（动力机械及工程专业论文）便携式内燃机曲轴角振动故障诊断系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 内燃机是一种复杂的动力机械，一般的机械故障诊断技术难以直接应用 于内燃机故障诊断。内燃机的曲轴角振动信号含有丰富的内燃机工作状态信 息，因而得到了国内外的广泛关注，是目前内燃机故障诊断领域的前沿和研 究热点。基于曲轴角振动的内燃机扭振测量和故障诊断设备经历了由传统仪 器、电子仪器、智能仪器到便携式仪器的发展过程。由于便携式仪器具有体 积小、低功耗、野外操作便于携带、抗恶劣环境能力强等特点，使其成为近 些年来设计开发人员关注的发展方向。 本文运用多机通信技术、串口通信技术及程序组件技术，以c + + b u i l d e r 程序开发软件作为系统开发平台，以便携式外部设备作为硬件开发基础，在 内燃机扭振测量分析系统( t v m 系统) 的基础上，开发研制了便携式内燃机 曲轴角振动故障诊断系统( p t 、仆d 系统) 。该系统分为外部硬件设备和后台数 据处理软件两大组成部分，通过对内燃机曲轴角振动信号的采集、处理、计 算和分析，实现对内燃机的轴系扭振分析和故障诊断。实际应用验证了该系 统的可靠性、准确性和实用性。 本文深入分析了内燃机轴系扭振振型的特性，归纳出了在低阶振型中广 泛存在的“单谐次准梯形模型”，并在此基础上提出了新的内燃机工作状态单 谐次角振动监测方法。根据反映简谐角振动幅值和相位与各缸力矩间函数关 系的基本关系式，利用简谐角振动矢量合成方法推导出了满足“单谐次准梯 形模型”条件的典型多缸内燃机可以用于状态监测的谐次。发展了既不需要 准确轴系结构参数，又不依赖大量实验，且适用于轴系存在较大扭振的多缸 内燃机曲轴角振动诊断的新方法。通过仿真研究，验证了基于“单谐次准梯 形模型”的内燃机工作状态监测新方法的可行性。 论文的研究工作，进一步发展和丰富了内燃机单谐次曲轴角振动故障诊 断方法；开发的便携式系统，在内燃机曲轴扭振测量分析、工作状态监测和 故障缸诊断等方面具有工程应用价值。 关键词内燃机；故障诊断；角振动；便携式 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a - b s t r a c t 1 m e m a lc o m b u s t i o ne n 百n e ( i c e ) i sak i n do fc o m p l i c a t e dp o w e rm a c h i n e st o w h i c hc o m m o nf a u l td i a g i m s i sm e t h o d s 甜eh a r d l va p p l i e d a n 毋l l a rv i b r a t i o n s i g 皿a l so fc r a n k s h a f ti n c l u d ea b u n d a n ti i l | b n n a t i o n so no p e r a t i n gs t a t eo fi c e w h i c hl e a d st of o r e i g na n dd o m e s t i ca t t e n t i o n s a lp r c s e n t ，i ti sf o r e l a n da i l dh o t s p o t t h ef 矗u nd j a 星皿o s j sd e v i c e sh a v eu n d e 糟o n ef o 玎rp h f a s e st h a fa f e r a d j t j o n a 】 d e v i c e s ，e l e c t r o n i cd e v i c e s ，i n t e l l e c t l l a ld e v i c e 5a n dp o r t a b l ed e v i c e s t h ep o n a b l e d e v i c e sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lv o l u m e ，l o wp o w e rl o s s ，e a s v c a r r i e di n 丘e j d ，s t r o n gr e s j s t a n c ea g a i n s th a r s he n v i r o n m e n t ，s oi tb e c a m e st h en e wt r e n do f d e v e l o p m e n tf o c u s e db yd e s i 2 n e r s 1 h ep a p c ru s e dm c t h o d s0 fm u l t i - c o m p u t c rc o m m u n i c a t i o n ，a ) mp o r t c o m m u n i 叫o na n dp r o g r a m夸o u p w a r em b i n e dw i t h e x t e m a l l yp o r t a b l e h a r d w a r et od e v e l o 口p o r t a b l ec r a n k