（轮机工程专业论文）基于瞬时转速的多缸柴油机故障诊断技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 发动机的智能化是新世纪柴油机发展的最重要特征。以在线监测为手段， 以安全运行为目标，实现柴油机发动机故障的在线诊断及自动保护与报警是柴 油机智能化的重要研究内容。柴油机的瞬时转速信号蕴涵有柴油机燃烧和机械 运动状态的相关信息。非接触式转速传感器具有安装简单、适用方便、性能可 靠、适用寿命长的特点。利用瞬时转速信号在线监测柴油机与燃烧相关或其它 影响缸内压力的状态和故障诊断，是近年来柴油机故障诊断技术中发展趋于成 熟、最具实用价值的技术之一。 但是，对于缸数较多的柴油机，由于工作时气缸间的相互重叠影响较大， 导致信息辨识困难，尤其是造成瞬时转速的波动变化复杂，很难直接得到与缸 数相一致的瞬时转速波形，而且在此基础上引出的故障诊断方法在诊断的准确 性上也有待提高。因此，瞬时转速诊断技术在柴油机上的应用还需要进一步研 究和完善。 本文根据瞬时转速的柴油机故障诊断技术机理，针对柴油机的特点，分析 研究运用瞬时转速进行状态监测和故障诊断各环节的关键问题，提出了相应的 技术方案，并进行了实验验证。论文主要完成的工作如下： ( 1 ) 瞬时转速信号的测取和数据处理方法的研究、数字滤波器的设计； ( 2 ) 运用单次谐波相位分析法的原理，提出柴油机单次谐波相位分析法的 诊断方法。 ( 3 ) 基于f p g a 技术的故障诊断采集系统的硬、软件设计。 ( 4 ) 利用所设计的故障诊断采集系统，对柴油机进行试验验证，结果表明 运用单次谐波相位分析法原理对柴油机的缸内故障诊断的方法，有非常好的效 果。 关键词：柴油机：瞬时转速；故障诊断：单次谐波相位分析法； 论文依托科研项目：“基于瞬时转速的柴油机工作状态在线检测与故障诊 断系统的研究”。课题的来源为湖北省科技攻关项目。项目编号 为：2 0 0 4 从1 0 1 c 2 8 。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n te n g i n ei st h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r e so f t h ed e v e l o p m e n to nd i e s e li n t h en e wc e n t u r y t h eo n l i n ed i a g n o s i si st h em e t h o d ，w h i l et h es a f e t yo p e r a t i o ni st h e t a r g e t , s ot h eo n - l i n ed i e s e lm a l f u n c t i o nd i a g n o s i s ，t h ea u t o m a t i cp r o t e c t i o na n dt h e i n t e l l i g e n ta l a r m i n ga i ct h es i g n i f i c a n tr e s e a r c ht o p i c si nt h ei n t e l l i g e n te n g i n e t h e i n s t a n t a n e o u s 印e c do fd i e s e lc o n t a i n sal o to fi n f o r m a t i o nr e l a t e dt ot h es t a t u so ft h e c o m b u s t i o na n dt h em e c h a n i c a lm o v e m e n to ft h ed i e s e l t h et y p eo fn o n - c o n t a c t t a c h o m e t e rs e n s o rh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs i m p l yi n s t a l l m e n t , u s i n gs u i t a b l e , c o n v e n i e n t l yr e l i a b l e ，a n dl o n gl i f ec y c l e t h eo n l i n es u p e r v i s i o no ft h ee n g i n es t a t u s , w h i c hr e l a t e dt ot h ec o m b u s t i o na n dt h ea f f e c t e dc y l i n d e rt h a tt h ep r e s s u r ei sc h a n g e d ， a n dt h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i sb yu s i n gt h ei n s t a n t a n e o u ss p e e d , h a sb e e nd e v e l o p e d