在6 b t 5 9 型柴油机上 进行故障实验，通过人为设置进排气系统问隙异常、喷油器滴漏和单缸断油3 个典型故障，并设计了具体的振动实验方案。在振动信号采集过程中，采取了 上止点信号和振动信号的同步采集，方便振动信号的截取，为故障诊断提供数 据和实验支持。 第五章对采集的柴油机表面振动信号，综合运用振动信号特征提取的各 种方法进行分析，从中找出柴油机表面的振动信号与其相关故障之间的关系， 并得出一些基于振动信号的状态识别的判据。文中分析表明，柴油机的工作状 态能够较灵敏地反映在其机体表面的振动信号上；基于振动信号分析的柴油机 状态监测系统能够提高柴油机的工作效率，及时发现故障，最终提高柴油机安 全性和可靠性。 第六章论文的最后一章对全文的主要研究内容进行了总结，给出了主要 研究结论和创新点，指出了论文的不完善之处和今后的研究重点。 9 东北大学硕士学位论文 第二章柴油机振动理论及振动信号分析研究 第二章柴油机振动理论及振动信号的分析 研究 2 1 引言 柴油机表面振动信号中包含着内部零部件丰富的状态信息，对其进行信号 分析处理从理论上来说可判定内部零部件的状态性能。不过要真正实现利用振 动信号对柴油机进行正确的故障诊断，首先必须深入理解振动信号及其激振源 特性。 柴油机一般都包含活塞、连杆、曲柄轴等组成的活塞一曲柄机构。这些构 件在高速周期性运动时产生的惯性力及气缸内的气压力均呈周期性变化，并由 此构成机器内的激振源，因此在柴油机工作时产生振动是不可避免的c 3 ”。另 外，由于磨损、腐蚀等作用，柴油机内部相对运动部件之间的间隙将会不断增 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 ” ，故利用柴油 机表面振动信号进行故障诊断是可行的。 2 2 柴油机的动力特性分析 振动分析的关键在于建立激振源、传递路径与振动响应之间的内在关系， 而建立这三者之间正确关系的基础是激励产生条件及影响因素 3 4 】，也就是说 必须从根本上了解振动的根源及动力学特性。因此对影响柴油机表面振动内部 零部件的动力学分析是十分必要的，为简单明了我们以单缸四冲程柴油机为例 进行分析。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章柴油机振动理论及振动信号分析研究 j a l 上止点 习 ， ， 1 2 下止点 ， xb o ， ，、 图2 1 曲柄连杆机构示意图 f i g2 1 d i a g r a m o f p i s t o ns y s t e m 2 2 1 柴油机基本结构 y 如图21 所示，气缸、活塞组、连杆、曲轴组组成了一个曲柄连杆机构。 柴油机工作时，气缸内燃烧压力通过这个机构推动活塞往复运动，然后活塞的 往复运动转换为曲柄的回转运动，进而输出机械功。图中a 、b 、o 三点分别 代表活塞销中心、曲柄中心和曲柄回转中心；a l 和a 2 分别代表活塞运动时 活塞销中心的上、下极限位置，称之为上止点与下止点，这两点之间的距离为 活塞行程，大小为2 r ，r 为曲柄回转半径；a b 为连杆长度，大小为l ；口为 连杆摆角，口为曲柄转角，曲柄转速为( - 0 ；定义丑为曲柄连杆长度之比，五= r l ；由图中的几何关系可得： s i n a = is i n p ( 21 ) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 c o s a = l 一五2s i n 2 p( 2 2 ) 2 2 2 活塞组件动力分析 活塞组件是曲柄连杆机构中作纯粹往复直线运动零件的总称。活塞组件包 一1 1 一 东北大学硕士学位论文第二章柴油机振动理论及振动信号分析研究 括活塞、活塞环、活塞销以及它们的紧固元件( 如弹簧锁环，活塞定位塞子) 等。活塞组件的质量m 。等于上述各零件实际质量的总和，在对其动力学分析 时，可以近似认为该质量m 。集中在活塞销中心处，如图2 1 和图2 2 所示的 a 点。柴油机工作时，活塞组件主要由以下两种力影响其动力学特性。 ( a ) p ；名 图2 2 曲柄连杆机构受力分析 f 远22f o r c ea n a l y z eo f c r a n km e c h a n i s m ( c ) ( 1 ) 活塞上的气体压力 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己。同时活塞还受到 来自曲轴箱内气体的压力，设为只( 近似为一个大气压力) 。那么，作用在活塞 上的总气体力为： 名= 譬幢一只) ( 2 3 ) 柴油机工作时，只远大于r ，因此一般忽略p o 的影响。