s h a f tt o r s i o n a 圭v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n d d i a g n o s j ss y s t e mf p t v m ) b yc + + b u j l d e rs o f t 、v a r co nt h eb 鹊i so ft o r s i o a 1 v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ( t v m ) t h es y s t e mc a nb ed a s s i f i e di n t o 铆op a n s 0 n ep a ni sm ee x t e m a lh a r d w a r ea n dt h eo t h e fd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e t h r o u 曲 d a t as 锄p l i i l 岛a 1 1 a l y s j sa l l dc a l c u l a t i o n ，t l l ef a u nd i a 韶o s i so fi c ec a i ib ea c h i e v e d a p p l i c a t i o n sv e r i e e dt h a tt h es y s t e mi so ft h er c l i a b i l i t y ，c o r r e c t i l e s sa n d a p p l i c 如i l i t y t 1 l ep a p e ra n a l y z e dt 1 1 e p r o p e r t yo ft o r s i o n a lv i b m t i o nm o d ei nd e p t ha n d s y n t h e s i z e dt h es i n g l eo r d e rq u a s i t r a p e z i am o d e le x i s t e de x t e n s i v e ly na l s o p r e s e n t e dan e wm o n i t o 血gm e t h o do n 叩e r a t i n gs t a t eo fs i n 舀eo r d e ra l l g u l a r v i b r a t i o n a c c o r d i l l 2t om ef i l l l c t i o n a lf o m u l a t i o nt h a tr e n e c t st h er c l a t i o n b c t w e e a n g u h rv i b r a t i o n - 锄p l i t u d e ，p h a s ea n dt o r q u e so fd i r e n tc y l i n d e r s ， t 1 1 e0 r d e rf o rc o n d j t j 衄m o n i t o rw 1 1 i c hs a l i 蜊e ss j n g l eo r d e rq u a s j - t r a p e z j am o d e l i si d u c e db vv e c t o r _ c o m p o s i t i o n an e wm e t l l o di si m p m v c ds od r 锄a t i c a l l ym a t i td o e s n tn e e dc o r r e c ts t r l l c t u r a lp a r 锄e t c ro fc r a n k s h a f t sa n dc o u n to nag r e a t d e a lo fe x p e r i m e m s ，a n ds u i t a b l et o 血ec a s e sw h e r ct h e r eh a sl a r g et o r s i o n a l v i b r a t i o ni nm u i t i c v l i n d e re n g i n e t h es i m u l a t i o nr e s e a r c h e sv e r i f yt h el i s e f h l n e s s o ft h em e t h o d t 1 l ep a p e rf i l r t h e rd e v e l o p sa i l de i 访c h e st h em e m o d so fi c es i n 西eo r d e rf a u l t d i a g n o s i si na i l g u l a iv i b r a t i o no fc i a k s h a f t t h ep o n a b l es y s t e r nd e v e l o p e dh a s e n 舀n e e r i n g 印p l i c a b i ev a l u e s k e yw o r d s ：i c e ；f a u l td i a g n o s i s ；a n g u l a rv i b r a t i o n ；p o r t a b l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题的意义 内燃机是工农业生产中的主要动力机械之一。