i n t ot h em o s tp r a c t i c a la n dv a l u a b l et e c h n o l o g ya n dt e n d e dt om a t u r ei nt h ed i e s e l e n g i n em a l f u n c t i o nd i a g n o s i st e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , c o n c e r n i n gt od i e s e le n g i n e ，b e c a u s et h ec y l i n d e rn u m b e ri sm o r e ，t h e m u t u a l l ya f f e c t si sb i g g e r , t h ec h a n g eo ft h ei n s t a n t a n e o u ss p e e d i sm u c hm o r e u n d u l a t i o n a sa r e s u l t ，i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nt h ei n s t a n t a n e o n ss p e e dp r o f i l e , w h i c h i sc o n s i s t e n tw i t ht h ec y l i n d e rn u m b e rd i r e c t l y m o r e o v e r , t h eo r i g i n a lm a l f u n c t i o n d i a g n o s i sm e t h o di sn o tv e r yr e l i a b l e t h e r e f o r e ，t h ed i a g n o s i st e c h n o l o g yb a s e do n i n s t a n t a n e o u ss p e e da l s on e e d sf u r t h e rs t u d ya n dt h ec o n s u m m a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o n o ft h em u l t i - c y l i n d e rm a c h i n e i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em u l t i - c y l i n d e rm a c h i n e ，t h ea r t i c l eh a s c o n d u c t e dt h er e s e a r c ha n da n a l y s i st h ek e yt e c h n o l o g yo nt h es t a t u si n s p e c t i o na n d t h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i so ft h ed i e s e le n g i n e ，w h i c hb a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u s s p e e d , a n da d v a n c e dt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g i c a lp r o j e c ta n dv a l i d a t e di tt h r o u g h t h ee x p e r i m e n t t h ep a p e rh a sm a i n l yc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) i th a sa n a l y z e dt h em e a s u r ea n dp r o c e s s e so f t h ei n s t a n t a n e o u ss p e e ds i g n a l ， a n dt h ed i g i t a lf i l t e rd e s i g n ； ( 2 ) i th a sp r o p o s e dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ea n a l y s i ss i n g l eo v e r t o n ep h a s e a n a l y t i cm e t h o do nm u l t i - c y l i n d e r sd i e s e le n g i n ob yu s i n gt h ep r i n c i p l eo ft h es i n g l e 武汉理工大学硕士学位论文 o v e f l o d ep h a s ea n a l 徊cm e t h o d ； ( 3 ) i th a sr e l a t e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h em a l f u n c t i o n d i a g n o s i sg a t h e r i n gs y s t e mb a s e do nt h ef p g at e c h n o l o g yi nd e t a i l ； ( 4 ) i th a sc a r r i e d0 1 1 t h ee x p e r i m e n t a lc o n f i r m a t i o no nm u l t i - c y l i n d e r sd i e s e l e n g i n eb yu s i n gt h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i sg a t h e r i n gs y s t e m i tc o n c l u d e dt h a tt h e m e t h o do ft h em a l f u n c t i o nd i a g n o s i sb yu s i n go ft h ep r i n c i p l eo ft h es i n g l eo v e r t o n e p h a s ea n a l y t i cm e t h o d , h a sg o o d e f f e c to nm u l t i - c y l i n d e r sd i e le n g i n e k c y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；i n s t a n t a n e o u ss p e e d ；m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s ； t h es i n g l eo v e r t o n ep h a s ea n a l y t i cm e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e df m a n c i a lb yt h et a c k l ek e yp r o j e c t t h es y s t e m r e s e a r c ho nt h eo n - l i n e i n s p e c t i o n a n df a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g y o ft h e m u l t i - c y l i n d e rt e m a lc o m b u s t i o ne n g i n eb a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u ss p e e d ”i n s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fh u b e ip r o v i n c e ( n u m b e r ：2 0 0 4 a a l 0 1 c 2 8 ) m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 基于瞬时转速的柴油机故障诊断的技术现状 自2 0 世纪8 0 年代以来，利用瞬时转速信号( 也称为曲轴角振动信号) 进 行柴油机故障诊断取得了很大的进展。国际上，如意大利博洛尼亚大学、美国 福特汽车公司、美国印第安纳州普度大学、英国莱斯特大学交通学院等科研人 员对于瞬时转速在判断柴油机各缸做功状况( 工作不均匀性或压缩不均匀性) 和 诊断柴油机故障缸方面的研究比较深入，而且在利用瞬时转速信号推算气缸内 压力变化的方面也有所建树。在国内，山东工业大学、华中科技大学、武汉交 通科技大学、大连海事大学、华中理工大学以及西南交通大学等高校也在研究 基于瞬时转速信号进行柴油机故障诊断的方面有所成就，并且发展了多种故障 诊断分析方法。根据运用瞬时转速的分析方法，可将这些柴油机的故障诊断技 术归纳起来分为转速波形分析、气缸压力估计反演等。 1 ) 转速波形分析【1 卜1 1 9 】 转速波形分析是直接分析瞬时转速波形，从中提取对柴油机故障敏感的特 征参数，作为判据来进行故障检测与诊断的方法。 在年代，国外学者中卧嗍，美国的a k s d 【1 硫首先提出了傅立叶级数 在瞬时转速上的应用。之后美国的a z z o n i 等学者【2 】通过对柴油机飞轮端的瞬时 转速进行离散傅立叶变化，分别从时域的波形和频域的分布中利用差值比较法、 停油指标法等等来判断柴油机是否有故障。意大利的r i z z o n i 3 j 1 4 】根据故障工况和 正常工况的瞬时转速间的距离以及瞬时转速的a r 谱来判断故障。 国内的学者在波形分析法方面也有了一定的研究成果。 大连海事大学的白广来【埘n 】在他的文章中采用了比较广汛的瞬时转速波动 增量法、相邻波峰波谷之差值作为故障诊断的判断方法。 