另外，一个工作 循环中缸内气体压力是变化的，并且是曲轴转角卢的函数，故式( 2 4 ) 可简单表 示为： p 掌= 名) ( 2 4 ) ( 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m 。都沿气缸中心线 作往复运动，因此，集中在活塞销中心作往复直线运动的质景m 。可表示为： 1 2 ， 东北大学硕士学位论文第二章柴油机振动理论及振动信号分析研究 m f = 研 + m ( 25 ) 惯性力大小等于运动质量和加速度的乘积，丽方向与加速度相反，因此， 活塞的往复惯性力凡为式( 2 6 ) ： 口= r e ) 2c o s f l + ) c o s 2 f 1 1 凡= 一肼g r e 9 2 ( c o s f l + c o s2 f 1 ) ( 2 6 ) m 。、m 。、r 和丑都是常数。当机器在稳定工况时，珊也是定值所以，往复惯 性力的大小和方向都随曲柄转角卢作周期性变化，此时= t 。则活塞所受 的合力可表示为式( 27 ) ： p = 匕+ 凡( 2 7 ) 2 2 3 连杆和曲柄的等效系统动力分析 在曲柄连杆机构中，曲柄不平衡质量m 。和连杆大端质量m 。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m ，为式( 2 8 ) ： m ，= 4 - m w( 2 8 ) 曲柄连杆机构中，作用于曲柄中心的不平衡离心惯性力r 为式： r = m * r c o 。( 2 9 ) 当柴油机转速稳定时，式中埘，r 和t o 都可以近似为定值。因此，离心 惯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 曲柄一起不断回转。如图22 ( c ) 所示，作用于曲轴回转中心( 主轴颈) 的不平衡离 心惯性力乓为： 足= 肌，r c o 2 ( 2 1 0 ) 来自连杆的推力只可分解为指向盐轴回转中心的径向力e 和推动曲柄旋 转的切向力f 。因此，曲柄销中心点b 处除了承受法向力只和切向力f 外， 还承受连杆太端质量产生的离心惯性力只( 如图2 2 ( e ) ) ，故曲柄销所受的作 鼹台力f b 为： 尼= e 2 + 蛾一f ) 2( 2 1 1 ) 曲轴回转中心0 处除了承受由b 点平移到此处的法向力只和切向力e ( 这 两个力的合力为f ) 外，还承受连杆大端质量及曲柄不平衡质量的离心惯性力 名( 如图2 2 ( d ) ) ，故曲轴主轴承所受的合力c 大小为式( 2 1 2 ) ： b = e 2 十帆一只) 2( 2 1 2 ) 一1 3 东北大学硕士学位论文笫二章柴油机振动理论及振动信号分析研究 b 和b 分别是引起曲柄轴承( 大瓦) 和主轴承( 曲轴支撑轴承) 磨损的动力 源，由此造成的摩擦力会反映到曲轴箱上，故在曲轴箱的适当位置，可以从检 测到的振动信号中，分析出这两方面滑动轴承的蹭损状态。 2 2 4 配气系统动力分析 配气系统故障是柴油机常见的故障，多数表现为气门间隙异常和气门密封 面磨损、积炭烧蚀或翘曲变性等而产生的漏气。而这类故障通常是利用气门落 座冲击引起缸盖或摇臂座的振动响应及漏气节流对缸盖的冲击响应进行诊断 的。 图2 3 为气门结构的简化模型” 。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，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： 所害+ c i f 妾一妾1 一。：妾+ ，7 + i l ) 一k s o - x - l ) 一r q ：013)tx 0 ( 2 1 3 所可+ c 文面一瓦- 。z 瓦诎t 锄，一忡 一 2 式中： x ( f ) 气门的位移( 开启方向为 正) ； “( f ) 凸轮的升程函数，由凸轮 形状决定及转速； k ，气门弹簧的总刚度； 岛一一为外阻尼系数； k ，一传动系统( 包括挺柱、摇臂、 推杆等) 的刚度； c ，传动系统的阻尼系数； h 一一弹簧安装时预压量； p 气体阻力； 从上式可以看出，气门间隙的变化 将引起气门运动参数的改变，即随着间 隙工的增大，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。这就是利用缸盖表 1 4 ( f ) 上 d 图2 3 气门结构简化图 f i 醇3t h em o d e lo f v a l v es l x u c y u r e 东北大学硕士学位论文 第= 章柴油机振动理论及振动信号分析研究 面振动信号诊断气门间隙的理论依据。 另外，气门漏气一般是由于气门与座之间存在狭缝，狭缝喷流声学特性的 研究表明：喷流的声学信号与“白噪声”极为相似，故气门漏气产生的是一个 范围很宽的准白噪声激