内燃机自1 8 7 6 年在德国研 制成功以来，作为移动式和固定式动力装景，在工业、农业、能源和交通运 输等领域获得了广泛的应用，已成为现代动力设备的主要组成部分之一。内 燃机常常是机械系统的“心脏”，其运行状态的好坏，直接影响到整个机组的 工作状态。经过一个多世纪的完善和改进，内燃机的动力性、经济性、可靠 性及排放性能等不断取得进步，在社会生产和生活中己成为不可替代的动力 装置。 众所周知，内燃机是一种往复式动力机械，由于结构复杂，运动部件多， 许多零部件处在高温、高压和强烈振动的恶劣条件下工作，造成内燃机运行 的故障率较高。在内燃机工作过程中，常常由于某部件发生故障，导致内燃 机性能恶化、经济性变差、振动噪声增大、可靠性变差和排放增加等，严重 时根本无法继续运转。而且，一旦发生故障，还会影响整个机械系统的正常 工作，直接或间接地造成巨大的经济损失，甚至危及人身安全。因此，发展 内燃机故障诊断技术，对于准确判断内燃机工作状态和故障原因，提供正确 的维修指导，确保内燃机的系统正常、安全运行，以及提高维修质量和效率 等都具有重大的实用价值和经济意义。各国也十分重视内燃机运行状态的监 测和故障诊断工作。 测试技术、电子技术、计算机技术和内燃机故障诊断机理研究的发展， 为研制可进行在线实时诊断的便携式内燃机故障诊断系统提供了技术条件。 本文利用测量简便、信息丰富的曲轴角振动信号，开发的便携式内燃机曲轴 角振动故障诊断系统，能进行常规的曲轴扭振测量分析、内燃机工作状态在 线监测和故障缸诊断，具有工程实用价值。另外，本文还在最新内燃机故障 诊断机理研究基础上【1 l 对基于曲轴角振动信号的内燃机状态监测方法进行 了深入研究，所提出的“单谐次准梯形模型”及以其为基础的内燃机状态监 测新方法，具有理论上的创新性和较广泛的适用性，发展和完善了内燃机工 作状态单谐次监测方法。 1 2 内燃机故障诊断技术的发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 机械故障诊断技术 机械故障诊断主要是对设备运行状况进行监测和预测。其主要内容有设 备状况信号的采集、故障征兆分类与状态识别，以及趋势预测与决策等。 现代的机械故障诊断技术是2 0 世纪6 0 年代中期开始发展起来的，这是 因为在6 0 年代人们己经丌始认识到发展现代机械故障诊断技术的重要性和 迫切性。机械故障诊断技术得到了飞速的发展。表征机器运行状态的参数采 集从传统的、主要依靠人的经验的直接观察法和单( 少诱数检测法，发展为 诸如振动噪声法、性能参数法、磨损残留物法等多参数检测法。先进的参数 采集设备和检测手段为故障的识别提供了丰富的、可靠的信息。与之相适应， 在模式识别理论的指导下，利用特征参数对故障进行分类识别的方法也由传 统的单( 少) 参数识别法发展为统计识别法、模糊识别法以及灰色关联度识别 法等多参数识别法。进入8 0 年代以后，专家系统、人工神经网络等技术取得 了突飞猛进的发展，并在实际工程中得到应用。专家系统是基于符号的推理 系统，具有解释功能。人工神经网络技术代表了一种新的技术体系，它以强 有力的学习和并行处理能力为故障诊断提供了全新的理论方法和实现手段。 专家系统、人工神经网络等技术为设备的故障诊断带来了高度智能化。虽然， 这一阶段发展历史并不长，但已有研究成果表明，设备智能诊断具有十分广 泛的应用前景。 状态监测和故障诊断技术是近二十年才发展的一门综合性新兴学科，它 是利用检测技术、信号处理、模式识别、系统理论、预报决策、可靠性分析 和计算机软硬件技术等多种现代化研究成果，对设备运行状态进行监测，判 断设备性能劣化趋势，诊断和预报故障，以保障设备的科学管理和合理的维 修与应用。 随着模糊集理论、专家系统、神经网络技术和小波分析等理论的发展以 及监测技术、电子技术和通信技术等相关领域学科的进一步深入，设备故障 诊断技术正朝着智能化、网络化和便携化方向发展，已形成了一门集数学、 物理、电子技术、计算机技术、通信技术、信息处理、模式识别和人工智能 等多学科交叉的综合性技术。 1 。2 2 内燃机故障诊断技术 随着科学技术发展的日新月异，内燃机正朝着高速、轻型、大功率的方 向发展，使得内燃机日益复杂。一旦某一部分发生故障，往往造成巨大的经 济损失和人员伤亡事故。内燃机的维修费用和停机损失，在成本中所占的比 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 例越来越大，造成的损失不断增加。因此，如何对内燃机的故障进行及时、 高效的诊断和维修日益成为一个突出的问题。 鉴于内燃机工作状况稳定的重要性，人们对内燃机的可靠性、可维修性 与经济性提出了越来越高的要求，在注重其效率和能耗的同时，环保的要求 也越来越高。因此，传统的检修方法已远远不能满足要求。怎样在内燃机运 行中或基本不拆卸的情况下，依靠先进的传感器技术、动态测试技术及计算 机信号处理技术，掌握内燃机的运行状态，分析内燃机中异常的部位和原因， 并预测其未来的发展趋势，是各国学者格外关注的问题。