山东工业大学张立梅教授【1 2 】【1 3 】【1 4 l 及其团队也在波形分析法的基础上做了多 量的研究工作，利用飞轮瞬时转速，诊播气缸压弩性和以及发动机各缸燃烧差 异等，。 华中渍工大学的杨叔子教授1 1 5 】【1 6 1 1 1 7 1 在研究中也利用到了波形分析法，在瞬 时转速波形中提取转角变化探数、速度变化指数和加速度变化指数。在瞬时角 武汉理工大学硕士学位论文 加速度波形中提取了最大加速度指数口最小加速度指数和累积加速度指数。应 用这些特征参数来进行故障诊断，取得了一定的成就。 西兖交通大学的董大伟1 1 s 1 1 9 1 教授对于柴油机，他认为仅仅用转速波动增量 法是不足以作为一个好的判据来确定故障的，因为对于多缸数柴油机瞬时转速 的波动随着平均转速的升高，变化情僚非常的不规律，很难直接从瞬时转速波 形上提取出关键的参数，他提出了利用瞬时腹加速度波动增量作为重要的参数 来分析，并且他掖灰色关联分析法和极值缸号一致性检查法对两种特征玄数的 优良性进行评价来支持他的观点。 波形分析法的应用很广泛，但是却只能对柴油机故障进行一般的诊断。而且 在利用波形分析法进行柴油机的故障缸号判断时，前面学者们所提出的各种参 数在轴系扭振较小的情况下应用有着一定实用价值。但当缸数较多、发火阑隔 角较小、扭振现象趋于严重时，各缸的相互干扰变大，利用上述方法往往会判 断错误。 。 2 ) 气缸压力估计反演【捌。【3 4 l 气缸压力估计反演是通过瞬时转速来反算得到缸内压力的方法。利用发动 机轴系扭转振动的当量系统，将发动机定义为多自由度轴系当量口统( 包括负 载、飞轮、发动机和减震口等) ，由发动机瞬时转速作为系统输入来反求出气缸 柴油机压力扭矩，进一步求出平疃指示压力口并最终估计出缸骨燃气压力。 在八十年代，美国的w i l l i a mb r i b b e n s 2 0 就提出了基于柴油机单瞌唱度的 非黪性模型利用瞬时转口信号进行参数估计。之后暄j w f r e e s t o n e 2 1 j 等学者在他 们的研究中建立了两自由度的纾性动力学模型，通过模拟计算和实骠分析得出 瞬时转速和扭矩之间的传递函数关系，不过没有考虑往复惯性力的影响，这样 计算的扭矩只有气体力扭矩。1 9 8 9 年美国印第安纳州普度大学的s t e p h e nj c i t r o n 阎等学者做的一于利用瞬时转速信号推求缸内压力和压力扭矩波形的研究，他 们建立一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、 瞬时气体力扭矩和各缸气体压力，然后通过s t e p h e nj c i t r o n 教授【捌的分析和研 究转换得到各缸气体压力扭矩的波形，这样就很方便的知道哪些缸处于非正常 工作状态或异常状态。并且在四缸柴油机上的实验结果表明，此方法在低转速 和高转速下都能取得很好的结果。 国内的学者对于扭矩、气缸压力估计法也有所研究， 1 9 9 5 年，山东工业大学的张立梅教授i 硐【冽【删就利用瞬时转速和柴油机动力 2 武汉理工大学硕士学位论文 学等知识成功反算出了各缸的气缸压力，误差也存在，但是可以用来判断各缸 的工作不均匀性，并且在倒拖实验中验证了这种反算气缸压力的结果的可行性。 她提出的这个计算中，是提前假定了各缸气体和背压之总和为零的，也就是没 有考虑其它缸的影响。 华中理工大学的杨叔子教授【3 1 】在他的一论文中从柴油机动力学模型的建构 开始，到瞬时转速的模型建立，到利用瞬时转速反推气缸压力的整个过程都作 了详尽的分析，并且在实际的实验室中验证了此方法的实际性，也取得了一定 的成绩。 北京理工大学的苏铁熊【3 2 】【3 3 1 在他的论文中专门研究如何利用瞬时转速估计 缸内压力，原理和s t e p h e nj c i t r o n 教授的理论相同，都是建立四自由度的模型， 并提出了r s - t s 反算等方法，成功地实现了由实测瞬时转速估计出缸内压力的 过程。 西南交通大学的董大伟教授【3 4 】提出的扭振信号反演法就是根据轴系扭振的 动力学模型，利用扭振信号反算各缸内压力，用于诊断各缸做功均匀性的有效 方法。 气缸压力估计反演法在理论分析上是很有意义的，而且也在不同机型上进 行了验证，不过此方法所设计的计算过程很复杂，需要很多假设条件或先验知 识作为基础。 3 ) 单谐次准刚体模型法嘲p q 鲫 西南交通大学的闫兵【3 5 】在对瞬时角振动信号( 也就是瞬时转速信号) 作了深 入的研究，他以柴油机动力学为基础，分析了输入曲轴的激振力矩和从曲轴输 出的曲轴角振动响应间的关系，推导出了柴油机任意测点简谐角振动与各缸对 应简谐力矩之间的关系。并依此提出了单谐次准刚体模型，和推导了用于柴油 机的故障诊断的五个推论。建立了一套应用广泛，诊断准确、简便实用且不依 赖轴系结构参数或者大量实验的柴油机故障诊断方法，并将此法应用于内燃机 工作状态监测、故障缸功率损失和各缸作功均匀性诊断等中，取得了一定的成 效。 综合上面所论述的几种故障诊断方法，波形分析的方法是直接利用瞬时转 速的波形进行故障特征值的提取。此法具有可直接提取参数、计算量小、较通 用而且不涉及柴油机结构参数等优点，但是其缺点是：提取的特征参数并非无 量纲量，不好判断故障阈值；有时对故障的敏感程度不同，对故障判断和定位 3 武汉理工大学硕士学位论文 带来困难。气缸压力估计反演法虽然可以反演推算出缸内压力、扭矩波动等， 但是在实际建模过程中比较复杂，用于反演的数据量和计算量太大，还必须包 含整个柴油机的相关结构参数。因此，虽然利用瞬时转速进行柴油机的故障诊 断有很好的实际意义，但是对于缸数较多的柴油机，比如1 6 v 2 4 0 型柴油机，在 实际应用过程中比较难准确地诊断。 为了更好地实现对于缸数较多柴油机的故障诊断，在基于瞬时转速信号的 基础上，通过一定的方法和技术手段，解决好一些关键环节：如信号测量处理、 数字滤波设计取等，然后进一步研究内燃机曲轴瞬时转速的诊断机理，发展一 种多缸数柴油机的瞬时转速诊断方法是很有必要的。这也引出了本文的主要工 作。 1 2 本论文所做的主要工作 进一步研究柴油机曲轴瞬时转速的诊断机理，对柴油机进行状态监测和故 障诊断方法进行分析，提出基于瞬时转速的柴油机故障诊断的方法。主要完成 的工作如下： ( 1 ) 瞬时转速信号的测取和处理、数字滤波器的设计； ( 2 ) 研究单次谐波相位分析法的原理； ( 3 ) 研究单次谐波相位分析法对于柴油机故障诊断的工程实现方法； ( 4 ) 基于f p g a 技术的故障诊断采集系统的硬、软件设计。 ( 5 ) 利用所设计的故障诊断采集系统，进行了试验验证，并进行结果分析。 研究结果表明，运用单次谐波相位分析法原理，用第1 0 次谐波的幅频特性 和相位特性对柴油机的缸内故障可以准确判别和定位故障缸号。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章瞬时转速信号的测取与数字滤波器设计 2 。1 瞬时转速信号的测取 图2 i 转速传感器安装示意图 如图2 1 所示，选用磁电传感器来测取瞬时转速【明。输出的曲轴转角的原 始信号是近似正弦波信号，而且每一个完整的正弦波对应着一个齿轮的齿顶和 齿隙切割磁力线的结果。因为直接采样的齿位移信号近似为正弦波，每个正弦 波对应一个齿，时域采样的结果是每个正弦波对应一定的采集点数。为了精确 地得到瞬时转速，齿数应该尽量多，但在工程实际中齿数总是有限的。本文用 于试验的齿轮是利用1 6 v 2 4 0 型柴油机【捌飞轮上的齿圈，每周1 0 2 个齿。经磁电 传感器输出并通过调理电路后采集得到的原始信号如图2 2 所示。 图2 2 磁电传感器输出的原始信号 理论上，柴油机的瞬时转速波形是很规律的。下面计算了1 6 缸机瞬时转速 的仿真过程：结合相关的动力学模型公式 4 0 i 和1 6 v 2 4 0 型柴油机的示功图数据， 5 武汉理工大学硕士学位论文 仿真计算出单缸的气体压力切向力矩，和单缸往复惯性力切向力矩，然后叠加 计算出单缸的总切向力力矩和总往复惯性力矩后，就可以仿真计算出一个工作 循环内瞬时转速的波动图像了笔者利用动力学模型公式推导仿真计算得到的 正常状况和故障状况下仿真出的瞬时转速( 1 4 0 0 转) 的对比图像如图2 2 所示： ( 1 6 缸发火顺序：1 - 1 4 - 3 1 0 - 7 1 2 5 - 9 - 8 - 1 1 岳1 5 - 2 - 1 3 4 1 6 ) 正常时和1 缸缸压下降1 0 时仿真的瞬时转速对比 i 矧抵荚va l笔 溉；萨 l 曲轴转角( 正常与1 缸缸压f 降1 0 ) 图2 2 仿真的正常与故障下1 6 缸机的瞬时转速波形 但是，在实际应用中缸数较多的柴油机的瞬时转速波动曲线上很难识别出 与做功缸数相一致的曲线波动规律，比如1 6 缸机在正常运转工况下应该得到的 瞬时转速信号应该有1 6 个波动。 分析原因，主要是由于柴油机的气缸数量较多，工作时气缸间的相互重叠 影响较大，导致柴油机的瞬时转速信号辨识困难，波动变化复杂，同时实际监 测过程中也存在干扰。因此应该提高瞬时转速的分辨率，并设计一个较好的数 字滤波器来解决这些问题。 2 2 分辨率提高处理 在利用原始信号通过测周法1 4 0 1 来提取瞬时转速的数据时，用到的是拉格郎 日插值定理1 4 1 】来实现的。为了提高瞬时转速初始波形的分辨率，必须分析插值 法的优劣。 根据2 1 1 ，原始信号的函数为类似正弦波z = 厂( f ) ，表达式可以写为 瑚= 爿s i n f b t ) ，其中彳，b 均为系数。对上式求反函数可以得到式2 1 ： 6 爱霉富譬 武汉理工大学硕士学位论文 州。1 ，即r - 古躺如号工) ( 2 1 ) 这个t 值就是我们用插值法求出的当x ( f ) - 0 时的时间值，也是过零点序列 p o ) ii = l ，皿 的真实来源。求这个f 值有两种方法：两点插值和三点插值。 2 2 1 二点插值法和三点插值法的对比 ( 1 ) 二点插值法 在获得原始信号后，p ；为原始波形和零线的交点，即过零点序列 p ，、 p ：、p 。) ，这过零点序列是通过线性插值法来得到的，原理是：用最靠近p i 的两个采样点_ 和工，“通过二点线性插值而得到( 满足x ，z j + ls 0 ) ，如图2 3 ， a j + 形法则求出p j ) 2 ，+ z 与 口两点_ 和工，“之间近似为直线，然后用三角 图2 3 对原始信号进行二点插值计算 ( 2 ) 三点插值法 线性插值仅仅利用两个节点上的信息，其精度很低，为了改善精度，可以 利用三点插值。