内燃机状态监测和 故障诊断技术也已经从最开始的事后维修发展到定时检测、再到现代故障诊 断技术的视情维修。 现代内燃机，其许多故障很难靠人的感觉和经验检查出来，必须采用先 进的仪器和科学的方法来监测和诊断。最初的内燃机故障诊断设备是些车 载诊断设备，其特点是用车载仪器仪表，检测一些常用的指标，如压力、温 度、速度等，简单判断车辆状态。数字计算机、传感器技术及信号处理技术 的高度发展大大促进了内燃机故障诊断技术的发展。 从2 0 世纪6 0 年代开始，计算机和电子技术取得了巨大的进步，同时，也 出现了傅立叶变换的快速算法和算法语言，从而把信号分析技术从硬件到软 件都推向新的高度。对于内燃机这样的复杂运动系统而言，其信号多数是非 平稳的、瞬态的、突变的，因此传统的傅立叶变换等信号分析方法在分辨率 上不能满足要求。小波理论的出现为提高信号处理的分辨率提供了有效的方 法。分形几何是将传统的几何方法中整数维数扩展成连续正数，认为自然界 中的几何对象分形具有不一定是正数的分形维数。分形几何在非平稳、 瞬态的、突变的信号处理中也具有很好的应用前景。全息谱分析方法则充分 考虑了幅、频、相三者的结合，弥补了普通傅氏谱只考虑幅频关系的不足， 能够比较全面地获取信息。 2 0 世纪7 0 年代中期以后开发研制的内燃机工况诊断系统，是传统监测 系统的扩展，增加了对内燃机内部参数的自动监测。它以计算机技术、传感 器技术和动态测试技术为基础，把对柴油机各热工参数的分析做为手段，将 所有监测信号输入计算机进行分析计算，预测不正常状态，作一些趋势分析， 为维修工作提供资料。典型系统有：s u l z e r 公司的发动机诊断系统( s e d s 系统) 【8 】。s e d s 系统是一个在线诊断系统，除有对常规的压力、温度、转速 等进行连续监测外，还可对燃烧压力、喷油压力、缸套磨损等进行连续的监 测，并用计算机对有关参数作趋势分析记录和早期故障诊断。实践证明s e d s 西南交通大学硕士碡究生学位论文第8 页 1 3 3 搿鋈囊蓁鬟篓 磐蕊萄氨驯剿裂强曩璀懋瑟士鞋穗建顷理旗海譬露澎l ； 癖滢霎銎蚕廊 抒鞴习i 蜥蠢囊件角涮粥薹费啭霪嗣斟掣譬i 埔期漆垆嚏捕i 缀。重量 鬻w 镑卉爿南世喝淄妻毳薹冀莲鎏囊囊要? 摹薹翼萋薰巍藐箍梨雀华东管艨j 斟器嘈涵濂滏淮兰_ 利 1 ； 庙孀浔尊口鬻必雕驯酬斟掣垫冀! 电源供电萋j 鞫劐；静券l 必替蜀烈鞋夕割拳种 供电模式：1 计算机的 鼠标电源或u sb 电源供电：2 步 接交流电源供电；3 夕h 置充电电池供电。具 有便携的优点，可以工作于生产现场或野外。外观见图2 4 。 其工作原理是利用硬件精确测出传感器的每两个相邻输出脉冲电信号之 间的晶振次数，将其转换为数字信号后传送给计算机。 图2 - 4p 1 v m 数据采集卡及磁电式传感器 在p t v m 系统安装调试完毕后，首先由计算机向数据采集卡发送采样指 令，数据采集卡开始接收由磁电式传感器产生电压脉冲信号。图2 5 中的磁 电传感器1 、2分别对应测量齿盘1 、2 产生电压脉冲信号，其电压脉冲信号 经由连线分别存 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 五个推论，建立了一套应用广泛、诊断准确、简便实用且不依赖轴系结构参 数或大量实验的内燃机曲轴角振动简谐诊断新方法，并成功地应用于内燃机 工作状态监测、停缸号诊断、故障缸功率损失率诊断、漏气缸位诊断和各缸 作功均匀性诊断中。 1 4 本文的主要研究内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 虽然近年来内燃机曲轴角振动信号测量和基于曲轴角振动信号的内燃机 故障诊断领域取得了巨大进展。但也存在如下两个尚待解决的问题：其一是 尽管曲轴角振动( 扭振) 测量虚拟仪器有多种，但缺乏用于开发故障诊断功 能的便携式曲轴角振动测量分析仪；其二是内燃机啦轴角振动单谐次诊断法 尽管以诊断准确、简便实用且不依赖先验知识的特点显示了其优越性。但该 方法主要以“单谐次准刚体模型”为基础，在单谐次角振动不满足“单谐次 准刚体模型”条件时，该方法受到局限。 论文将针对上述两个问题，主要进行便携式内燃机曲轴角振动故障诊断 系统( p 1 m 系统) 开发和内燃机曲轴角振动故障诊断新方法研究两方面工 作，具体内容分别如下： 1 ) 按先进的p c 仪器设计思想，采用高频计数的角振动测量方法，应用 c + + b u i l d e r 可视化编程软件开发了便携式内燃机曲轴角振动故障诊断系统。 系统由外部数据采集卡和后台数据处理软件两部分构成，具有常规扭振测量 分析和内燃机工作状态监测功能。 2 ) 在现有曲轴角振动的单谐次诊断法基础上，提出适用性更广的诊断模 型，进一步发展完善内燃机工作状态单谐次监测方法，并对新方法进行应用 研究。 1 4 2 技术路线 上述两部分研究内容相对独立，可同步进行。对于便携式内燃机曲轴角 振动故障诊断系统，采用先进行总体设计，再进行软、硬件开发，最后利用 内燃机扭振标定仪和台式内燃机曲轴扭振测量分析系统( t v m ) 验证其精度 和正确性的方法。 曲轴角振动监测方法的研究则采用理论分析和应用研究相结合的方法。 首先归纳出新诊断模型的特点，给出理论上的定义和评价方法，再结合实际 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 内燃机轴系分析模型和诊断方法的适用性，最后以某6 1 5 9 柴油机轴系为例， 利用随机系统的蒙特卡罗法生成的柴油机功率系数随机数据，进行仿真研究。 