在已知节点上选取三点，过三点可形成抛物线，利用该抛物线 方程y p g ) 来近似实际的函数) ，- ，o ) 。 若已知点o 。，y 。) ，g 。，y 。) ，g ：，y ：) ，求插值点o ，) ，) ，则可以利用三点插值法， 7 m 网 武汉理工大学硕士学位论文 _)，。等蓑要雨(x-xoxx-jx2)雨(x-x一,xx-x2)xo x 1 ) - - x o x x lx 2 ) x l x x o - x 2 ) y 。o ：一2 一“ 一 ”瓴一 ，0 就可以求出插值点0 ，y ) ，其中的工就是我们所需要的计算瞬时转速的数据点。 如下图2 4 所示： 图2 4 对原始信号进行三点插值计算 ( 3 ) 拉格郎日插值法的误差理论分析 根据插值理论可知，拉格朗日插值的存在插值误差。对一函数，( 力在两点 o ，( 4 ) ) 和 ，p ) ) 间插值可以得到插值多项式l ) ，同时也就产生了插值余 项，即插值误差a 吃 ) ，插值误差a 心o ) 的表达为式2 2 ： 蝇纠眦- 锶s 篆鬻恤五( x - - x ) 恤) ( 2 2 ) 其中工【口，卅，式中，n 代表插值次数。根据误差公式，要使得误差减小，选取 的插值点应该尽量靠近原始波形的零点处。在过零点附近的点，可以用角度范 围 一0 ，+ 口 来定，用来插值计算时，有h 6 时，这项力矩的力矩幅度已经很小，可 以忽略不计，而近似的认为激振力矩中只有气体压力的力矩。 3 1 2 曲轴系统的激振力矩做功分析 1 ) 单缸机的激振力滢虔做的功 曲轴系统在上述激振力矩的作娟下，发生以激振口矩的频率为频率的强适 扭转振动。曲轴系统激振力矩所作的功，其实就是气缸内气体压力所形成的力 矩9 ，? 9 所口的功。口前所述，曲轴系统的激振力矩是周期性变化的，并且可以 吆它分帮为若干级简谐力矩，因为非共振暧的激振力矩对曲轴竣统做功无影响， 因此只需要考虑发生共振的那几级简谐激振力矩。那么，除了媾曲轴系统不做 功的力矩为单缸平均切向力矩正之外，曲轴系统的强迫振动是由第k 次简谀力 矩疋各次谐波的简谐力矩所引起的简谐振动之和。所以， 单缸机曲轴的激振力矩是第k 次谐波的简谐力矩& ： 一m s i n q i t m 口s m ( k a 一+ ) ( 3 3 ) 单渐南曲轴上产生的振动角度位移是：妒x - a x s i n ( q 。t 一妒) ( 3 4 ) 第k 次谐波的简口力矩对单缸机曲轴系统所作的功昧： d ( f y k 振) 一 ，d 妒r q f 爿s i n q f t c o s ( q t 一妒) 出 ( 3 5 ) 兕x 柔一个周朝内作功是：暇摄。工d ( 振) - 畋m 船s i n 仰) ( 3 6 ) 其中妒为激振力矩& o 挡形角度位移的癸位差；k 为产生振动角度位移的 武汉理工大学硕士学位论文 幅值；。为第k 次简谐激振力矩幅值。 2 ) 多缸数柴油机的激振力矩所做的功 对于多缸数柴油机，各缸之间按照一定的发火顺序依次工作。因此，在轴系 上则受到一组变化规律相同而彼此相差一定相位的激振力矩的共同作用。在柴 油机的系统中，每一个气缸就作用着一个由若干次简谐力矩所组成的复谐力矩。 那么对于多缸数柴油机，在每个缸的第k 次谐波的简谐力矩的作用下，对 曲轴系统所作的功为： t a 捃。肘4 呼8 i n 陬+ 鼽) + s i n ( k o t + 舭 1堡 。主m 邸4 k 鼍r 【c o s ( k r z 一力一s l n 泓+ 瓢+ 妨批 ( 3 7 ) 一m a 圭c o s ( r 乩一铆 一m 4 石s ( 巩一妨 因此，各曲轴上第k 级激振力矩每周期所作的总功是： 一m m 石艺4 c o s ( g r ；一妒) ( 3 8 ) 令鲁- q 为相对振幅所谓相对幅值，就是各个自由度的振幅相对于某一 给定振幅的比值。则总功可以写为： = 肘船矾q c o s ( k y i 一妒) ( 3 9 ) 式3 9 中的q 称为相对振幅矢量和，它是多缸数柴油机激振力矩作功中 的重要组成部分。根据相对振幅矢量和的大小，可以初步判断不同谐次简谐力 矩所引起振动的强烈程度。相对振幅矢量和中的相对振幅的求取通常是根据 无阻尼自由振动固有振形确定的。其求法在3 1 3 节中专门讨论。 3 1 3 曲轴系统振动的相对振幅分析 根据柴油机动力学的相关理论【删，认为曲轴系统的强迫振动的振形与它的 武汉理工大学硕士学位论文 自由振动振形相似，也就是强迫振动与自由振动各自相应的振幅成比例。而发 动机可以简化为一个多自由度系统，如图3 2 的六缸机可简化为一个八自由度 系统，其中每个气缸对应着一个自由度，飞轮和负载分别代表着一个自由度。 图3 2 六缸机简化的多自由度系统 根据多自由度系统作自由振动时的物理属性，多自由度系统在作自由扭转 振动时，每一个自由度处都在做极其复杂的简谐运动，也就是同时参与几个主 振动，每一个主振动都有自己的振幅、角频率和初始相位。在分析中，一般只 考虑某一级振形的自由扭转振动，而且有实际意义的也是几个低级的振动，因 此可以取第一级振动来分析六缸发动机做自由振动时的相对幅值。 若取第一缸所对应的自由度在发生振动时的振幅为1 ，则其它缸的相对振幅 则为口“，口“，口“，一其中。争，。：。争，。，。争，。根据多自由度系统自 i i t 由振动的相关方程式，就可以求出相对振幅口。