2 1 引言 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章p t v m 系统总体及硬件设计 在内燃机的实际应用中，准确地判断出内燃机工作状态和故障缸号，是 进行内燃机故障诊断的基础，对于保证内燃机正常工作和合理维修具有重大 的实用价值。内燃机曲轴角振动信号具有测量简便、信息丰富等特点，其作 为内燃机各缸激振力矩的响应，能够不受其他传递环节的影响，直接反映出 内燃机整体的工作状态，因此通过对内燃机曲轴角振动信号的测量分析可吼 得到内燃机工作过程和相关故障的信息。本文在西南交通大学热能与动力工 程系开发的t v m 系统和c 工d s 系统基础之上，开发研制了新一代内燃机故 障诊断系统一一便携式内燃机曲轴角振动故障诊断系统( p t v m 系统) 。 p t v m 系统利用便携式数据采集卡获得内燃机的曲轴角振动信号，通过对曲 轴角振动信号的各种处理，不仅能进行常规的扭振测量分析，还具有内燃机 工作状态监测和故障缸号诊断功能。 2 2 内燃机曲轴角振动测量技术的发展 角振动测量分析仪器的发展与传感器技术、电子技术及计算机技术的发 展密切相关，同其他测量仪器一样，经历了传统仪器、电子仪器、虚拟( p c ) 仪器三个发展阶段。 7 0 年代以前使用的角振动测量仪器基本上都是以惯性式扭振仪为主的 传统仪器【5 6 1 ，如机械式的盖格尔渊振仪和d v l 测振仪，以及电阻应变式测 振仪、电感调频式钡4 振仪等。这类仪器结构可靠，测量稳定，在角振动测量 技术发展过程中( 主要在大型低速柴油机角振动测量中) 起到独特的作用。 但是这些仪器除了结构复杂、成本较高、安装困难外，分析工作一般只能靠 人工完成，受主观因素的影响很大，既费时，精度又低。 随着电子技术及计算机的发展，国内外相继出现了以非接触式扭振仪为 代表的角振动测量电子仪器口7 ，8 ，如国产的f n 1 型扭振仪、美国的 a t l a n t a 2 5 2 4 2 型扭振仪、英国a e n ，4 型扭振仪、日本小野测器的p d 一8 6 0 瞬态扭角转换器和丹麦d i s a 公司的5 1 8 0 0 万能指示组合扭振测试设备等。 这类角振动测量仪配备磁电( 或光电) 传感器和测量齿盘，采用磁电( 或光 这类角振动测量仪配备磁电( 或光电) 传感器和测量齿盘，采用磁电( 或光 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 电) 脉冲原理。传感器结构相当简单，安装方便，且能与一系列以微处理器 为核心的仪器配套，实现测试波形自动采样、自动分析和自动记录。因此， 在中高速内燃机的角振动测试中，惯性式扭振仪逐步被非接触式扭振仪所取 代。但这类仪器毕竟属于单片机开发技术，受软硬件条件的局限，其分析功 能仍然有限，如综合振幅及各谐次振幅随工作转速的变化曲线、扭振三维谱 阵图、扭角差曲线等稍复杂的分析仍需人工完成。并且由于是高度专业化的 仪器，大多价格较为昂贵，维修保养困难。 另外，激光技术也在角振动测试中得到了的应用，如丹麦b & k 公司的 2 5 2 3 型激光扭振仪【5 9 】早已商品化。国内也有这方面的研究，文献【删利用激光 技术实施轴系扭振测量，采用平行光路结构及散射光强度的相关处理，实现 扭振测量与轴系横振状态无关及自适应定标。激光扭振仪的特点是用光学探 头和激光反光带代替磁电传感器和测量齿盘，安装较为方便。但测量设备价 格昂贵并对环境要求苛刻，目前应用较少。 上世纪9 0 年代，人们开始研制角振动测量虚拟仪器。这类仪器充分利用 p c 机的软硬件资源，把过去靠人工完成的角振动测量分析工作由计算机迅速 准确地自动完成。虚拟仪器常用的角振动测量方法主要有a d 高频计数法【6 1 】 和信号调理法1 6 + 叫两种。 前者直接采用高频d 采集卡采样，然后根据测量齿盘两齿间的采集点 数和采样频率计算转过每齿的时间，从而得到角振动信号。显然，巾高频 计数法的精度直接取决于采样频率，数据存储量也极大。例如，对于中速内 燃机，要得到满足工程需要精度和长度的角振动信号，采样频率和数据存储 量分别需达到数m h z 和数m b 左右，对于一般多通道a 采集卡，上述技 术指标难以达到。因此a d 高频计数法虽然硬件通用性强，但目前由于受到 硬件设备的限制，实际应用很少。 信号调理法将具有角振动信号调理功能的模块或仪器卡插在p c 机系统 总线插槽上，或安装在计算机外部专用扩展箱内，通过专用软件就能实现角 振动的自动化测量。其特点是测量精度较高，但需要研制专用的计算机插卡， 因而在设计、制造、调试等方面成本较高，维修上多有不便，并且无法实现 角振动信号与其它信号的同步测量。基于信号调理法的虚拟仪器已得到广泛 应用，如西南交通大学热能与动力工程系开发的t v m 系统【6 5 j 就是目前有代 表性的角振动测量分析虚拟仪器。 上述虚拟仪器的采集卡目前仍主要采用1 s a 或p c i 插卡，组成以台式机为 核心的虚拟仪器，难以适应对移动式内燃机轴系羚咚墅甭疆熳酞骘，v ￥。漕 技术，除传统的压力、温度、转速、功率等指标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 需发展便携式内篷纠理工善堕霸蟹莉莽岱墨羹。 妻捕薹荔囊冀璧囊羹固蠹囊鎏囊篓 耄谨薹霎网稳罘j 蓟蛳瓤剿绑州一曼甄爱爱绦。妻孰卿静乏主雯酗蘩礤 w 联喂蓐盟堡企： 一笸髂饕型爨解爆髯溥：耄蕴压则错营墨曼刭雕j 髹善型豇圳瓯剽至蕾 斤_ j 棼矧占剥酬；鳊翼嘉弦托蝇翼掣墟趔蔚研联联：翌髦；鞘猁幽斟型盈掣垒 群拦翱些! 上堪绺嗡e 甏瞳 诊断系统中得到广泛应用，尤其适合在便 携式仪器中使用。如大连交通大学和齐齐哈尔铁路分局联合开发了用于柴油 机增压系统不解体状态评价和故障诊断的便携式仪器，为实现机车柴油机增 压系统的故障诊断和状态修理做出了很好的探索【2 ”。 综上所述，内燃机的故障诊断方法必然会朝着不解体化、高精度化、智 能化和便携化的方向发展。 1 3 常用内燃机曲轴角振动诊断方法 随着曲轴角振动测量方法和诊断机理研究的不断发展，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，是目前内燃机 状态监测与故障诊断中热点集中、成果频出的前沿性领域。 曲轴角振动信号作为内燃机各缸激振力矩的响应，能不受其他传递环节 的影响。直接反映内燃机整体的工作状态，因此通过对曲轴角振动信号的分 析可以得到内燃机工作过程和相关故障的丰富信息【“。 目前在国外，如美国、德国、日本和法国等国家的研究动向主要为用角 振动信号推算缸内压力变化等。国内山东工业大学、华中科技大学、武汉交 通科技大学、海军工程学院、浙江大学以及西南交通大学等高校也在研究利 用曲轴角振动信号，通过各种的信号处理分析方法诊断内燃机故障，并取得 了巨大进展 2 抛翻。 从上世纪8 0 年代以来，曲轴角振动诊断不断取得进展，发展了多种分析 方法。具体方法可分为波形分析法、诊断模型法、多特征综合法、扭振信号 反演法和单谐次诊断法等。利用这些方法可进行内燃机工作过程状态监测( 简 易诊断) 、故障( 失火) 缸号判断和各缸作功均匀性诊断等不同类型和不同层 次故障的诊断， 1 31 波形分析法 波形分析法是通过分析瞬时角加速度和瞬时转速信号的波形特点，直接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 析软件的主体；2 ) 数据采集卡：是检测仪器获取外部测量数据的主要部件； 3 ) 传感器+ 前置抗混滤波调理放大电路：是测试系统的基础。用以保证将实 际被测物理信号测量转换成适合于模数转换的标准电信号，抗混滤波调理器 的功能主要包括信号放大、滤波、隔离、转换等。 2 4p t v m 系统总体设计 2 4 1 总体结构 p 1 m 系统包含三个组成部分：计算机主机、外围设备和后台数据分析软 件，如图2 1 所示。计算机主机与外围设备之间由串口通信连线实现数据交换 和传递。由于系统外围设备采用便携式设计，因而计算机主机可以为台式计算 机，或者笔记本式计算机。充分利用软硬件资源的p c 仪器，其组成和性能与 传统仪器和智能仪器相比有了很大的进步。 磁电传癣嚣3 图2 1p t v m 系统总体构成示意图 p 删系统作为一种智能系统， 出资料完备，不用人工整理等特点。 具有设计合理、操作简便、功能完善、输 其系统工作流程图见图2 2 。 圈圜誉困 图2 2p t v m 系统工作流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 4 _ 2 角振冀麓羹羹雾蟹荔蠹 蠹i ；臻；氍如豁蕊褂蓍梯商蒯鍪耀恕鬟蔓秀磊努；携婀蛇业班r 瑚“ 拍彳 圣。疆囊d i i 驾。! ； 娶贸刘羹雅 塔噬岬嘎暾i 器i 簪上_ 鸯受婴军；怍 f 营氯襄莉编天为鬈 鬟。薹鼍蘩二i i g 罐i 锋如雅趱麓拱“群杓“荔搿描辅蓊罗同的美系表达式磐喜事，筵飞皓 墅螽嚣再似r 蓉h 蛄薹y 静i 拱霉q 别翟掣孽母存+ 州，：薹 ，( 口一 办k ( p 一九) 】 扫2 2 f 1 2 1 爿p r p 日巾一丸“一瓦 式中：矿8 为第缸的缸内气体压力：4 ，为活塞面积；r 为曲柄半径：m 为单 个曲柄连杆中作单一往复运动的集中换算质量；曲。为t 缸相对于第一缸的发 火相位；武目) ，g ( 口)都是口的函数 r s i n p + 一1 兰! 呈! ! 。 2 1 一牙s i n 2 疗 g( 口) 。c o s 口+ f ! 磐+ f ! ! ! 黑 2、1 一s i n 2 占 4 ( 1 一s i 2 日) 。 式中： 为曲柄连杆比， = r f ；z 为连杆长度。 式( 1 一1 ) 变换到频域内有 耳( 甜) = l ( 山) + 耳( 脚) + 死( 。) 号尉( u ) + 耳( u ) + 死( 甜)( 1 3 ) 式中：昂( u ) 、瓦( m ) 、耳( 。) 、死( u ) 、4 ( 。) 分另0 为巧( 口) 、疋( 口) 、露( 口) 、毛( 口) 、舀 的傅立叶变换：转角频率。与曲轴角振动位移口互为傅立叶交换对。 通过分析可知，l ( u ) 中的低阶谐波分量反映了各缸气体力扭矩的不均匀 度，据此可以定义无量纲的扭矩谐波分量比r ，作为衡量内燃机工作不均匀 性的特征参数： 尺 = ( 1 4 ) 式中：为气缸数：耳0 “。) 为循环内气体力扭矩的h 阶谐波分量；。为内 燃机工作循环频率；u 。