，口：。，口。，。的计算公式并利用工 程上的托列解法【棚，就可以计算出这个多自由度系统的一级振形的相对振幅了。 对于六缸机，若已知一级自由扭转振动的角频率就可以利用这种方法试算出一 级振形的相对振幅值。 口一1 0 , a 2 i - 0 9 8 4 0 ，1 7 3 k 一0 9 5 2 2 , a 4 x 一0 9 0 5 2 ，口- 0 8 4 3 7 , a 6 xi0 7 6 8 7 , ， 用振形图及相对振幅分布，来表示就是图3 3 所示 6 缸机曲轴系统的自由摄珈g 振形 图3 3 六缸机简化的多自由度系统一级振形图的相对振幅分布 2 4 相对攘幅 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 4 多缸数柴油机的激振力矩矢量图 因为激振力矩是各个简谐力矩的总和，因此做激振力矩矢量图，也就是做 简谐力矩的矢量图。先画出曲柄端面图，然后再逐次画出各次简谐力矩的矢量图。 根据上面关于简谐次数的介绍，因为对于二冲程柴油机，气体压力变化的 周期为曲轴转一转的时间，而四冲程内燃机曲轴转一转才完成半个周期，由此 就形成了四冲程机具有半次简谐的特点。所以，在二冲程发动机中，简谐次数 11 k = i ，2 ，3 ，4 ，；在四冲程发动机中，简谐次数k ；，1 ，1 z ，2 ，2 z ，3 ，； z zz 如果在曲柄端面图内有q 个曲柄，根据不同谐次时每个缸对应的曲柄所处 位置的不同，会有多个矢量图，每个矢量图对应着每个谐次。所以以六缸柴油 机为例，它有6 个曲柄。对于二冲程机，有简谐次数k = i ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 共六 1 个谐次的矢量图。对于四冲程机，有6 个曲柄，有简谐次数置= 圭，1 ，1 喜，2 ， zz 111 2 寺，3 ，3 ，4 ，4 ，5 ，5 妄，6 共十二个谐次的矢量图。下图3 4 所指的是 二二二 六缸四冲程柴油机的第0 5 - 3 0 谐次的简谐力矩矢量图。 q ； 。 ：q 图3 - 4 六缸四冲程柴油机的第0 5 - 3 0 谐次的简谐力矩矢量图 3 1 5 多缸数柴油机的激振力矩所产生的相对振幅矢量和嘲 相对振幅的矢量和悯，实际上就是把各缸相对振幅当作力矩矢量来处理，按 激振力矩的矢量图分布来对应着进行相加。以上述六缸机为例，相对应谐次的 相对振幅矢量和的图形为如下图3 5 所示： 图3 5 六缸四冲程柴油机的第0 5 - 3 0 谐次的相对振幅矢量和 2 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 6 多缸数柴油机的激振力矩所产生的简谐振动角度位移 根据3 1 2 中的分析，该第k 次简谐力矩砭对曲轴系统作功时，在曲轴上面 产生的振动角度位移妒。的变化规律为： 妒一a r * s i n ( q t 一妒) 一z * s i n ( k o j t 一妒) - 4 a s i n ( k 研一妒) - c 拼k * a i * s i n ( k “一妒) ( 3 1 0 ) 轴系在各缸简谐力矩作用下发生某一振形的振动时，轴系的扭转振动为各 缸第k 次简谐力矩各自引起的简谐振动之和。而且各缸的简谐力矩之间存在相 位差，因此对多缸数柴油机所得到的曲轴简谐振动角度位移妒。的变化规律为： 钆- 例* s i n 位a - 缸+ 氇) + 伽+ c r 2 * s i n c c o s 一虹+ 魄) + c 删3 x a k * s i n 位a 一_ k + j i ：爵j ) + c ) d l f * 0 1 4 9 , s i n c 6 a q + 虢4 ) + + c 矗l 缸a k * s i n 肠s 一魂r + 吼) ( 3 11 ) - 罗* s i n c c 缸一奴+ 晦) 胃 式中，妒k ，妒扭，九，是各缸激振力矩& 与振形角度位移的相位差； 钆，氕：，氢 是各缸相对于第一缸的发火间隔角。 口，a 2 j c ，口，。分别是各缸相对于基准的相对振幅大小罗口。 符 为相对振幅矢量和。 由( 3 1 1 ) 式可知，曲轴简谐振动角位移是和相对振幅矢量和、各缸发火间 隔角以及激振力矩与振动位移间的相位差等有关。因为做功的总和也是与相对 振幅矢量和有直接关系的，因此若知道影响相对振幅矢量和大小的因素是由于 第几谐次简谐力矩引起的话，就可以通过某种方法找到这些谐次。这里的方法 就是单次谐波相位分析法。因为曲轴简谐振动角度位移最后就是以瞬时转速波 形来表征的，因此每个缸对应的曲轴简谐振动角度位移的多少就表示瞬时转速 波形变化的大小。所以利用瞬时转速波形并进行相关计算之后就可以得到这些 谐次的幅频和相位信息，就可以反映出发动机做功有没有变化。如若发动机出 现故障，这些谐次的简谐力矩的幅频和相位一定会发生相应变化。因此利用这 武汉理工大学硕士学位论文 些谐次的幅频和相位特性来实现发现故障并定位故障缸号的功能，这就是单次 谐波相位分析法的原理。 3 2 单次谐波相位分析法对不同机型应用的原理分析 根据3 1 节的论述。提出了单次谐波相位分析法的原理与推导方法。以下 是在实际的几种机型如6 缸、8 缸、1 2 缸机、1 6 缸柴油机上应用的理论分析， 当轴系的某单谐次振动时，那么在各缸的此单谐次的激振力矩的作用下发生的 简谐振动是各缸引起的简谐振动的矢量之和。