为内燃机发火频率，利用r ，如果设定某个简单的 门槛值，即可识别和诊断出内燃机的失火或工作不均匀性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 3 1 概述 第3 章p t v m 系统的软件设计 p t v m 系统利用经串口传送来的数据，按式( 2 4 ) 可求得内燃机曲轴的瞬 时转速，并对瞬时转速信号做进一步分析。p t v m 系统采用模块化设计思路， 以方便系统调试和功能扩展。本章主要包括整体设计和模块划分、主程序模 块、数据采集模块、故障诊断模块、扭振分析模块等内容。其软件实现是采 用功能强大的软件开发工具c + + b u i l d e f 6 0 ，所开发软件图文并茂、界面 友好，具有较好的可操作性。 3 2 整体设计和模块划分 根据p t v m 系统功能和设计上的需求，将后台数据分析软件分为程序启动 模块、主程序模块、方案管理模块、数据采集模块、故障诊断模块、扭振分析 模块和工况文件管理模块等七个模块。各个功能模块和它们之间的层次结构关 系如图3 1 所示。 图3 1p r v m 系统软件结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 在此功能模块结构图中，每个叶节点都具有不同的功能，各自独立实现并 且相互关联。p t v m 系统后台数据分析软件对采样数据进行处理和分析的流程 见图3 2 。 图3 2p t v m 系统软件数据处理流程图 3 3 程序启动模块 程序启动模块是p t v m 系统后台数据分析软件程序启动的第一个界面。其 主要功能是显示软件的基本信息，包括软件名称、软件版本、研制开发单位等。 该界面采用c + + b u i l d e r 6 0 软件的时间延迟技术编写。可以通过两种方式 进入到主程序模块：1 用鼠标左键直接点击本界面进入；2 不做任何操作，等 待5 秒钟后，系统自动进入。 图3 3 程序启动模块显示界面 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 3 4 主程序模块 主程序模块是p t v m 系统后台数据分析软件的主控界面，如图3 4 所示。 其主要功能是：1 为软件其他功能模块提供承载平台，包括方案管理模块，数 据采集模块、故障诊断模块、扭振分析模块、系统帮助模块等；2 显示方案主 要参数信息的定义情顽? 吨癔灞璀演晦等稍沸南j 识帧趁开蛸：眇型型，所坠 霆毖上；塑嚣服 了特定的控制字符带来的 缺点。 曲异步通信协议异步通信协议的特点是以一个字符为基本单位进行传 输，并且传送一个字符总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定 的时间间隔要求。每一个字符前面都有一个起始位，字符本身由5 7 位数据 位组成，接着字符后面是一位校验位( 也可以没有) ，最后是一位，或一位半， 或两位停止位，停止位后边是不定长度的空闲位。 1 面向率特孵盼步捧赡协议 ；栋出 地址 拄捌戢羞但患；攫撞牟辫3 龉毒 。 f c m 如娜 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 调用“数据采集”模块： v o i d _ f a s t c a l l t m a i n f ：b u t t o 4 c l i c k ( t o b j e c t 4 s e n d e r ) scnddata(infrostr(fenpin)； o l d c o l l e c t 一 s h o w m o d a l ( ) ；)调用“状态监测”模块： voidfastcall t m a i n f ：b u t t o n 5 c l i c k ( t o b j e e t 4sender) unjtf0珊1=new tunjtf0m1(tilis)； u n i t f o 册1 - s h o w m o d a l o ；调用“扭振分析”模块： v o i d f a s t c a l i 刑a i n f ：b u t t o n 6 c h c k ( t 0 b j e c t + s e i l d c r )f o 瑚1 一 s h o w m o d a l 0 ；) 3 5 方案管理模块 方案管理模块是系统方案设雹的基本模块，在此模块下完成和方案制裂鸶 副越- 啸臻滔一7 所示。 该模块的数据采集模式有两种：1 人工数据采集模式，此为单次数据采集 方式，每次采集之后可根据图像显示情况选取有用的数据信息进行保存；2 自 动数据采集模式，此为连续数据采集方式，用户只需通过设定自动采集次数并 点击“自动数据采集”按钮就可以完成规定次数的数 方式，每次采集之后可根据图像显示情况选取有用的数据信息进行保存；2自动数据采集模式，此为连续数据采集方式，用户只需通过设定自动采集次数并 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 从文件中读入数据通过积分得到角位移： 如( i d l j = 0 ；j a n t ) n f k s i z e o ；j + + ) fki】=打政n】+6o； d 妇c = v e c t o r ( n f k s l 碡0 ) ； double f 0 = n f i ：s i z e 0 1 1 1 2 0 0 ； s i 口a l i n t d f s ( i 皿，d f k ，f o ，1 0 0 ) ， 进行f t 变换，得到o 5 谐次的幅值和相位： d f n = v e c t o r ) ； f o “i n ti - 0 ；k n 扛+ + )d f h i 】= v e c t o r d o u b l e ( 2 ) ； d f s ( d 妇( ，d f n ，d 伙s i z e 0 ，n ) ， m = m ( d f n 【1 】【0 】，d f n 【1 】 1 】) i a r g = 挑( d f n 【1 】【0 1 ，d f n 【l 】【1 】) ； 3 8 扭振分析模块 绘制转速、幅值曲线是否在阈值内 、m ( = y ? 