如果各缸引起的第x 次谐波简谐 力矩的相对振幅矢量相互抵消，则此次谐波简谐力矩的相对振幅矢量和的值很 小。反之，如果各缸引起的简谐力矩的相对振幅矢量不能相互抵消，就会导致 此谐次简谐力矩的相对振幅矢量和的值很大。基于此，也就可以分析出这次谐 波的简谐力矩在判断发动机是否有故障上面有一定的作用。 ， 3 2 1 六缸柴油机 以某直列六缸机为例，首先按照3 1 节中的论述，依次列出此发动机的曲柄 端面分布图、曲轴系统自由振动振形图的相对振幅分布图、不同谐次谐波简谐 力矩矢量图、不同谐次谐波简谐力矩对应的相对振幅矢量和图。其发火次序为 卜5 3 6 - 2 4 。曲柄的端面分布图为图3 6 所示： 1 6 2 图3 6 六缸机曲柄分布图 6 缸机的曲轴系统自由振形【3 刀的振形图为图3 7 所示 武汉理工大学硕士学位论文 图3 7 六缸机曲轴系统自由振动振形图的相对振幅分布 以下是6 缸机按照卜5 - 3 6 - 2 4 发火顺序下的各次谐波的简谐力矩的矢量 图，也就是曲轴的曲柄处于不同的位置下的状态图，如图3 8 。 圆圆。 6 j l - - i l l 诸- 司5 簟= 筒谴阜l 0 瓦e 锕 第三蔺谐卑ls 图3 8 六缸机不同谐次谐波简谐力矩矢量图 相对应的相对振幅矢量和的图，如图3 9 ： 相对藿懵 武汉理工大学硕士学位论文 图3 9 六缸机不同谐次谐波简谐力矩对应的相对振幅矢量和图 以上述六缸机的第1 0 谐次为例，曲轴系统谐次简谐振动的自由振形的相 对幅值从第一缸到第六缸依次按等差规律由大到小变化，如图3 7 。当以第1 0 次谐波简谐力矩进行分析时，如果各缸工作正常，作功均匀，第1 缸和第6 缸、 第5 缸和第2 缸、第4 缸和第3 缸的简谐力矩对应的相对振幅矢量可以相互抵 消了，使得在相互合成抵消之后总体向量和比较小。因此在正常工况下，各缸 1 0 次谐波简谐力矩对应的相对振幅矢量和很小。反之，如若出现各缸功率不均 匀，各缸引起的1 0 次谐波的简谐力矩的相对幅值合成后，其相对振幅矢量和 一般不会相互抵消而是明显增大的。同样的还有第2 0 次也有类似的情况。但 是其它几个谐次谐波处在不正常工况下却没有这么大的变化。因此，根据此特 性，对于6 缸机的第1 0 、2 0 次谐波的幅频特性和相位特性可以被用来进行6 缸柴油机故障状态监测与诊断的研究。 3 2 2 八缸柴油机 对于直列8 缸机，同样先按照3 1 节中的论述，依次列出此发动机的曲柄 端面分布图、曲轴系统自由振动振形图的相对振幅分布图、不同谐次谐波简谐 力矩矢量图、不同谐次谐波简谐力矩对应的相对振幅矢量和图。其发火次序为 卜3 7 5 8 6 2 4 。曲柄的端面分布图为图3 1 0 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 厂i 、 。 j 图3 1 0 八缸机曲柄分布图 8 缸机的曲轴系统自由振形【3 刀的振形图及相对振幅分布为图3 1 1 所示 - - o l j 一 种 il 气缸 图3 1 1 八缸机曲轴系统自由振动振形图的相对振幅分布 以下是8 缸机按照1 - 3 - 7 - 5 8 6 _ 2 4 发火顺序下的各次谐波的简谐力矩的 矢量图，也就是曲轴的曲柄处于不同的位置下的状态图，如图3 1 2 。 q 0 一p 簟- ：。，- = ：刍。蕈三i ：。 固孙 图3 1 2 八缸机不同谐次谐波简谐力矩矢量图 3 l 相对振幅 武汉理工大学硕士学位论文 相对应的相对振幅矢量和的图，如图3 1 3 ： i i _ | l 口o s = 一谴鞠o 簟兰讨蕾车l 图3 1 3 八缸机不同谐次谐波简谐力矩对应的相对振幅矢量和图 由图3 1 3 可以知道，8 缸机的第1 0 、2 0 、3 0 次谐波简谐力矩对应的相 对振幅矢量和在正常工况下的是很小的，如果出现了非正常工况，则会有某个 缸在相对幅值上变小，从而使得第1 0 、2 0 、3 0 次谐波处总的相对振幅矢量 和变化很大，而其它几个谐次处的变化没有那么的大。因此，根据此特性，可 以利用这第1 0 、2 0 、3 0 次谐波的幅频特性和相位特性来进行8 缸柴油机的 故障监测与诊断。 3 2 3 十二缸柴油机 十二缸机是v 型排列的发动机，一般由两列结构相同、发火次序一致的气 缸组成，发火顺序为卜1 l 一5 - 9 3 1 2 6 8 - 2 - 1 0 4 - 7 ，其中单列的顺序为 1 - 5 - 3 - 6 - 2 4 - 1 ，和六缸机的发火次序一致。 1 2 缸机的曲柄的排列分布为图3 1 4 所示： 1 e 钒l o 图3 1 4 十二缸机曲柄分布图 武汉理工大学硕士学位论文 经过分析之后，可知道，1 2 缸机是和6 缸机类似的。因此1 2 缸机的第1 0 、 2 0 次谐波简谐力矩对应的相对振幅矢量和在正常工况下是很小，如果出现了非 正常工况，则会使得第1 0 、2 0 次次谐波简谐力矩对应的相对振幅矢量和变化 很大，其它几个谐次处的变化没有那么的大因此，根据此特性，可以利用这 第1 0 次简谐谐波的幅频特性和相位特性来进行1 2 缸机的故障诊断。 3 2 4 十六缸柴油机 v 型排列1 6 缸发动机一般是由两列结构相同、发火