否 计算停缸相位角、故障缸号：b u t l o n 6 c l i c k ( s d e r ) ； b u t l o n 7 c l i c 鲞( s d e r ) ；是图3 1 0 故障诊断模块程序框图 扭振分析模块是ptvm系统的后处理模块，通过读取前期采样获得的数据 源文件，对测点的扭振信号进行全面的分析，辅助用户完成对内燃机轴系转动 状况的综合评定工作。扭振分析模块界面见图311。其对各工况、各测点可作如下分析： 1 ) 实测转速及扭诊时域波形分析。 2 ) 扭振信号的幅值谱和功率谱分析。 3 ) 扭振分谐次( 2 4 个) 和总幅值随工况( 转速、功率) 变化规律分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 4 ) 三维( 幅值、频率、转速) 谱阵分析。 5 ) 双测点间的扭角差时域波形分析。 6 ) 扭角差随工况( 转速、功率) 变化规律的分析。 图3 1 1 扭振分析模块显示界面 扭振分析模块同样采用模块化技术进行设计，其包含扭振一转角曲线模块、 扭角一工况曲线模块、扭振三维谱振图模块、扭角差一转角曲线模块、扭角差一 工况曲线模块、扭矩一转角曲线模块等六个子模块。 扭振分析模块的各个子模块的功能如下： 1 ) 扭振一转角曲线模块： 计算分析各工况角位移、角位移频谱、角位移功率谱等，图3 1 2 显示 了某8 2 4 0 柴油机轴系实测角位移曲线； 2 ) 扭角一工况曲线模块： 绘制各谐次的扭角一转速曲线图、扭角一功率曲线图，图3 一1 3 为上述轴 系的角位移综合及各谐次幅值随转速变化曲线； 3 ) 扭振三维谱振图模块： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 绘制全部工况和各谐次下的三维谱振图，图8 1 4 为上述轴系的扭振三维 谱振图； 图3 1 2 扭振一转角曲线( 8 2 4 0 型柴油机轴系) 图3 1 3 扣角一工况曲线( 8 2 4 0 型柴油机轴系) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 2 页 图3 1 4 扭振三维谱振图( 8 2 4 0 型柴油机轴系) 4 ) 扭角差一转角曲线模块： 绘制各工况下的扭角差曲线图、扭角差频谱图、扭角差综合幅值等； 5 ) 扭角差一工况曲线模块： 绘制全部工况和各谐次下的扭角差一转速曲线图、扭角差一功率曲线图； 6 ) 扭矩一转角曲线模块： 绘制各工况下的扭矩曲线图、扭矩频谱图、扭矩功率谱图等。 3 9 工况文件管理模块 工程文件管理模块是集中管理当前实施方案的各工况数据源文件的模块。 除显示当前实施方案的部分基本信息外，其主要功能是对工况文件的管理：】 增加工况文件，可以将计算机中没有显示于列表中的文件添加进来；2 删除工 况文件，去除误测量、干扰信号过大和不需要分析的工况文件；3 为其他模块 调用和分析工况文件做好前期准备工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 4 1 概述 第4 章串口通信协议设计 p t v m 系统的后台数据分析软件需要通过计算机通信接口与数据采集卡 进行数据传输，将数据采集卡采集到的相邻两齿对应电压脉冲间的晶振次数， 传输到后台数据分析软件进行数据进制转换和计算处理，生成内燃机曲轴瞬时 转速文件，为其后的内燃机曲轴扭转振动分析做好前期准备。通信接口采用了 r s 2 3 2 串口方式。利用r s 2 3 2 串口通信不仅可以实时地对数据采集卡校正精度 或设置参数，也可以在线上载采集数据。 4 2 串口通信程序 后台数据分析软件实现了串口通信的功能，根据通信的数据内容不同，分 为串口采样模块和数据采集卡设置模块。串口采样模块用来启动数据采集卡的 采样功能和接收数据采集卡传输来的晶振次数，生成瞬时转速文件，供计算分 析和绘图使用。数据采集卡设置模块用来将配置信息发送给数据采集卡，如采 样频率、串口选择、系统重置等配置信息。 4 2 1 串口通信基础 1 ) 串行通信简介 计算机与计算机或计算机与终端之间基本的通信方式有并行通信和串行 通信两种。并行通信是一条信息的各位数据被同时传送的通信方式，特点是各 数据位同时传送，传送速度快、效率高。但有多少数据位就需要多少根数据线， 使得传送成本高。在数据电压传输的过程中，容易因线路的因素而使标准电位 发生变化( 最常见的是电压衰减问题，以及信号间互相串音干扰) ，而使传输的 数据发生错误。如果传输线比较长，电压衰减效应及相互干扰问题就会更加明 显，数据的错误就容